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中国自主300兆瓦级重型燃机技术从哪里来?

2018-12-26 11:04:23

【文/观察者网专栏作者 施洋】

据《科技日报》12月26日报道,我国首件自主化300兆瓦级F级重型燃气轮机涡轮第一级静叶铸件,25日顺利通过鉴定。这项进展被称作是我国在重型燃机热端核心部件上取得的第一个重要突破,也是国家科技重大专项“航空发动机和燃气轮机”迄今最重要的里程碑式的成果。

要理解所谓的“重型燃气轮机涡轮第一级静叶铸件”的重大意义所在,就要从了解这件产品在燃气轮机上的位置。当代常见的燃气轮机在整体结构上与飞机的涡扇式喷气发动机大同小异,由压气机、燃烧室和涡轮组成的核心机部分是其中的关键设备,而在这其中处于热燃气流中的热端部件,如火焰筒、燃气涡轮、导向器及喷管等又是其关键中的关键。

燃烧室右侧红色气体的部分需要的就是热端部件

这其中,燃气涡轮的主要作用,就是将燃烧室中高温、高压燃气的能量转变为机械功,以其中的一部分带动冷端的压气机压缩空气保持燃气轮机的持续运转,剩余部分则作为燃气轮机的输出功率,带动发电机或者其他设备。

此次制造的“燃气轮机涡轮第一级静叶”就是燃气涡轮这一部件的组成部分,也是燃气涡轮中第一个接触高温高压燃气流的。静叶在这其中的重要作用,是将燃气流进一步膨胀加速,同时降低燃气的压力和温度,从而更好地让涡轮中的叶片或者说转子连续旋转,产生动力输出。

由于燃气轮机涡轮第一级静叶在工作中最先接触高温燃气,且始终被气所包围,因此其工作条件极为恶劣,加上燃气轮机启动速度较快,在启动和停机时,要在短时间内实现迅速的升温和降温,所受到的热冲击也最为严重,因此第一级静叶在设计中,要求具备足够的强度和刚度的同时,还要能够耐高温、耐热腐蚀、热冲击,并且不能有太大的热应力。

一般看到的这些叶片多为转子,与静叶片交错布置

由于技术难度大,加工要求高,长期以来,我国在燃气轮机领域的研究积累不足,要么只能仿制国外结构比较简单的产品,要么就是利用航空工业生产的航空发动机改装成燃气轮机。这些产品普遍存在着性能差、功率小的问题。加上上世纪末国内燃气轮机发电机系统因为油气供应严重短缺和“以煤代油”的能源政策陷入停滞,直到21世纪开始,我国才真正在燃气轮机领域开展重型燃气轮机的大规模技术引进和自主研发。

这些重型燃气轮机按照燃烧室温度,目前可以分为E级,F级和H级,其技术难度和先进程度也逐级提升,在国内大规模研制F级重型燃气轮机之前,我国在2001年先启动了由中航工业、清华大学、中科院工程热物理研究所、上海交通大学等单位组成设计研制项目联合体,联合研制的R0110重型E级燃气轮机研制工作,并在2014年3月21日顺利通过了专家组验收。在此基础上,国内多家厂所研究机构开展了F级重型燃机的实验设施建设和自行研制工作。

此前我国研制的R0110重型E级燃气轮机

在这其中,有一个项目与国家电投中国重燃300MW级F级重型燃机的研制密切相关,那就是北京华清燃机公司(其前身为2008年国家发改委批准成立的燃气轮机与煤气化联合循环国家工程研究中心)研制的CGT-60F型70MW燃气轮机。因为这款发动机从一开始就没有满足与70MW的功率,而是将其作为国产F级300MW重型燃气轮机的技术验证机进行的研制。

