加快發展保障能源安全的載體裝備

季孝堂

[摘要]燃氣輪機在艦船動力、戰車動力、電力工業、油氣工業及化工冶金行業等領域應用廣泛，是影響國家國防和能源安全的重大戰略裝備，必須自主研發。借鑒國外成功的發展途徑，本文提出了我國自主系列化發展航改燃氣輪機的技術路線，介紹了研發10余個具有自主知識產權的艦船和工業用微、輕、重型燃氣輪機型號。提出了自主知識產權燃氣輪機研發、示范、應用存在的問題和政策建議。

[關鍵詞]自主知識產權燃氣輪機發展

[中圖分類號] F206[文獻標識碼）A[文章編號]1004-6623（2017）05-0029-05

燃氣輪機是繼蒸汽輪機和內燃機之后的新一代動力裝置，具有功重比大、體積小、機動性好、污染小、便于維護保障等諸多突；“優點，自20世紀40年代問世以來，獲得了飛速發展。燃氣輪機具有典型的軍民兩用特點，對保護國家國防安全與能源安全、改善能源結構和環境可持續發展有著重要的戰略意義。

一、燃氣輪機是保障國防安全和

能源安全的戰略性裝備

（一）燃氣輪機的特點和分類

燃氣輪機是在高溫、高壓、高轉速惡劣環境條件下長期反復使用的氣動熱力機械，其涉及諸多的學科專業和丁程領域，成為一門逼近極限的綜合性應用學科，技術極其復雜，研制難度極大，同航空發動機一同被喻為機械丁業皇冠上的明珠。

燃氣輪機按發展背景、結構形式和功重比可分為三類：重型燃氣輪機、輕型燃氣輪機和微型燃氣輪機。重型燃氣輪機為單軸結構，其功率大、體積大，結構厚重，一般功率在50兆瓦以上，主要用于發電；輕型燃氣輪機一般為分軸結構，功率一般在1兆瓦以上，60兆瓦以下，在軍、民用各領域應用廣泛；微型燃氣輪機功率一般l兆瓦以下，主要用于戰車動力和分布式能源。

（二）燃氣輪機是實現國防現代化的重要保證

經過70多年的發展，輕型和微型燃氣輪機在艦船動力、戰車動力等領域得到了廣泛的應用。因燃氣輪機具有功率大、重量輕、體積小、隱身性好等優點，在大、中型水面艦艇和高性能艦船動力中已處于主導地位，是海軍現代化的重要標志，目前世界發達國家海軍78%以上艦船以燃氣輪機為動力。近年來，燃氣輪機在民用船舶上的應用也逐漸增多。燃氣輪機具有低溫起動性能好、扭矩儲備系數高、功率密度高等優點，作為坦克動力得到大量應用。目前美、俄有近30000輛坦克采用燃氣輪機作為動力，如美國的Ml主戰坦克、蘇聯的T80主戰坦克。

為提高地面戰車的精確打擊能力，戰車裝備有各種先進的火控系統和通信系統等，這些先進的設備需要輔機電源提供高品質電能，燃氣輪機成為大多數輔機電源首選動力裝備。

我國艦用燃氣輪機和國外相比差距明顯，主要體現在譜系不全，使用數量少，使用成熟度低，應用程度不僅落后于世界海軍強國，與日、印、韓等周邊國家也存在差距。燃氣輪機在我國戰車主動力上的應用基本是空白。作為軍用燃氣輪機，西方國家對我國嚴禁出口，燃氣輪機已成為制約我國海陸軍裝備發展的瓶頸之一。

（三）燃氣輪機是實現能源現代化的重要保證

在電力工業，由于燃氣輪機具有適用多種燃料、污染小、電站建設周期短、啟動快、運行靈活、占地面積小等諸多優點，使其用于發電的數量逐年增加。燃氣輪機可用于常規發電、調峰電站和移動發電等，燃氣輪機電站占美歐新建電站80%以上。燃氣輪機分布式供能系統，通過冷熱電聯供等方式實現能源的梯級利用，綜合能源利用效率在70%～90%以上。我國發電用燃氣輪機幾乎全部進口。

