中國大型裝備制造集團“十年磨一劍”，從“一張白紙”起步的重型燃氣輪機自主研制征程，再次迎來關鍵節(jié)點。
11月27日，在東方電氣集團東方汽輪機有限公司(下稱東汽)燃氣輪機整機試驗室里，中國工程院院士、50MW重型燃氣輪機滿負荷運行見證專家組組長陳學東正式宣布：“東方電氣自主研發(fā)國內(nèi)首臺F級50MW重型燃氣輪機達到滿負荷，各項運行指標正常，專家組見證完畢。”
滿負荷試驗是燃氣輪機研發(fā)環(huán)節(jié)最關鍵的驗證節(jié)點，也是電站長期運行前的最后一項性能試驗。整機順利實現(xiàn)滿負荷穩(wěn)定運行后，將進入電站長期商業(yè)運行考核，預計2021年正式投入試驗電站。重型燃氣輪機功率達到50MW，本文圖片均來自“德陽發(fā)布”東方電氣集團黨組書記、董事長鄒磊表示，2009年，東方電氣集團決心實現(xiàn)自主燃氣輪機從“無”到“有”的重大突破，踏上50MW重型燃氣輪機的自主研發(fā)之路。“十年磨一劍”，幾經(jīng)坎坷、重器始成。造出自主設計、具備國際水平的重型燃氣輪機，是中國燃氣輪機行業(yè)追逐了六十多年的夢想。超大型燃氣輪機被公認為世界上最難造的機械裝備，將其譽作“制造業(yè)皇冠上的明珠”，毫不夸張。
以目前全球最大的燃氣輪機為例，其重量相當于一架加滿油的空客A380，出力相當于1200輛保時捷911汽車的渦輪增壓發(fā)動機，但核心部件的精度誤差卻最多僅為幾十微米。燃氣輪機高溫部件長期運行在金屬熔點以上，同時高溫部件承受著極高的應力和腐蝕環(huán)境，設計難度極大。
從1939年世界第一臺發(fā)電用重型燃氣輪機誕生以來，經(jīng)過半個多世紀技術進步和企業(yè)重組，GE、西門子和三菱公司各自形成了完整的技術體系和產(chǎn)品系列并壟斷了全球市場。作為行業(yè)的后來者，中國的燃氣輪機自主化之路可謂荊棘遍布：受制于缺乏核心技術，燃氣輪機產(chǎn)業(yè)發(fā)展一路起起落落。
2001年至2007年六年間，中國以三次“打捆招標、市場換技術”方式引進GE、西門子、三菱公司的F/E級重型燃氣輪機50余套，由哈汽-GE、東汽-三菱、上汽-西門子、南汽-GE四個聯(lián)合體實現(xiàn)國產(chǎn)化制造。然而，由于燃氣輪機設計研發(fā)的高精度高難度及外企技術封鎖等原因，十余年的“市場換技術”并未讓中方如愿掌握核心技術。據(jù)澎湃新聞(www.thepaper.cn)了解，上述中外合作項目均不涉及燃機設計研發(fā)合作。也就是說，中國企業(yè)只能采用來圖加工方式完成制造和銷售，卻無法參與聯(lián)合研發(fā)，更別說涉足利潤更為豐厚的燃機服務環(huán)節(jié)。
據(jù)四川日報2014年報道，2005年，東汽第一臺F級重型燃機試車成功，5年后，福建莆田電廠3號機組投運，這臺由東汽制造的35萬千瓦(即350MW)燃機，達到世界領先水平。它是東汽多年來的“集大成之作”，其國產(chǎn)化率達到79%，創(chuàng)下國內(nèi)燃機國產(chǎn)化率的最高紀錄。
但這一數(shù)據(jù)，也是我國整個燃機行業(yè)的痛——79%，已是燃機行業(yè)國產(chǎn)化率的極限。“燃機里的渦輪葉片要承受超過1400℃的超高溫，國內(nèi)沒有人能做，與此類似的核心部件占了21%，被老外緊緊抓在手里。”彼時東汽負責設計研發(fā)50MW燃氣輪機的產(chǎn)品開發(fā)處處長方宇說道。
東汽決定突破國產(chǎn)化率79%的極限。為了突破燃氣輪機的設計制造技術，在既沒有設計規(guī)范、設計程序，也沒有設計經(jīng)驗的困難條件下，2009年起，東方電氣集團匯聚科研資源，在所屬企業(yè)東方汽輪機組建科研團隊，開始踏上自主研發(fā)F級50MW兆瓦重型燃氣輪機的艱辛征程。
