世界重型燃氣輪機產品系列發展史及其啟示

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清華大學教授 中國工程院院士 蔣洪德

前言
重型燃氣輪機是發電設備的高端裝備，其技術含量和設計制造難度居所有機械設備之首，是機械制造行業的金字塔頂端，在國民經濟和能源電力工業中有重要的戰略地位。目前燃氣輪機聯合循環發電已經達到全球發電總量的五分之一（歐美國家已超過三分之一），最先進的H/J級燃氣輪機單循環和聯合循環效率已經達到40%—41%和60%—61%，為所有發電方式之冠。燃用天然氣的燃機電站污染排放極低，二氧化碳比排放量是超臨界燃煤電站的約一半，大力發展天然氣發電是包括我國在內的世界各國保護環境和落實《巴黎協定》減少溫室氣體排放的主要措施之一。

我國黨和政府對發展重型燃氣輪機產業高度重視，航空發動機與燃氣輪機國家科技重大專項（簡稱兩機專項）從今年開始進入實施階段，已經列為“十三五”發展計劃中我國要實施的100項重點任務之首。

從1939年世界第一台發電用重型燃氣輪機誕生以來，經過半個多世紀技術進步和企業重組，GE、西門子和三菱公司各自形成了完整的技術體系和產品系列並壟斷了全球市場。重型燃氣輪機的研發是一項複雜的系統工程，技術難度很高、研發投資巨大、實施周期很長，一旦決策失誤，輕則造成不同程度的經濟和市場份額損失，重則有可能使公司陷入危機甚至導致公司破產（被兼並）。這三家公司技術上成功的基本經驗和教訓是什麽？這些經驗和教訓對我國燃氣輪機行業自主創新有什麽啟示？什麽是我國燃氣輪機行業自主創新應當遵循的科學合理的技術路線？這是我國燃氣輪機全行業共同面臨的問題。

世界重型燃氣輪機發展歷程綜述
1939年在瑞士BBC公司誕生了世界第一台發電用重型燃氣輪機，標誌著發電行業由汽輪機進入了燃氣輪機時代。七十多年來世界重型燃氣輪機的發展大致可分為五個階段：

誕生階段（1939—1950年代末期）：重型燃氣輪機剛剛誕生，僅BBC公司進行研發，產品功率小（不超過4MW）、燃氣溫度低（不超過800℃）、熱效率低於20%。二戰期間發展停滯。

早期階段（1950年代—1970年代末期）：二戰結束後美國GE公司、德國西門子公司先後開始研制重型燃氣輪機，走的是原始創新的技術路線。三菱公司從1960年代開始研制重型燃氣輪機，走的是引進技術消化吸收再創新的路線。三家公司在1970年代後期都完成了原型燃機（功率25MW以下）的研制，燃氣溫度達到1000℃，效率約26%。研制原型燃機的主要目的是突破並掌握核心技術、選定燃機主機基本結構特別是轉子結構、建立試驗設備和培養人才。

全球市場第一階段（1980年代—1990年代中期）：E 級技術發展和成熟期。1980年代初推出的E級基本型號單機功率為31—105MW（50Hz,下同）、燃氣溫度達到1100℃、效率約30%；到1990年代中期單機功率增加到37—130MW、燃氣溫度達到1200℃，效率約32%，成為全球重型燃氣輪機市場主流產品。從1978—1995年，全球1MW級以上發電燃氣輪機（註：25MW以下是航改型燃機和小功率燃機，25MW以上是重型燃機為主）共銷售近九千台，總功率為7.3億千瓦，世界燃氣輪機市場開始形成。

全球市場第二階段（1990年代中期—2010年）：F級技術發展和成熟期。1990年代中期推出的基本型號單機功率225—235MW、燃氣溫度為1320—1350℃、效率約34%；到2010年單機功率增加到285—300MW、效率36%—37%，F級燃機取代E級成為全球市場主流產品。在1996—2010年間全球1MW以上發電燃氣輪機共銷售近1.3萬台，總容量突破10億千瓦。2010年燃氣輪機發電接近全球發電總量的20% ，成為全球發電行業不可或缺的重要組成部分。

全球市場第三階段（2010年至今）： H/J 級技術出現並在發展中。目前市場上H/J級燃機單機功率達到400—520MW、燃氣溫度達到1550—1600℃，熱效率達到40%—41%。2015年H/J燃機在北美市場占有率接近一半，全球H/J級時代正在到來。天然氣發電占全球發電總量超過20%而且穩步上升，世界能源組織預測到2030年這一比例將達到25%以上。

三大外國燃機公司技術路線的共性規律和工程應用實例

三大外國公司技術路線的共性規律
盡管GE、西門子和三菱公司的技術路線不相同，各家燃機系列產品的結構和技術特徵也有很大差別，但是在系列產品研發的技術路線上卻遵循著共同的原則：