燃氣輪機作為機械驅動的動力，一直廣泛應用于石油丁業中的石油、天然氣的開采和輸送中。我國作為能源大動脈的“西氣東輸”等管線也采用了大量燃氣輪機，但所用燃氣輪機幾乎全部依賴進口，主要為GE公司的PGT25+（LM2500+）、RR公司工業RB211以及Solar的Titan130機組等。作為海上采油平臺核心動力的燃氣輪機，也全部依賴從西方國家進口。

雖然發電等民用燃氣輪機可以高價買到國外產品，但是由于美、德、日等國的壟斷，我國還需對燃氣輪機的檢修維護服務付出天價的費用。如上海漕涇天然氣發電廠引進了2臺美國GE公司生產的300MW燃氣輪機發電機組，電廠建成后，僅2009年至2011年間，漕涇電廠即為機組檢修維護花費了3.83億元，已超過其總投資的13%。這不僅是一筆高昂的開支，還有受到他人制約的可能。

燃氣輪機是關系到國家能源、環保及節能減排等國計民生領域的核心動力機械，是有著巨大發展前景的先進制造業和高技術產業。目前，國家正在推進能源大轉型，將具有清潔性、穩定性、靈活性特點的天然氣作為主體能源之一，而實現這一轉型的主要載體裝備就是燃氣輪機。作為影響能源安全的戰略性裝備燃氣輪機產品基本依賴他人，給我國經濟和社會發展帶來巨大隱患。

二、國內外燃氣輪機發展現狀

（一）國外燃氣輪機發展現狀

目前，世界上只有美、英、俄、德、法、日等少數國家具備獨立研制燃氣輪機的能力，燃氣輪機設計和制造技術形成了高度壟斷格局。僅有GE、西門子、ALSTOM、三菱等五六家企業掌握了重型燃氣輪機設計和制造技術，輕型燃氣輪機則以GE、PW、RR三家著名航空發動機企業為主導。俄羅斯等國憑借其雄厚的國防工業基礎，在輕、重型燃氣輪機領域也占有一席之地。美、英等發達國家均研制了不同功率檔次的軍、民用燃氣輪機產品，形成了系列化、譜系化發展的局面。縱觀西方國家幾十年來燃氣輪機發展走過的道路，可以說，是航空發動機技術促進了輕、重型燃氣輪機的飛速發展。

總結國外燃氣輪機發展主要有以下幾個特點：

1.輕型艦用燃氣輪機主要走航空發動機改型發展的道路

艦船燃氣輪機走航空改型發展的道路是一種最快捷、最經濟、最可靠的發展途徑。以燃氣輪機為動力的艦船中有95%是航改燃氣輪機。如GE公司的LM2500燃氣輪機、RR公司的WR-21間冷回熱燃氣輪機、MT30燃氣輪機等，均是由航空發動機派生發展而來。endprint

艦船燃氣輪機采用航空發動機改型絕非偶然，而是由其內在的經濟、技術規律決定的。由于燃氣輪機和航空發動機大部分的部件、系統、材料、工藝以及設計、制造、服務等體系可共享，所以航改燃氣輪機具有基礎好、風險低、周期短和技術升級快等優勢。

2.在同一航空發動機基礎上派生發展出不同類型和不同功率檔次的燃氣輪機

美國GE公司在用于B-747/767和A310/330飛機的CF6-80C2發動機基礎上，分別派生發展了LM6000輕型燃氣輪機、LMS1OO間冷循環燃氣輪機以及MS900IG（H）重型燃氣輪機，充分體現出航改燃氣輪機的“一機為本、滿足多用、縮短周期、降低成本、衍生多型、形成譜系”的特點，不僅賦予發動機頑強的生命力，達成更新換代的良性發展態勢，保證了燃氣輪機的可靠性、先進性，而且極大地縮短了研制周期，成功地降低了設計、研制、試驗以及制造成本。

