历时13年！东方汽轮机啃下“硬骨头”，实现重型燃气轮机自主化
重型燃气轮机是硬骨头21世纪能源转换与洁净利用系统的核心动力装备，是历时轮机轮机动力强国的标志性装备之一，事关国家能源与供给水平。年东在新时期科技强国战略指引下，啃下我国重型燃气轮机行业进入了自主研制、实现创新发展、重型自主战略转型的燃气关键阶段，以首台国产重型燃气轮机产品的硬骨头制造和装配为代表。重型燃气轮机行业自主创新发展，历时轮机轮机需坚持技术体系化发展与正向突破，年东筑牢领域技术基础并提升创新能力，啃下实现产品全生命周期的实现效能提升以及匹配的市场化保障条件，这对重型燃气轮机相关的重型自主技术体系及研究基础提出了新的更高要求。
2023年1月3日2时48分，燃气被誉为“争气机”的硬骨头首台全国产化F级50兆瓦重型燃气轮机发电机组，在广东华电清远华侨园燃气分布式能源站并网发电，填补了我国自主燃气轮机应用领域空白。
回忆13年来的研制历程，东方电气集团东方汽轮机有限公司（以下简称东方汽轮机）副总经理、G50发展中心主任方宇感慨万千——历经4000多个日日夜夜，工程师们从“0”到“1”不断突破，终于啃下了重型燃气轮机自主化这块“硬骨头”。
重型燃气轮机有多重要
重型燃气轮机是21世纪能源转换与洁净利用系统的核心动力装备，因其设计、制造难度极大而成为一个国家工业水平的集中体现，具有技术密集度高、产业带动面广、军民结合属性强等特点。受核心技术门槛高、产业规模化发展、市场竞争历史性因素的作用，国际上形成了行业巨头高度垄断的重型燃气轮机技术与行业发展格局。
20世纪50年代，发电工业引入了燃气轮机；随着世界范围内天然气资源的开发利用，重型燃气轮机在发电领域得到应用。目前，世界先进水平的重型燃气轮机，简单循环功率达到593 MW，联合循环效率大于64%；随着可再生能源、储能等技术的发展以及控制碳排放的需要，氢（氨）燃气轮机技术开发成为潮流，预计2030年可实现重型燃气轮机兼容氢燃料。我国电力行业对重型燃气轮机产品需求迫切，在为重要的清洁发电方向，2021年气电总装机容量为1.086×108 kW（占电源总装机容量的4.6%），气电发电量为2.834×1011 kW·h（占发电总量的3.4%），2025年前预计新增气电装机容量3.2×107 kW。在碳达峰、碳中和战略目标提出后，能源消费清洁低碳化进程将进一步加快，电力也将占据能源体系的主导地位，相关发展任务艰巨。
进入21世纪后，我国积极开展重型燃气轮机的研制并取得了一系列突破。前期通过打捆招标、以市场换技术等形式，推动国内制造企业与国外燃气轮机公司合作，引进了部分重型燃气轮机制造技术，实现了入股国外燃气轮机公司以寻求技术突破；部分企业在中小功率燃气轮机研制方面开展了自主投入。但整体来看，在役重型燃气轮机绝大部分为国外产品的格局并未打破；由于对重型燃气轮机核心技术掌握不足、没有适配的部件和软件用于更换升级，国内企业甚至不具备在役重型燃气轮机的维修能力；行业可持续发展面临潜在的“卡脖子”风险，制约了发电装备、高端制造业的发展水平。
在新时期科技强国战略指引下，我国重型燃气轮机行业进入了自主研制、创新发展、战略转型的关键阶段，以首台国产重型燃气轮机产品的制造和装配为代表。重型燃气轮机行业自主创新发展，不再是产品仿制、跟随式发展，而需坚持技术体系化发展与正向突破，筑牢领域技术基础并提升创新能力，实现产品全生命周期的效能提升以及匹配的市场化保障条件。
“在十级狂风中点燃一根蜡烛”
作为当今世界效率的热功转换设备，重型燃气轮机被誉为装备制造业“皇冠上的明珠”，是一个国家工业水平、综合国力的重要体现。
2009年，位于四川德阳的东方电气集团经过多方考察调研，正式立项研制重型燃机。这注定是一条布满荆棘的科研攀登之路。东方汽轮机副总工程师赵世全曾打过一个比喻：“50兆瓦燃机点火试验的难度，犹如在10级狂风中点燃一根蜡烛。”