（1）從研制小功率的原型燃氣輪機（也稱為母型機、技術驗證機）入手，突破並掌握產品設計和制造核心技術，然後採用模化放大或縮小的方法，在較短時期內形成同一溫度等級的不同功率的系列化產品的基本型號。之所以從小功率的原型機起步原因非常簡單：節省研發投資、縮短研發周期、降低公司風險。同一參數等級的50Hz（3000轉/分）和60Hz（3600轉/分）燃機是模化設計理論應用的典型例子。60Hz燃機按比例放大1.2倍就得到50Hz燃機，50Hz燃機按比例縮小0.8倍就得到60Hz燃機，兩者熱效率、主機結構、材料和加工工藝相同，只是功率相差1.44倍。任何一家公司研發成功了50Hz的燃機，就等於有了60Hz燃機，反之亦然。

在模化放大系數為2時，原型機與放大機型功率比為1:4、轉子重量之比則為1:8。從核心技術研發、產品設計、關鍵部件性能試驗驗證、樣機制造、建設試驗電站完成帶負荷發電全過程的總投資大體也是1:4，這意味著直接研制300MW 等級大功率燃機需要多投資數億、十幾億美元甚至更多。事實上，世界燃氣輪機發展歷史上沒有一家成功的企業是直接研制大功率燃機起家的。

（2）某個產品基本型號一旦進入市場，就要持續研發新技術提高其熱效率、增加功率、降低污染和提高可靠性，不斷推出升級版形成系列產品。這個改進升級過程貫穿該型號的整個生命周期，可以長達幾十年。技術升級的原則是漸進式改良，以確保每一個升級版在市場上獲得成功，公司持續盈利，逐步形成有市場競爭力的、完整的系列化產品。

2.模化設計方法工程應用實例
GE公司F級燃機產品系列開發開始於1980年初期，在1970年代成功研發E級技術和產品的基礎上，對壓氣機、燃燒室和透平三大部件進行了升級改進，首先研發的60Hz（3600轉/分）基本型號7FA，首台樣機於1988年完成總裝並開始帶負荷試驗,燃機功率147MW，熱效率34.2%；三年後（1991年）把7FA 燃機放大1.2倍就推出9FA（50Hz）的基本型，燃機功率226MW，熱效率35.6%。根據市場需要1996年把7FA縮小0.69倍就得到6FA的基本型（70MW，效率34.2%）。過去三十年間GE公司不斷推出6FA、7FA和9FA的升級型，組成了GE公司F系列燃機主打產品，僅9FA系列產品就在全世界銷售了1100台，累計運行超過了5000萬點火小時。

西門子F級燃機產品研制也開始於1980年代，原型燃機V64.3A於1989年研發成功投入運行，燃機功率53MW,熱效率34%；兩年後（1991年）把V64.3A模化放大1.5倍發展出V84.3A（60Hz）的基本型，燃機功率128MW，熱效率35.4%；三年後（1992年）把V64.3A燃機模化放大1.8倍發展V94.3A（50Hz）的基本型，燃機功率184MW，熱效率35.4%。

3.產品的持續升級和改進
重型燃氣輪機研發研制投入資金多、周期長，但一旦研發成功後產品的生命周期很長，保持產品競爭力的關鍵是不斷推出該產品的升級版。升級的目標是不斷提高熱效率（主要措施是提高燃氣溫度並相應提高壓氣機壓比）、增加機組出力（主要措施是增大壓氣機進口流量）、降低污染物排放和提高運行可靠性。這就必須不斷研發新技術，並且逐步把經過試驗驗證的新技術用到升級版產品上。這是風險很大的創新過程，稍有不慎就會帶來巨大經濟損失並丟失市場。

GE公司1975—2015三十年中E和F級燃機性能不斷升級，1975年6B燃機基本型功率為31MW、效率30%，三十年間推出8個升級版，功率增加到43MW、效率提高到34%；1975年9E基本型號功率105MW、效率32%，三十年間推出7個升級型號，功率增加到145MW，效率提高到37%；1989年9FA基本型功率為226MW、熱效率35.6%，二十多年間推出5個升級型號，最新版功率達到342MW，熱效率41%。

三菱公司M701F、西門子公司V94.3A也完成了類似的升級過程。這兩家公司經過二十多年持續不斷的改進，把燃機的功率從最初基本型的234—240MW增加到了310—340MW，熱效率由36%提高到40—41%，與GE公司基本相當。

