走近大国重器丨“工业皇冠”镶明珠
探访我国首台自主研发F级15兆瓦重型燃气轮机
中央纪委国家监委网站 陈瑶
工作人员对G15进行最后一道总装工序——盖缸。 杨玺 摄
工作人员对G15进行转子叶片安装。 袁小东 摄
正在叠装的G15转子。林洋 摄
G15在试验台上运作试验。 于喜宝 摄
重型燃气轮机是以天然气、氢气、燃油等可燃气体或液体作为燃料，将热能转化为机械能，最终转化为电能的一种发电装备，也是能源领域的关键核心装备。因涉及的学科多，技术密集度高，设计制造难度极大，重型燃气轮机被誉为装备制造业“皇冠上的明珠”。记者日前从东方电气集团东方汽轮机有限公司（以下简称“东方汽轮机”）了解到，我国首台自主研发F级15兆瓦重型燃气轮机（以下简称“G15”）在完成首次点火试验后，现已进入带负荷试验阶段。
该机组是东方汽轮机继自主研制F级50兆瓦重型燃气轮机发电机组（以下简称“G50”）后的又一款自主重型燃机产品，功率可达16.5兆瓦，相较于同功率的火力发电机组一年可减少碳排放超过15万吨，联合循环一小时发电量超过2.2万千瓦时，可满足2500个家庭1天的用电需求。
G15采用了哪些新技术、新材料、新工艺，取得了哪些创新突破？记者近日采访了相关研发人员。
经多次迭代优化后模化设计而来
“缩小版”结构更复杂、制造难度更大
2023年3月8日上午，首台G50正式投入商业运行。它的诞生结束了国外长时间的重型燃机技术垄断，实现了国产化从“0”到“1”的突破。时隔一年多，G15在四川德阳首次点火成功。
重型燃气轮机由压气机、燃烧器和高温透平等核心部件构成，机组的研发是一项复杂的系统工程。从启动项目研发到完成概念设计，从核心部件研制成功再到正式转入商业运行，G50的研发周期近15年，而G15仅用了不到5年。
“G15的研发可谓是‘站在巨人的肩膀上’。”东方汽轮机全国重点实验室重型燃机装备研究所副主任李鑫介绍，G15是在G50的基础上，经多次迭代优化后模化设计而来，从外形上看就像是G50的缩小版。
据了解，“缩小”后的G15仅5.7米长、2.3米宽、2.7米高，整体结构更加集成化，使其在分布式能源市场上具有明显优势，不仅可用于热电联产、分布式能源、海上平台发电，还可以和光伏、储能等绿色低碳技术耦合，构建可应用于医院、学校、小区、工业园区等不同综合能源运用场景。
然而，小型化并不是等比例缩减这么简单。
作为先进发电设备和驱动设备，重型燃气轮机的研制涉及机械、冶金、材料、化工、能源、电子、信息等诸多领域，涵盖气动力学、工程热力学、燃烧学、材料学、制造工艺等基础学科和工程技术的交叉融合。“机组小型化使得整体结构更加集成化，结构更复杂，导致其制造难度更大。”李鑫向记者介绍，比如在维度上，机体内部间隙和各方面安装尺寸控制精度更高；机体部件进行橇装设计时，要兼顾设备的通风散热和降噪；小型化机组运行灵活度高，这就要求机组能够快速启动；应用于工业园区、商业综合体等，对机组污染物排放和运行噪声的控制标准也更高。此外，小型化对制造工艺也提出更高要求。
燃烧器的主要功能是将燃料（如天然气或氢气）与压缩空气混合后在其内部进行点火和燃烧，产生高温燃气，这些高温燃气随后驱动透平叶片旋转做功。“燃烧器内部工作温度超1200摄氏度，内部设计有复杂的气体流道和冷却结构。”李鑫进一步解释道，针对异形件及部分间隙狭窄、结构复杂的部件，研发团队抛弃传统焊接工艺，采用了3D打印技术，解决易变形、难加工的问题。
突破6大核心关键技术
一次次“试”出最优参数结构确保安全可靠
过去很长一段时间，我国重型燃气轮机处于依赖进口、合资、以市场换技术的局面。在李鑫看来，这意味着失去主动权、受人牵制，“花钱引进的技术也只有燃气轮机冷端部件的制造图纸，类似燃烧器、高温透平等核心部件只能依赖进口。”
为了打破垄断，东方汽轮机从2009年开启自主设计制造重型燃机之路，一步步探索、一点点总结，从仅仅掌握燃机冷端部件制造技术，到突破设计技术、试验技术、高温部件制造技术、涂层制备技术、燃机控制技术、工程集成技术……2023年，随着G50的诞生，该公司全面形成了自主重型燃机技术核心竞争力。
