国家能源工业燃气轮机研发（实验）中心 依托单位：中船重工集团703所
文/本刊记者 赵沛楠
燃气轮机，作为能源装备制造领域“皇冠上的明珠”，是否掌握其关键技术将直接关系到各国高端装备制造业的成败。美国GE公司就曾表示，你要买下整个GE才能买到GE先进型燃气轮机热端部件技术。
而随着近年来分布式供能、海上钻井平台、天然气输送及发电等项目的急速扩张，我国对微型、中小型和重型燃气轮机需求也在不断增大，进口数量日益增加。
针对这一局面，国家发改委、国家能源局曾先后主持3次打捆招标及后续招标，希望通过打包谈判换得一些燃气轮机设计制造技术。由此，我国重型燃气轮机的开发进入打捆招标、消化吸收再创新的阶段。而这“市场换技术”的代价，是350亿元。
然而在清华大学教授、中国工程院院士倪维斗看来，最核心的关键技术是换不来的。在接受采访时，倪维斗告诉记者，经过几年的引进，上汽、东汽、哈汽都建立了先进的车间，购买了特殊的设备来做燃气轮机，但是真正能做的还是以冷部件为主，核心的热部件仍然被国外垄断。
为了破解这一难题，国家能源局特别在中船重工集团703所设立国家能源工业燃气轮机研发（实验）中心（下文简称研发中心）。在中船重工集团公司副总经理吴强看来，建立燃气轮机的试验研究、设计开发和系统集成工艺技术研究体系，研究、设计和制造具有自主知识产权、适合不同工业应用领域的燃气轮机正是研发中心为之努力的方向。
引进缺少核心环节
“在今后20-30年内的电源结构中，燃气轮机发电会占有比较重要的地位，它也是显示一个国家发电技术水平的重要标志之一”，采访中，吴强告诉记者，燃气轮机发电已经占全球发电的20%，发达国家准备在2020年左右推出燃烧氢能的燃气轮机，其进气温度将从目前的1400度达到1700度，联合循环的效率也将达到65%，“堪称是发电设备中效率最高的”。
美国年耗天然气6380亿立方米，占能源消耗总量的24%，其中829亿立方米用于发电。日本天然气年耗量780亿立方米，其中512亿立方米用于发电。我国是世界上能源消耗仅次于美国的第二大国，但天然气年耗量仅占能源消耗总量的4%-6%。在吴强看来，我国的天然气供应是充足的，中长期内应能保证我国燃气轮机的发展需求。
在倪维斗看来，这种高性能燃气轮机，将是21世纪占主导地位的动力装置，它对煤炭的清洁高效利用以及碳减排有决定性作用。而作为动力源，它对海洋船舰动力、航空动力及小型分布式能源系统等也意义重大。
在我国，燃气轮机产业始自上世纪50年代末60年代初，经历了初期的自主研发，70年代的小高潮，80年代后的休眠期，进入21世纪后随着天然气资源的供应改善又恢复发展，并成为我国能源结构调整的重要组成部分。
事实上，由于其核心技术被国外少数公司垄断，国内企业并不具备大功率燃气—蒸汽联合循环发电厂的设计能力，也并未完全掌握燃气轮机产品的设计和制造技术。因此，从2001年开始，我国组织了3次共50台机组、共计约1800万千瓦市场换技术的燃气轮机“打捆招标”，引进F级、E级燃气轮机及联合循环技术。
“整个产业引进的只是部分制造技术，而且缺少两样核心：一是设计，外方不转让任何设计技术；二是材料及核心部件，主要是热锻部件的制造技术，由于与航空关系密切，我们不可能从国外引进任何相关技术”。吴强如是说。
“如果不走出自主创新的路子，这个产业永远只能跟在GE、西门子、三菱后面打工”，吴强指出，研发包括设计技术在内的燃气轮机核心技术，要具备自主的试验能力、全参数试验台、高温部件制造能力等，“这不是一两亿元的问题，必须要做好10年、15年研究的准备”。
科研攻关是关键
在吴强看来，当前，从设计到制造，我国尚有大量的关键技术等待自主研发。为此，将863重型燃气轮机研制项目进行到底是关键。
“研发中心把研制机组的指标主要定位在总体性能上，即主要争取燃气轮机联合循环整体效率和环保指标的突破，而不必盲目追求高压比、高温度和高效率。在那些部套或单项的指标上，可以组织开展一些难度小、投资少、但效果好的研究课题。例如，能源梯级综合利用技术、联合循环蒸汽系统优化研究等”。吴强告诉记者，航空涡轮发动机延伸发展而来的大型环形燃烧室虽然技术上有其先进性，但地面用重型燃气轮机仍大量采用环管燃烧室。环管燃烧室采用单管燃烧室试验研究，对风洞容量要求不大，美国GE、日本三菱至今沿用环管燃烧室，在低排放预混燃烧等方面达到很高水平，又大大减少了经费投入。
以往为提高燃气轮机效率一般是先提高涡轮进口温度，这就要在材料、涂层和空气冷却等方面花费巨大代价。涡轮进口温度达1300℃-1500℃，一般要求单晶材料。但先进国家生产单晶材料也有很大难度，废品率高，制造成本高昂，尚不能大批量生产。
“我们能否更多研究高温部件的蒸汽冷却，以此来提高进口温度，从而提高燃气轮机效率，技术上虽也很复杂，但比较单晶材料的研究难度小，投资低。我国数十年前就开展过蒸汽冷却叶片的研究，起步较早。近几年对这一技术国际上已有突破，美国GE在H级燃机上已开始采用蒸汽闭式循环冷却，使金属表面温度下降350℃以上，且大大减少空气漏泄损失，更有利于透平和联合循环效率的提高。”在吴强看来，还有许多急需研究的课题同样关系到我国燃气轮机技术的整体水平，包括：高温部件修补和喷涂技术，透平和压气机更换，备件的制造技术，对引进机组关键技术的分析研究和制造工艺分析，燃气轮机发电设备维修大纲和规程，燃气轮机运行规程，燃气轮机电站安全性、可靠性评价，燃气轮机电站信息管理等。
吴强告诉记者，在燃气轮机领域，哈尔滨地区有明显优势，哈电集团与GE公司合作生产重型（9F）系列燃机，703所主要进行中小型燃气轮机的研发，哈航集团进行小型和微型燃机的研制，3家强强合作，优势互补，开展燃气轮机产业系列化开发必将极大地提升哈尔滨地区工业整体综合实力，也将使哈尔滨在掌握燃气轮机核心技术方面占有先机。