世界重型燃氣輪機發展歷史上的主要教訓
世界重型燃氣輪機發展的歷史中也不乏決策失誤造成不同程度的經濟和市場份額損失，嚴重的則使公司陷入危機。本文僅舉3例：

原Alstom公司GT24/26燃機高壓透平靜葉片冷卻設計事故
原Alstom公司在1990年代與GE、西門子和三菱公司基本同時推出F級燃機GT24（60Hz）和GT26（50Hz）並進入市場,成為當時國際上四家具有F級產品的公司之一。但是2000年前後所有投運機組的高壓透平第一級靜葉上端壁嚴重變形導致高溫燃氣泄漏，迫使機組停機不能正常發電，經分析是設計缺陷。於是所有用戶都向Alstom公司索賠，總金額接近10億歐元，公司陷入嚴重危機，迫使當時法國政府出手相救，公司才勉強度過危機。當時正值我國啟動打捆招標，Alstom公司原本是邀請參與投標外國公司之一，因為這個事故被我國招標機構取消了投標資格，失去了進入我國市場的機會。盡管Alstom公司改進了設計幾年後推出了GT24A和GT26A，但是世界F級燃機市場已經被GE、西門子和三菱公司基本瓜分完畢，從此Alstom公司燃機業務一蹶不振，最終在去年被GE公司收購。

透平葉片蒸汽冷卻技術退出市場
1990年代GE公司提出透平葉片閉式循環蒸汽冷卻新概念，即用蒸汽替代空氣對透平靜動葉片進行冷卻，並且回收重複使用。按照GE公司公布的宣傳材料，在相同燃燒室出口溫度的條件下閉式蒸汽冷卻可以提高透平第一級動葉片進口溫度200F(110℃），這意味著燃氣輪機冷卻技術的革命性創新。在美國政府支持下GE公司進行了長達十年的應用基礎研究以及核心技術研發和試驗驗證，2003年率先推出了採用閉式循環蒸汽冷卻透平靜葉和動葉片的H級燃機產品，並且在英國建立了首個示範電站。但是運行實踐證明，由於閉式蒸汽冷卻系統結構過於複雜、蒸汽系統啟動慢影響燃機調峰性能等原因，十年後的2013年GE公司最終宣布放棄閉式蒸汽冷卻。與此同時，另外兩家競爭對手並沒有盲目跟進，西門子公司在其H級燃機中堅持採用開式空氣冷卻系統，並於2007年率先推出了世界首台H級重型燃氣輪機STG5-8000H（50Hz）；三菱公司只在G級（1500℃）燃機的燃燒室過渡段嘗試過閉式蒸汽冷卻技術，經過約十年的研發和工程實踐最終宣布放棄了；而三菱公司在J級燃機中仍然採用開式空氣冷卻系統，並且在2011年推出了M501J（60Hz），其燃氣溫度高達1600℃，為世界之最。雖然GE公司憑借其雄厚實力近年推出了空氣冷卻技術的9HA.01(429MW)和9HA.02（519MW）系列產品，但長期蒸汽冷卻技術研發和產品研制浪費了大量的人力物力財力特別是多年的寶貴時光，被競爭對手“彎道超車”，教訓是深刻的。

西門子公司三代燃機三代不同燃燒室
西門子公司燃氣輪機的燃燒室繼承了歐洲傳統，最早是一個置於主機上方的大尺寸單筒結構，後來在E級燃機（V84.2和V94.2）中發展為對稱布置在主機兩側的兩個燃燒室。當燃氣溫度升高到F級時發現無法解決兩個燃燒室導致透平全周溫度的不均勻，於是研發了環形燃燒室並獲得成功（V64.3A、V84.3A和V94.3A）。當溫度升高到H級時，發現環形燃燒室無法解決燃燒穩定性（熱聲振蕩）問題，又研發了多管型燃燒室，形成了目前E、F、H三代燃機三代結構完全不同的燃燒室的局面。這個問題是原型燃機燃燒室的技術升級空間不足造成的，在當時條件下預測燃燒室的技術升級空間是極其困難的。但是這一教訓提醒我們，在選擇原型燃機燃燒室（包括其他主要部件）結構時，必須充分考慮其繼續升級的技術可行性。

啟示
按照黨中央國務院的部署，兩機專項經過多年論證從今年開始進入實施階段。燃機專項的戰略目標是建立我國燃氣輪機自主創新的技術體系和有市場競爭力的產業體系，從根本上改變我國燃氣輪機行業大大落後於世界先進水平的被動局面，實現我國燃氣輪機行業六十年來一直追求的夢想。

燃氣輪機專項的奮鬥目標已經明確，即2020年實現F級300MW燃機自主研制、2030年實現H級400MW燃機自主研制，為實現這一奮鬥目標我國燃氣輪機制造企業和科技界已經行動起來，但是技術路線各不相同。我國是燃氣輪機行業的後來者，我們希望用較短的時間、較少的代價走完前人花了半個多世紀才走完的歷程，因此學習前人成功的經驗、避免重犯前人的錯誤非常重要。燃氣輪機技術進步有科學客觀的規律，按照科學規律進行自主創新，可事半功倍；違反科學規律辦事，或事倍功半、或一事無成。

科技日報