2018年6月27日，该项目的压气机和燃烧器联合试验开始。“在此之前，两个部件的独立试验都已经成功开展，因此大家觉得联合试验会一帆风顺，都信心满满。”赵世全回忆说。
然而，随着点火指令发出，紧盯屏幕监视参数变化的研发人员脸上喜悦的神情渐渐凝固——火没点着。经过各种参数调节尝试，都不见效。反复排查之后，科研团队终确定，问题出在整机优化修改的燃料孔孔径上。
“燃气轮机由2万多个零件组成，其工作压力为18个大气压，相当于海下180米深度的水压，工作温度超过1300摄氏度。”东方汽轮机G50发展中心副主任田晓晶介绍说，“作为极其复杂的能源装备，系统耦合度与部件集成度超高，任何一项更改牵一发而动全身，都有可能导致整个系统出现问题。”
燃料孔孔径问题解决后，2019年9月，研发人员认为该装置具备条件，准备点火。可随着点火指令发出、燃料阀门开启，一盆冷水又浇了下来——8个燃烧器只有1个被点着。
研发人员没有气馁。经过反复调试分析，9月27日，这台重型燃气轮机的8个燃烧器终于同时点火成功。
让“热声振荡尖叫”安静下来
科学的大道上从来没有坦途和捷径，只有不避艰险、不怕困难，勇于面对挫折和失败，才能摘取“皇冠上的明珠”。“东方汽轮机是一家以汽轮机为主导产品的发电设备制造企业，但在重型燃气轮机设计领域，很多问题从没遇到过。”赵世全说。
以该设备的核心部件燃烧器的工况为例，在燃烧器内筒，高温火焰与压力波动“你来我往”，产生了一种叫作“热声振荡”的现象。它是制约燃机研发的关键瓶颈，又是所有燃机研发历程中的必经之路。
2018年，燃烧技术团队在开展燃烧器部件试验时，遇到了约3000赫兹的高频振荡。刺耳的声音穿透隔音防护传至测控室，数秒后，大家才意识到，这就是“热声振荡尖叫”。窥视镜检查显示，设备部件已经受损，裂纹、碎片均有出现，试验被迫停止。
面对前所未有的难题，工程师们查阅文献资料，从原理入手，通过不断尝试匹配不同的燃料与空气比例，控制火焰的位置与形态，进而控制火焰与压力波博弈的结果。经过数天调试，终于找到了燃料与空气匹配比例，“安静”地实现了预期试验目标。此后，团队成员又更进一步，着手研发出更预测“尖叫声”的计算方法以及抑制手段，支撑与推进了整机试验。
主机国产化率
燃气轮机工作时，使用的高温透平叶片需在普通金属熔点温度以上的条件下，以6000转/分钟高速旋转，其叶顶线速度超过大型客机飞行速度的两倍。而叶片的生产制造，因型线精度要求高、材料强度黏性大，机械切削加工难度巨大，只能采用精密铸造成型技术。
“在叶片精铸团队成立时，大家的经验近乎一张白纸，前期试验压蜡出来的陶瓷型芯碎得‘稀里哗啦’，同时伴随着严重偏心。”田晓晶说，由于行业内对相关技术普遍高度保密，鲜有公开发表的文献，对科研团队来说这又是一次从“0”开始的探索之路。
随后，团队成员夜以继日、大海捞针般地搜索查阅文献，偶然间在一篇综述里发现了“型芯定位”的概念，还有一张模糊的。这让长久以来一筹莫展的团队“灵光乍现”，他们结合自身产品实际，创新性地提出6点定位设计方法，并与模具供应商合作，成功解决了之前的断芯和严重偏心问题。经过多批次生产验证，不但极大地改进了生产质量，提高了效率，其成果“一种带陶瓷型芯蜡模成型方法”还于2017年被授权国家发明专利。
方宇说，F级50兆瓦重型燃气轮机研制项目中，先后联合了高校、科研院所、产业链上中下游近300家企业，共同打造可控、自主可靠的燃机产业链，终实现主机国产化率。
党的二十大报告提出，以国家战略需求为导向，集聚力量进行原创性引领性科技攻关，坚决打赢关键核心技术攻坚战。首台国产F级50兆瓦重型燃气轮机的成功研制，正是一个生动实践。