3.燃氣輪機持續升級改進，系列化發展

由于研制和生產燃氣輪機的難度大，通常在一型成功的燃氣輪機基礎上不斷升級改進，提高性能，其中以LM2500系列最為典型。LM2500燃氣輪機功率25.1MW，熱效率37.5%，在此基礎上逐步發展出LM25000+和LM2500+G4燃氣輪機。LM25000+功率為30.2MW，熱效率為38.9%；LM2500+G4功率為35.3MW，熱效率為39.1%，燃氣輪機的功率和熱效率不斷提高。

4.政府和企業制定的多層次技術研究計劃促進了燃氣輪機技術快速進步

美歐為保持其燃氣輪機技術及市場始終處于領先地位，由政府和企業投入巨資制定了一系列長期多層次的研究計劃，如美國的提高燃氣輪機性能、可靠性、降低排放的先進燃氣輪機系統計劃（ATS）和Mercury50燃氣輪機燃燒系統先進材料計劃；歐盟的提高燃氣輪機性能、可靠性和降低排放的歐盟先進燃氣輪機系統計劃（EC-ATS）、先進燃氣輪機合作計劃（CAGT）、降低排放的清潔高效燃氣輪機計劃（CAME-GT）等計劃；日本的提高艦用燃氣輪機性能、可靠性和降低排放超級艦船燃氣輪機計劃（SMGT）。這些汁劃的實施極大推動了燃氣輪機先進技術的研究和應用，為保持其在世界的領先地位起了決定性作用。

（二）我國燃氣輪機發展現狀

我國燃氣輪機產業發展開始于上世紀50年代末。產業分散在航空、航天、機械、艦船等多個丁業系統。由于多種原因，我國燃氣輪機產業發展緩慢，其技術與國外差距很大。目前，國內燃氣輪機市場基本被國外燃氣輪機產品壟斷。重型燃氣輪機主要為GE、西門子和三菱等公司的產品；中小型丁業燃氣輪機主要為GE、RR、索拉渦輪公司產品；艦用燃氣輪機通過引進生產許可和自主研制，取得一定進展但仍與國外差距明顯；國內工業用微型燃氣輪機市場上國產機組近乎空白。

近年來，隨著國家經濟、科技和工業水平的提高，尤其“昆侖”和“太行”航空發動機的設計定型，我國自主發展燃氣輪機的條件已基本具備。2016年全面啟動的國家“航空發動機和燃氣輪機”重大專項，更為燃氣輪機的自主發展帶來了重大機遇。

三、自主知識產權燃氣輪機實現途徑

中國航發沈陽發動機研究所（中國航發動力所），始建于1961年8月，是新中國第一個航空發動機研究所，主要從事大中型航空渦噴、渦扇發動機和燃氣輪機的研發。先后改進改型、自主研制了渦噴7甲（乙）、渦扇5、渦扇6、“昆侖”、“太行”航空發動機和十余個型號的微、輕、重型燃氣輪機。研究所技術實力雄厚，現有職工3100余人，技術人員1900余人，有總體、壓氣機、燃燒室、渦輪、強度、機械、控制等20余個專業設計/試驗/裝配研究室，7個技術支持中心和1個試制工廠。具備了發動機各專業領域的科研隊伍和一整套具有完全自主知識產權的發動機研發體系。擁有比較先進完備的整機試車臺和相關部件、系統試驗器。

沈陽發動機研究所以“昆侖”和“太行”航空發動機為基礎，按照國際發展燃氣輪機的成功道路，確定了自主系列化發展燃氣輪機的技術路線。

1.在“昆侖”發動機基礎上派生發展中檔功率QD128燃氣輪機，并開展低排放技術研究。

2.在“太行”發動機基礎上派生發展了不同功率和用途的系列燃氣輪機。派生發展出小檔功率QD70燃氣輪機；在QD70燃氣輪機基礎上派生發展了QD70A/B/C民用燃氣輪機和小檔功率艦用燃氣輪機；在QD70系列燃氣輪機基礎上發展功率增大型QD70+燃氣輪機以及通過新研低壓系統發展中檔功率QD185燃氣輪機；在QD185燃氣輪機基礎上加間冷系統發展大檔功率間冷循環QD400燃氣輪機。

