動力澎湃的工業心臟——燃氣輪機_風聞

马氏体-2小时前

2024-03-09

2024年2月28日，我國自主研製的300兆瓦級F級重型燃氣輪機首台樣機在上海臨港總裝下線，標誌着我國大功率重型燃氣輪機首次走完基於正向設計的製造全過程，全面進入整機試驗與驗證的最終階段。

根據功率，燃氣輪機可分為微型、輕型（<50MW）和50MW以上的重型燃氣輪機，最大可達600MW。按照燃氣工作温度，重型燃氣輪機可以分為E級（燃氣工作温度約1200℃）、F級（約1400℃）、G/H級（約1500℃）和J級（約1600℃）。

我國已經在艦艇主機所用的輕型燃氣輪機方面實現完全自主，並向民用領域拓展，但在重型燃氣輪機方面，美國通用電氣（GE）、德國西門子（Siemens）和日本三菱重工（MHI）三巨頭佔據了絕大部分國際市場份額。儘管我國三大電氣（三大電力裝備製造企業，即哈爾濱電氣、東方電氣、上海電氣）、中國航發等企業通過合作生產、海外收購、引進技術等方式也能生產重型燃氣輪機，但是關鍵核心技術是買不來的。

2023年1月3日，東方電氣推出的我國首台完全自主研製的F級50兆瓦重型燃氣輪機——G50，在廣東華電清遠燃氣分佈式能源站成功併網發電，實現零的突破。

此次下線的我國最大功率、最高技術等級的重型燃氣輪機由國家電投集團作為項目實施主體單位，聯合哈爾濱電氣、東方電氣和上海電氣組建中國聯合重型燃氣輪機技術有限公司負責具體實施，首台樣機由上海電氣集團在上海臨港基地總裝製造，是我國諸多企業、院所、高校強強聯合的結晶。

燃氣輪機在電力、動力和天然氣輸送等領域發揮着重要作用。

比如為了克服天然氣管道輸送的阻力，管道上每隔一段距離就要設置一座壓氣站，由燃氣輪機（一般為輕型燃氣輪機）驅動壓縮機給天然氣增壓，燃料則就地取材使用天然氣。

這是位於哈薩克斯坦阿拉木圖州奧塔爾鎮的中哈天然氣管道A/B線6號壓氣站，使用德國西門子公司在英國羅爾斯·羅伊斯（Rolls-Royce）RB211型渦輪風扇發動機（用於波音747等）基礎上開發的RB211-24G型燃氣輪機。燃氣輪機與航空渦輪發動機在原理上是相同的，很多輕型燃氣輪機甚至就是從航空發動機發展而來（被稱為“航改燃”）。

燃氣輪機的燃氣發生器就相當於航空發動機的核心機。吸入的空氣經壓氣機增壓，在燃燒室內與燃料（不僅僅是天然氣等氣體燃料，也可以使用柴油等液體燃料）混合燃燒，產生高温高壓燃氣，驅動高壓渦輪旋轉，由高壓渦輪帶動壓氣機。燃氣所剩餘的大部分能量則由動力渦輪提取，實現動力輸出。

這台蘇爾壽燃氣輪機制造於1969年（並非航改燃機型），在德國科隆的天然氣壓氣站服役了近40年，退役後被捐贈給德意志博物館。

在這台3.5MW燃氣輪機的轉子旁邊，還陳列着幾片更加巨大的渦輪葉片。它們來自西門子SGT5-8000H重型燃氣輪機，整機尺寸12.6米×5.5米×5.5米，重445噸，功率達450MW，是先進的H級燃氣輪機。

重型燃氣輪機主要用於發電，追求高可靠性，但是對尺寸、重量不敏感，所以多采用單轉子設計，用每分鐘3000或3600轉的低轉速與交流電頻率（50或60Hz）匹配，無需減速齒輪，可以直接驅動發電機，簡單可靠。但低轉速導致每一級壓氣機的增壓能力不足，需要增加壓氣機級數（比如SGT5-8000H有13級），整機的體積和重量龐大。

考慮到大尺寸葉片的技術難度和成本，重型燃氣輪機的渦輪不一定使用單晶葉片，而採用定向凝固葉片（比如SCT-8000H和三菱重工的J級燃氣輪機）。好在大尺寸葉片裏有足夠的空間做冷卻通道以解決耐熱問題。在葉片表面噴塗的熱障塗層起到隔熱作用。在葉片前緣還能看到幾列小孔，作用是釋放出冷卻空氣，在葉片表面形成隔絕高温的氣膜（氣膜冷卻）。

燃氣輪機的排氣温度高達五六百度，直接排放掉顯然會浪費很多能量。利用餘熱鍋爐回收煙氣熱量產生蒸汽，驅動蒸汽輪機，構成聯合循環發電系統，總熱效率可達60％以上。聯合循環電站可以使用清潔的天然氣作為燃料，也可以使用煤氣化得到的煤氣（主要成分為氫氣和一氧化碳，被稱為“整體煤氣化聯合循環”，縮寫為IGCC），是火電清潔高效發展的方向之一。

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