(原标题:“工业皇冠上的明珠”重器始成,国内自主F级重燃满负荷运行)

澎湃新闻记者 杨漾 综合报道

中国大型装备制造集团“十年磨一剑”,从“一张白纸”起步的重型燃气轮机自主研制征程,再次迎来关键节点。

11月27日,在东方电气集团东方汽轮机有限公司(下称东汽)燃气轮机整机试验室里,中国工程院院士、50MW重型燃气轮机满负荷运行见证专家组组长陈学东正式宣布:“东方电气自主研发国内首台F级50MW重型燃气轮机达到满负荷,各项运行指标正常,专家组见证完毕。”

满负荷试验是燃气轮机研发环节最关键的验证节点,也是电站长期运行前的最后一项性能试验。整机顺利实现满负荷稳定运行后,将进入电站长期商业运行考核,预计2021年正式投入试验电站。

重型燃气轮机功率达到50MW,本文图片均来自“德阳发布”

东方电气集团党组书记、董事长邹磊表示,2009年,东方电气集团决心实现自主燃气轮机从“无”到“有”的重大突破,踏上50MW重型燃气轮机的自主研发之路。“十年磨一剑”,几经坎坷、重器始成。

造出自主设计、具备国际水平的重型燃气轮机,是中国燃气轮机行业追逐了六十多年的梦想。超大型燃气轮机被公认为世界上最难造的机械装备,将其誉作“制造业皇冠上的明珠”,毫不夸张。

以目前全球最大的燃气轮机为例,其重量相当于一架加满油的空客A380,出力相当于1200辆保时捷911汽车的涡轮增压发动机,但核心部件的精度误差却最多仅为几十微米。燃气轮机高温部件长期运行在金属熔点以上,同时高温部件承受着极高的应力和腐蚀环境,设计难度极大。

从1939年世界第一台发电用重型燃气轮机诞生以来,经过半个多世纪技术进步和企业重组,GE、西门子和三菱公司各自形成了完整的技术体系和产品系列并垄断了全球市场。作为行业的后来者,中国的燃气轮机自主化之路可谓荆棘遍布:受制于缺乏核心技术,燃气轮机产业发展一路起起落落。

2001年至2007年六年间,中国以三次“打捆招标、市场换技术”方式引进GE、西门子、三菱公司的F/E级重型燃气轮机50余套,由哈汽-GE、东汽-三菱、上汽-西门子、南汽-GE四个联合体实现国产化制造。然而,由于燃气轮机设计研发的高精度高难度及外企技术封锁等原因,十余年的“市场换技术”并未让中方如愿掌握核心技术。据澎湃新闻(www.thepaper.cn)了解,上述中外合作项目均不涉及燃机设计研发合作。也就是说,中国企业只能采用来图加工方式完成制造和销售,却无法参与联合研发,更别说涉足利润更为丰厚的燃机服务环节。

据四川日报2014年报道,2005年,东汽第一台F级重型燃机试车成功,5年后,福建莆田电厂3号机组投运,这台由东汽制造的35万千瓦(即350MW)燃机,达到世界领先水平。它是东汽多年来的“集大成之作”,其国产化率达到79%,创下国内燃机国产化率的最高纪录。

但这一数据,也是我国整个燃机行业的痛——79%,已是燃机行业国产化率的极限。“燃机里的涡轮叶片要承受超过1400℃的超高温,国内没有人能做,与此类似的核心部件占了21%,被老外紧紧抓在手里。”彼时东汽负责设计研发50MW燃气轮机的产品开发处处长方宇说道。

东汽决定突破国产化率79%的极限。为了突破燃气轮机的设计制造技术,在既没有设计规范、设计程序,也没有设计经验的困难条件下,2009年起,东方电气集团汇聚科研资源,在所属企业东方汽轮机组建科研团队,开始踏上自主研发F级50MW兆瓦重型燃气轮机的艰辛征程。

50MW重型燃气轮机的零部件多达数万个,从设计技术到材料机械,再到试验设施,都是一项非常庞大复杂的系统工程。据东方电气的公开资料,其团队先后完成了燃机总体和部件结构设计,建成了国内首个高压比大流量压气机试验台、国内首个F级燃烧器试验台、多个透平部件试验台和国内最大功率的整机测试平台,并成功攻克高温透平叶片毛坯制造难关。2019年9月27日,自主研发初战告捷,国内首台F级50MW重型燃气轮机整机点火试验一次成功。

这个点火试验到底有多难?东方汽轮机有限公司总经理助理赵世全曾对此打了个比喻,“就像在十级狂风中去点燃一根蜡烛。”

根据工作时燃烧温度的高低和机组功率大小,目前主流重型燃气轮机分为E级、F级、H级。燃气轮机的进气温度越高,级别越高,热效率也越高。国际先进燃气轮机已发展到额定输出功率400MW以上的H级,东汽自主研发为什么选50MW燃机?

“选择这个机型,因为它‘能上能下’。”前述四川日报的报道中,方宇曾对机型选择予以回应,50MW燃机的涡轮叶片、燃烧室等关键技术基本与更大功率的燃机处于同一级别,研发成功后,“向上走”可以生产大功率燃机,并不存在技术屏障。而“向下走”可以造体量较小的燃机,广泛运用于船舶动力、分布式能源等诸多领域,市场前景广阔。

东方电气F级50兆瓦重型燃气轮机十一年研发历程

2009年,国内首台自主研发50MW重型燃气轮机研制项目启动。

2009年至2013年,完成总体、压气机、燃烧器和透平的研发设计,转入工程施工设计。

2014年至2016年,建设完成并投用燃气轮机压气机试验台、燃烧器试验台、涂层试验台以及透平高温叶片试验室,其中高温部件试验室获批为国家重点试验室。该系列试验台均为国内首创,突破了缺乏燃气轮机研发部件试验平台的瓶颈。

2014年至2017年,完成了三种压气机试验,各项试验数据与设计基本吻合,其中2017年压气机成功运行到设计点,50MW燃气轮机压气机部件研发成功。

2015年至2019年,完成核心高温部件燃烧器制造工艺研发和试验件制造,完成燃烧器常压、实压燃烧试验,成功获得燃烧器由点火至满负荷燃料和空气运行曲线,50MW燃气轮机燃烧器部件研发成功;完成透平叶片铸造、加工、喷涂工艺技术研发,完成透平冷效试验、冷却流动试验、二次空系统试验、透平叶片调频试验,完成50MW燃气轮机全套透平叶片全过程实物制造,50MW燃气轮机高温透平叶片研发成功。

2017年至2019年,建设完成燃气轮机整机空负荷和满负荷试验台,东方电气形成了完整的燃气轮机研发试验平台体系。

2016年至2019年,先后完成50MW燃气轮机原型机制造、总装、整机试验系统连接和调试,正式进入整机试验阶段。

2019年9月,50MW燃气轮机整机空负荷试验点火成功。

2020年,东方电气集团加快推进燃气轮机研发进程。5月12日正式开始设计转速下的带负荷试验。

2020年6月22日达到25%负荷。

2020年8月10日达到50%负荷。

2020年9月9日达到75%负荷。

2020年9月22日燃气轮机首次运行至100%负荷,试验取得重大突破。

2020年11月27日,燃气轮机顺利实现满负荷稳定运行。

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