“卡脖子”技术难题的解决，是提高G15等自主化系列产品研发效率的关键。为确保产品的安全可靠，调优适配参数、逐级开展试验验证是必不可少的环节。
以燃烧器为例，G15共有6个燃烧器，为使燃烧器的设计满足高效率、低排放和长期稳定的运行要求，研发团队针对燃烧器开展了充分的冷态流动试验和全温全压燃烧试验。
在冷态流动试验方面，首先进行的是空气流动分配测试，这是为确保压缩空气进入燃烧器后，能够按照设计要求分布到既定位置。“燃烧器由金属材料制成，运行期间温度将升至1200摄氏度左右。倘若空气分配不均，将直接影响冷却效果，导致燃烧器局部温度超过材料承受极限。”李鑫说。
随后进行的点火测试、升负荷测试、燃烧调整测试都是热态试验的关键，是为测试燃烧器的运行性能。
记者采访了解到，燃烧器在运行期间可能会进入燃烧振荡的状态，一旦振动幅度和时间超过机组承受阈值，将给燃烧器带来不可逆转的损害，导致燃机无法正常工作。开展燃烧调整测试的目的就是检验燃烧器的安全运行边界。
“倘若试验数据不理想，就需要调整燃烧器的内部结构并重新开展试验任务。”李鑫对于研发过程中的这种循环早已习以为常，“碰到试验一直不成功的时候也会感到沮丧，但咬咬牙还是坚持下来，因为这关乎我国重型燃气轮机研发。”
据介绍，在G50到G15系列自主燃机燃烧器的研制过程中，东方汽轮机攻克了高温合金材料加工技术、薄壁件精密加工控形技术等6大核心关键技术，彻底解决了燃烧器制造“卡脖子”难题。同时，凭借相关成功经验，逐步建立起了研发、设计、制造、试验、工程应用的完整体系。
投用9条燃机智能制造产线
严格把控零部件精密高效装配
燃机高温透平叶片是重型燃气轮机的重要部件，需要长期在高温、高转速、高气动负荷环境下稳定运行，因此其质量、设计和材料选择直接影响到重型燃气轮机的效率、可靠性和寿命。
“别看一个叶片仅巴掌大，它内部还设计了复杂的冷却流道结构，成型精度要求高，是铸造的难点所在。”李鑫告诉记者，针对未来应用场景的工作环境特点，G15高温透平叶片在制造上首次采用全自主研制的定向结晶铸造成型技术。该技术几乎能够“一次定型”，使铸造出的叶片只需局部加工即可直接使用。同时，在合金液凝固过程中通过控制温度梯度，显著提高了叶片的高温力学性能，保证了安全可靠性。
为提升高温透平叶片等零部件的耐热性、抗氧化性、抗腐蚀性，G15零部件表面喷涂工艺较G50有了更进一步的优化，采用了超音速火焰喷涂，通过2000摄氏度以上的高温焰流，将粉末粒子加热到熔融或半熔融状态，以500—800米每秒的高速喷射至叶片等基材表面，从而形成组织均匀致密的防护涂层。
G15的制造是在东方汽轮机的燃机智慧制造基地中完成的。这是该公司将5G、人工智能、大数据等数字技术与精密铸造、超音速火焰喷涂、3D打印、工业机器人等先进制造技术深度融合，建成的国内首个燃机智慧制造基地。
该基地设有高温透平叶片精铸数字化产线、高温透平叶片喷涂数字化产线、叶片加工黑灯产线、燃烧器数字化产线等9条燃机智能制造产线。
叶片加工黑灯产线负责对燃机压气机叶片进行精密加工，集成19台五轴加工中心、8台高精度双驱五轴数控加工中心以及4台六轴机器人，打造自动化加工产线群。该产线群是一个全数字化、自动化的生产单元，能够在无人干预的情况下，精准完成叶片的加工，实现刀具几何参数机床内测量并自动更新至机床刀具参数表，在线测量工件并自动补偿再加工至产品合格的整套自动化生产流程，实现人均效率提升650%，质量合格率达99%。
燃烧器数字化产线包含3D打印、激光自动焊、摇篮五轴铣等高端设备，将G50、G15研制过程中攻克的高温合金材料加工、薄壁件精密加工控形等关键技术融入数字化生产。该产线可实现掺氢复杂结构喷嘴3D打印、薄壁件微变形焊接、高温合金异形件精密加工、燃烧器全维度尺寸检测等功能，具备每年为15台自主燃机配套生产燃烧器的能力。
燃机智慧制造基地以5G全连接数字化工厂为基础，对数据价值进行深度挖掘，构建数据分析模型，可实现燃气轮机关键零部件高效生产，企业自主燃气轮机产能提升400%。据介绍，当前东方汽轮机正同步开展80兆瓦、掺氢、纯氢等自主燃机的研制，加快形成燃机谱系，以满足多样化的应用需求，助力我国能源结构的优化和调整，进一步保障国家能源安全。
中国企业新闻网摘编：亓淦玉 |