GE公司F级燃机产品模化关系,同一系列燃机的燃烧室完全相同,只是个数不同

在2016年对北京华清CGT-60F燃气轮机设计团队的专访中,总设计师陈伟博士就曾经明确表示,研制CGT-60F的目的,就是借鉴国际燃气轮机巨头GE、西门子、三菱的经验,“从研制小功率的原型机入手,突破并掌握F级燃机设计和制造核心技术,然后采用模化放大或缩小的方法,在较短时期内形成同一技术等级的不同功率的系列化燃机型号”。只要在放大/缩小的过程中保持压气机压比、透平进口温度、主机总体结构、关键零部件材料与加工工艺不变,在遵循上述原则而且在一定的放大/缩小比例内,原型机可以在短时间内一步放大/缩小为同一技术等级但是不同功率大小的系列产品,无需再研发新的核心技术,且可大幅节省研发投资、缩短研发周期、降低研制风险。

此前我国研制的CGT-60F燃气轮机

此次的300兆瓦级F级重型燃气轮机涡轮第一级静叶本身,就是从CGT-60F燃气轮机的涡轮第一级静叶模化放大而来。至于后者,根据《科技日报》2016年的报道,北京华清在当年的7月29日就宣布具有完全自主知识产权的F级重型燃气轮机CGT-60F(燃气温度1400℃)全三维复合倾斜透平第一级静叶片在中国燃气涡轮研究院顺利完成高温冷却效果试验,各项性能指标包括叶片冷却效率、叶片温度分布均优于设计要求,标志着我国重型燃气轮机核心设计制造技术的重大突破。

根据当时的介绍,全三维复合倾斜透平静叶片属于重型燃气轮机领域国内外首创,与传统的直叶片相比,全三维复合倾斜造型气动损失小、效率高,但叶片冷却设计难度大,涉及气动、传热、强度多学科。华清燃机公司经过多年自主创新,攻克了多个设计技术难关,建立了设计体系和设计规范,并获得了11项发明专利;重型燃气轮机叶片尺寸大,超级合金毛坯精密铸造是公认的顶级铸造技术,无锡永瀚公司在国内率先掌握了这项关键制造工艺。

CGT-60F(70MW)第一级静叶片,在结构上与此次的300兆瓦级F级重型燃气轮机涡轮第一级静叶基本一致

而在当时的新闻报道中,就曾明确表示,CGT-60F(70MW)第一级静叶片,在透平进口压力和温度不变的条件下,可以不再需要做冷却效果试验而直接相似放大到F级300MW燃气轮机透平叶片。这也就是今天我国首件自主化300兆瓦级F级重型燃气轮机涡轮第一级静叶铸件的技术来源。

由于燃气轮机本身的敏感性以及与航空工业的不解之缘,中外媒体都很容易将其用途往军事上联想。之前我国研制成功R0110重型燃气轮机的时候,就有大量媒体在报道中展望将其用于包括驱动航空母舰在内的各种军用场景。300MW级F级重型燃气轮机对于任何船只来说都太大了(美国“福特”级核动力航空母舰的推进功率也只有104MW),加上这类重型燃气轮机一般使用的燃料都是天然气,其用途也和驱动舰艇什么的关系不大。

这些重型燃气轮机并不适合船用,而是更加单纯的发电机组

这类燃气轮机的主要用途还是用于发电,一般来说,功率较小的燃气轮机适合和发电机独立组成循环系统,也称为开式循环。其优点是装机快、起停灵活,多用于电网调峰和交通、工业动力系统。而300MW级F级重型燃气轮机这样的大型燃气轮机,则适合与发电机加上配套的余热锅炉共同组成的循环系统,它在利用燃气轮机进行发电的同时,还能将燃气轮机排出的功后高温乏烟气通过余热锅炉回收,转换为蒸汽或热水,要么诸如蒸汽轮机继续发电,要么作为供暖加以利用,也有将余热锅炉的蒸汽回注入燃气轮机提高燃气轮机出力和效率。不管采用哪一种形式,这种发电形式的燃料利用率都远远高于普通的内外燃机,具备很好的经济效益。

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施洋

施洋

外交与军事观察者,独立评论员

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来源:观察者网 | 责任编辑:施佬
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