3.利用航空發動機技術發展了RO11O重型燃氣輪機，在此基礎上發展了燃用中低熱值燃料的RO11OA；通過QD70+燃氣輪機壓氣機相似放大并結合RO11O燃燒室和透平改進，可以發展F級重型燃氣輪機。

4.利用航空發動機技術發展了微型燃氣輪機QD11，在此基礎上可采用回熱技術進一步提高性能，用作坦克動力。

四、自主知識產權燃氣輪機產品發展情況

沈陽發動機研究所依托航空技術優勢，按照“生產一代、研制一代、預研一代、探索一代”的可持續發展模式，通過多年努力，形成了“航燃并舉、輕重兼顧、系列發展”的良好局面，建立了燃氣輪機自主發展的態勢，實現了與航空發動機共同發展的格局。初步形成了功率范圍涵蓋1兆～110兆瓦的微、輕、重型燃氣輪機發展譜系，以服務艦船和工業領域。

1.QD128燃氣輪機。在“昆侖”發動機基礎上派生發展的我國首臺具有完全自主知識產權的功率12MW級輕型燃氣輪機，設計總壽命10萬小時，使我國完全自主知識產權燃氣輪機實現了從無到有這一歷史性的跨越。突破的關鍵技術有：初步建成了航改燃氣輪機總體設計技術體系；突破了中檔功率航改燃氣輪機燃氣發生器改進設計技術。燃氣發生器成本較航機降低了20%以上：長壽命、高可靠動力渦輪自主設計技術取得重大突破；自主研發了控制、起動、燃料、清洗、測試等燃氣輪機的輔機系統。控制系統主要技術指標達到了國外主流產品水平。endprint

2.QD70A/B/C燃氣輪機。以“太行”發動機核心機為基礎，自主研制的7MW級民用燃氣輪機，突破的關鍵技術有：在原航空發動機基礎上，采用一體化設計技術完成了地面燃氣輪機的整機尋優匹配和部件優化設計，同時兼顧了高性能和長壽命；自主研發了刷式封嚴技術，提高了燃氣輪機的封嚴效果，改善了整機性能；新研了電起動和液壓兩種起動裝置，可滿足不同用戶使用需求；突破了航改燃氣輪機雙燃料燃燒室設計、氣/液雙燃料切換和混燒技術；突破了雙軸燃氣輪機用于應急電源改進設計和整機調試技術。

3.小檔功率艦用燃氣輪機。在QD70燃氣輪機基礎上派生發展的我國第一型具有完全自主知識產權的小檔功率燃氣輪機。該型燃氣輪機研制歷時十年，成功攻克了40多項科研生產關鍵技術，完成5000余小時整機試驗。

4.QD185燃氣輪機。在QD70A燃氣輪機基礎上自主研制的18MW級輕型燃氣輪機，可用于船舶動力、丁業發電、分布式能源、海上采油平臺，管線增壓等領域。性能達到同檔功率燃氣輪機的國際先進水平。突破的關鍵技術有：突破了在第三代渦扇發動機基礎上派生發展高性能中檔功率燃氣輪機的總體設計技術，實現系列化發展；新研5級大裕度低壓壓氣機，設計點絕熱效率達到0.903，達到國際先進水平；將航空發動機的雙級低壓渦輪改進設計為高性能單級低壓渦輪；新研的3級動力渦輪，效率0.935，達到國際先進水平。

