动力澎湃的工业心脏——燃气轮机_风闻

马氏体-2小时前

2024-03-09

2024年2月28日，我国自主研制的300兆瓦级F级重型燃气轮机首台样机在上海临港总装下线，标志着我国大功率重型燃气轮机首次走完基于正向设计的制造全过程，全面进入整机试验与验证的最终阶段。

根据功率，燃气轮机可分为微型、轻型（<50MW）和50MW以上的重型燃气轮机，最大可达600MW。按照燃气工作温度，重型燃气轮机可以分为E级（燃气工作温度约1200℃）、F级（约1400℃）、G/H级（约1500℃）和J级（约1600℃）。

我国已经在舰艇主机所用的轻型燃气轮机方面实现完全自主，并向民用领域拓展，但在重型燃气轮机方面，美国通用电气（GE）、德国西门子（Siemens）和日本三菱重工（MHI）三巨头占据了绝大部分国际市场份额。尽管我国三大电气（三大电力装备制造企业，即哈尔滨电气、东方电气、上海电气）、中国航发等企业通过合作生产、海外收购、引进技术等方式也能生产重型燃气轮机，但是关键核心技术是买不来的。

2023年1月3日，东方电气推出的我国首台完全自主研制的F级50兆瓦重型燃气轮机——G50，在广东华电清远燃气分布式能源站成功并网发电，实现零的突破。

此次下线的我国最大功率、最高技术等级的重型燃气轮机由国家电投集团作为项目实施主体单位，联合哈尔滨电气、东方电气和上海电气组建中国联合重型燃气轮机技术有限公司负责具体实施，首台样机由上海电气集团在上海临港基地总装制造，是我国诸多企业、院所、高校强强联合的结晶。

燃气轮机在电力、动力和天然气输送等领域发挥着重要作用。

比如为了克服天然气管道输送的阻力，管道上每隔一段距离就要设置一座压气站，由燃气轮机（一般为轻型燃气轮机）驱动压缩机给天然气增压，燃料则就地取材使用天然气。

这是位于哈萨克斯坦阿拉木图州奥塔尔镇的中哈天然气管道A/B线6号压气站，使用德国西门子公司在英国罗尔斯·罗伊斯（Rolls-Royce）RB211型涡轮风扇发动机（用于波音747等）基础上开发的RB211-24G型燃气轮机。燃气轮机与航空涡轮发动机在原理上是相同的，很多轻型燃气轮机甚至就是从航空发动机发展而来（被称为“航改燃”）。

燃气轮机的燃气发生器就相当于航空发动机的核心机。吸入的空气经压气机增压，在燃烧室内与燃料（不仅仅是天然气等气体燃料，也可以使用柴油等液体燃料）混合燃烧，产生高温高压燃气，驱动高压涡轮旋转，由高压涡轮带动压气机。燃气所剩余的大部分能量则由动力涡轮提取，实现动力输出。

这台苏尔寿燃气轮机制造于1969年（并非航改燃机型），在德国科隆的天然气压气站服役了近40年，退役后被捐赠给德意志博物馆。

在这台3.5MW燃气轮机的转子旁边，还陈列着几片更加巨大的涡轮叶片。它们来自西门子SGT5-8000H重型燃气轮机，整机尺寸12.6米×5.5米×5.5米，重445吨，功率达450MW，是先进的H级燃气轮机。

重型燃气轮机主要用于发电，追求高可靠性，但是对尺寸、重量不敏感，所以多采用单转子设计，用每分钟3000或3600转的低转速与交流电频率（50或60Hz）匹配，无需减速齿轮，可以直接驱动发电机，简单可靠。但低转速导致每一级压气机的增压能力不足，需要增加压气机级数（比如SGT5-8000H有13级），整机的体积和重量庞大。

考虑到大尺寸叶片的技术难度和成本，重型燃气轮机的涡轮不一定使用单晶叶片，而采用定向凝固叶片（比如SCT-8000H和三菱重工的J级燃气轮机）。好在大尺寸叶片里有足够的空间做冷却通道以解决耐热问题。在叶片表面喷涂的热障涂层起到隔热作用。在叶片前缘还能看到几列小孔，作用是释放出冷却空气，在叶片表面形成隔绝高温的气膜（气膜冷却）。

燃气轮机的排气温度高达五六百度，直接排放掉显然会浪费很多能量。利用余热锅炉回收烟气热量产生蒸汽，驱动蒸汽轮机，构成联合循环发电系统，总热效率可达60％以上。联合循环电站可以使用清洁的天然气作为燃料，也可以使用煤气化得到的煤气（主要成分为氢气和一氧化碳，被称为“整体煤气化联合循环”，缩写为IGCC），是火电清洁高效发展的方向之一。

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