50MW重型燃氣輪機的零部件多達數(shù)萬個，從設計技術到材料機械，再到試驗設施，都是一項非常龐大復雜的系統(tǒng)工程。據(jù)東方電氣的公開資料，其團隊先后完成了燃機總體和部件結(jié)構設計，建成了國內(nèi)首個高壓比大流量壓氣機試驗臺、國內(nèi)首個F級燃燒器試驗臺、多個透平部件試驗臺和國內(nèi)最大功率的整機測試平臺，并成功攻克高溫透平葉片毛坯制造難關。2019年9月27日，自主研發(fā)初戰(zhàn)告捷，國內(nèi)首臺F級50MW重型燃氣輪機整機點火試驗一次成功。
這個點火試驗到底有多難?東方汽輪機有限公司總經(jīng)理助理趙世全曾對此打了個比喻，“就像在十級狂風中去點燃一根蠟燭。”
根據(jù)工作時燃燒溫度的高低和機組功率大小，目前主流重型燃氣輪機分為E級、F級、H級。燃氣輪機的進氣溫度越高，級別越高，熱效率也越高。國際先進燃氣輪機已發(fā)展到額定輸出功率400MW以上的H級，東汽自主研發(fā)為什么選50MW燃機?
“選擇這個機型，因為它‘能上能下’。”前述四川日報的報道中，方宇曾對機型選擇予以回應，50MW燃機的渦輪葉片、燃燒室等關鍵技術基本與更大功率的燃機處于同一級別，研發(fā)成功后，“向上走”可以生產(chǎn)大功率燃機，并不存在技術屏障。而“向下走”可以造體量較小的燃機，廣泛運用于船舶動力、分布式能源等諸多領域，市場前景廣闊。東方電氣F級50兆瓦重型燃氣輪機十一年研發(fā)歷程
2009年，國內(nèi)首臺自主研發(fā)50MW重型燃氣輪機研制項目啟動。
2009年至2013年，完成總體、壓氣機、燃燒器和透平的研發(fā)設計，轉(zhuǎn)入工程施工設計。
2014年至2016年，建設完成并投用燃氣輪機壓氣機試驗臺、燃燒器試驗臺、涂層試驗臺以及透平高溫葉片試驗室，其中高溫部件試驗室獲批為國家重點試驗室。該系列試驗臺均為國內(nèi)首創(chuàng)，突破了缺乏燃氣輪機研發(fā)部件試驗平臺的瓶頸。
2014年至2017年，完成了三種壓氣機試驗，各項試驗數(shù)據(jù)與設計基本吻合，其中2017年壓氣機成功運行到設計點，50MW燃氣輪機壓氣機部件研發(fā)成功。
2015年至2019年，完成核心高溫部件燃燒器制造工藝研發(fā)和試驗件制造，完成燃燒器常壓、實壓燃燒試驗，成功獲得燃燒器由點火至滿負荷燃料和空氣運行曲線，50MW燃氣輪機燃燒器部件研發(fā)成功;完成透平葉片鑄造、加工、噴涂工藝技術研發(fā)，完成透平冷效試驗、冷卻流動試驗、二次空系統(tǒng)試驗、透平葉片調(diào)頻試驗，完成50MW燃氣輪機全套透平葉片全過程實物制造，50MW燃氣輪機高溫透平葉片研發(fā)成功。
2017年至2019年，建設完成燃氣輪機整機空負荷和滿負荷試驗臺，東方電氣形成了完整的燃氣輪機研發(fā)試驗平臺體系。
2016年至2019年，先后完成50MW燃氣輪機原型機制造、總裝、整機試驗系統(tǒng)連接和調(diào)試，正式進入整機試驗階段。
2019年9月，50MW燃氣輪機整機空負荷試驗點火成功。
2020年，東方電氣集團加快推進燃氣輪機研發(fā)進程。5月12日正式開始設計轉(zhuǎn)速下的帶負荷試驗。
2020年6月22日達到25%負荷。
2020年8月10日達到50%負荷。
2020年9月9日達到75%負荷。
2020年9月22日燃氣輪機首次運行至100%負荷，試驗取得重大突破。
2020年11月27日，燃氣輪機順利實現(xiàn)滿負荷穩(wěn)定運行。