5.R011O燃氣輪機。是國家科技部“863”計劃“十五”重大專項發展項目，是我國第一臺自主研發、擁有自主知識產權的E級重型燃氣輪機，主要用于單獨或聯合循環的基本負荷供電或尖峰負荷調峰使用，已通過了科技部組織的項目驗收。突破的關鍵技術有：國內首次突破了E級重型燃氣輪機整機自主設計、制造、試驗、應用的關鍵技術；完成了大流量、增壓比為15的15級軸流式壓氣機的研制；完成了國內首型干式低排放燃燒室的自主設計、制造、全溫全壓試驗，排放指標：NOx為22.3ppm，CO為lppm；完成雙層壁結構的4級軸流式透平的設計研制；完成重型燃氣輪機的大型壓氣機盤和透平盤加工制造。

6.QD11燃氣輪機。是國家“十一五”863計劃先進能源技術領域重點項目，主要用于分布式冷熱電聯供系統，兼顧移動電站。已完成設計、制造和臺架試驗，通過了科技部組織的項目驗收。該項目突破了高緊湊度、高效率微小型燃氣輪機總體設計技術，高效、低噪、寬裕度組合式壓氣機及基于貧預混的超低污染逆流式燃燒室的設計研制關鍵技術。

7.QD70+燃氣輪機。在QD70系列燃氣輪機9級壓氣機基礎上通過加級發展而成，性能達到同檔功率國際先進水平，目前已完成壓氣機的研制和試驗驗證。性能達到國內領先、國際先進水平。

8.QD400燃氣輪機。是以QD185燃氣輪機為基礎改進發展的大功率間冷循環燃氣輪機，充分繼承了航機高可靠的核心機部件，新研制了部分低壓部件和間冷系統，可用于工業發電、管輸動力、船舶動力等領域。QD400燃氣輪機突破了間冷循環燃氣輪機總體、關鍵部件、間冷系統、多變量控制等關鍵技術。實現了我國自主研制的燃氣輪機從簡單循環到先進循環的跨越。

五、發展自主知識產權燃氣輪機存在的問題及建議

1.軍用燃氣輪機方面，自主知識產權的艦用燃氣輪機只有一型小檔功率燃氣輪機裝船應用不久，可靠性還沒有得到充分考核；其他燃氣輪機正在研制中，且目前存在型譜不完整問題。西方國家可以與其盟國構成完整的譜系，而中國只有靠自己建立軍用所需的完整燃氣輪機譜系。建議國家持續支持自主知識產權軍用燃氣輪機研發，完善譜系，加大使用和考核力度，加速成熟。

2.民用燃氣輪機方面，自主研發的燃氣輪機存在考核力度不夠，業績不足，市場應用不夠的問題。如QD70系列、QD185、RO11O和RO11OA燃氣輪機由于缺少考核示范點，大大延遲了其進入市場的時間。建議積極推進燃氣輪機示范電站建設，加強考核運行，提高自主研發燃機的成熟度；制訂優先使用自主知識產權燃氣輪機的產業政策，使國產燃氣輪機盡快成長為支撐國家能源大轉型戰略的主力裝備，并形成支撐經濟發展的高技術產業。

3.目前電氣價格倒掛，嚴重影響了燃氣輪機發電企業積極性，影響了能源大轉型的進程。我國天然氣價格是歐美的2-4倍，建議政府加大改革力度或適當給予補貼，解決電氣價格倒掛問題，提高清潔發電企業的積極性。

4.加大能源互聯網力度，加快推進燃氣輪機發電與可再生能源互補，提高清潔能源利用率；加大分布式能源的推廣力度，更好地實現節能減排的目標。

5.我國目前已基本具備研制先進燃氣輪機的條件，需要加大支持力度，持之以恒，保證燃氣輪機技術持續發展提高，趕上并實現與先進國家齊肩并跑或領跑。如國外低排放燃燒室已從DLN1.0發展到DLN2.0，燃氣輪機的性能、可靠性和壽命也在不斷提高。建議成立發展基金，推動自主燃氣輪機技術不斷升級改進。endprint