我国首台300兆瓦级F级重型燃气轮机在上海临港总装下线，标志着重大技术突破
中央纪委国家监委网站 王珍300兆瓦级F级重型燃气轮机总装下线。
总装团队成员在车间进行图纸校核。
工作人员正在检查设备状态。
基地现场人员正在对设备进行巡检。 中国重燃供图
我国自主研制的一款重型燃气轮机，它的功率最大，技术等级最高，是 300 兆瓦级 F 级重型燃气轮机。这款首台样机近日在上海临港完成总装并下线。这一事件在我国重型燃气轮机自主创新发展历程中具有重要意义，它标志着我国大功率重型燃气轮机首次完成了基于正向设计的整个制造过程，并且全面进入了整机试验与验证的最终阶段。这成为 2024 中关村论坛年会日前召开时发布的十项重大科技成果之一。
重型燃气轮机是什么呢？它有哪些用途呢？其自主研发制造存在着哪些难点呢？又采用了哪些新技术、新材料、新工艺呢？这些对于保障我国能源安全和绿色发展具有怎样的重要意义呢？记者近日对中国联合重型燃气轮机技术有限公司有关负责人进行了采访。
200余家企业、科研院所、高校等参与研制
8年向“新”图强聚“链”成势
积极发展清洁能源，这是国际社会应对全球气候变化所达成的普遍共识。重型燃气轮机作为能源领域的核心装备，它是工业强国的一个重要标志。这种燃气轮机主要以天然气作为燃料，具备高效率、低排放以及快速启停等特征，并且能够广泛应用于地面发电和电网调峰。
此次总装下线的是 300 兆瓦级 F 级重型燃气轮机，它由 5 大系统以及 5 万余个零部件所构成，是我国首次自主研制的功率最大且技术等级最高的重型燃气轮机，其意义十分重大。
中国联合重型燃气轮机技术有限公司科技管理部主任默静飞介绍，单台套设备在联合循环下每小时预计能发电大概 45 万度，这相当于北京城乡居民平均每小时总用电量的十分之一。同时，相比传统火电 35%至 46%的发电效率，联合循环电站的发电效率能够达到 55%至 64%，并且还能与新能源进行耦合发展，在调峰过程中能更好地匹配用户需求。发电量不足时，燃气轮机可以对电网进行有效补充；当发电量供过于求时，随着未来氢燃料燃气轮机研发取得突破，能够先把多余的电能用来制氢并储存起来，等到需要用电的时候，再将氢转化为电。
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这一成果，得益于研制全线向“新”图强、聚“链”成势。
北京、辽宁、上海、江苏等 19 个省市参与研制，历经 8 年。200 余家企业、科研院所、高校等都参与其中。默静飞给记者列出了这组数字。他介绍说，国家电投集团是项目实施的责任主体，联合哈电集团、东方电气集团、上海电气集团，组建了中国联合重型燃气轮机技术有限公司来负责具体实施，并且产学研用实现了深度融合。8 年期间，研究团队首先攻克了高温合金材料的研制技术。接着，又攻克了控制系统的设计技术。随后，还攻克了部件及整机的设计技术。并且，也攻克了热端部件的制造技术。这些都是多项关键核心技术。
成功背后的不易，只有亲历者才能体会。
记者得知，依据燃气工作温度来划分，重型燃气轮机有 E 级、F 级、G/H 级、J 级。其中，E 级的燃气工作温度大概为 1200℃。F 级的燃气工作温度大概为 1400℃。G/H 级的燃气工作温度大概为 1500℃。J 级的燃气工作温度大概为 1600℃。目前国内外在役的主流机型是 F 级。
它需要在高温环境下运行，需要在高应力环境下运行，需要在高腐蚀环境下运行，且要运行很长时间。它涉及多物理场的耦合，涉及多学科技术的集成。在设计、制造、材料、测试等方面，技术挑战极高。整机技术的集成难度极大，系统性能的匹配难度也极大，因此它被誉为装备制造业“皇冠上的明珠”。
近年来，我国加快了实现科技自立自强的步伐。工业化体系在不断完善，资金和人才等方面的保障力度持续增强。自主攻关持续取得新的突破，多种重型燃气轮机相继问世。
2023 年 3 月，我国的 F 级 50 兆瓦重型燃气轮机首台商业示范机组正式开始运行。这台机组被誉为“争气机”，它打破了持续数十年的技术封锁，在我国自主燃气轮机应用领域填补了空白，还为清洁能源领域提供了自主可控且全链条式的“中国方案”。
2023 年 6 月，国产重型燃气轮机中国航发“太行 110”的设计功率为 110 兆瓦。该燃气轮机通过了产品验证鉴定，并且一举跨过了百兆瓦的门槛。
2024 年 2 月，300 兆瓦级 F 级重型燃气轮机的首台样机完成了总装工作并下线。这一事件成为了我国重型燃气轮机在自主创新发展历程中的一个重要里程碑。
不断取得突破，捷报持续传来。一系列的新技术、新材料、新工艺，会持续带动并辐射我国燃气轮机基础学科的进步以及产业技术的发展，对于保障我国的能源安全和实现绿色发展、加快培育并形成新质生产力，推动新型工业化，建设制造强国都有着重要的意义。
“部件不是‘设计’出来的，而是‘试验’出来的”
实现基于正向设计的制造全过程
默静飞告诉记者，提及 300 兆瓦级 F 级重型燃气轮机时，“自主”这两个字贯穿了其设计制造的全流程。
但自主之路并非坦途，正向研发成为破局的关键。
由于加热后的高温燃气做功能力有了显著提升，所以燃气涡轮在带动压气机的同时，还有剩余的功，这些剩余功作为燃气轮机的输出机械功，用于驱动发电机。
吕煊是中国联合重型燃气轮机技术有限公司相关项目的副总设计师。他还是国家电投集团重型燃气轮机领域燃气轮机设计研制学科的专家。
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只要是进行正向研发，我们就能够知晓问题所在的位置，并且能够明白怎样去改正。吕煊全身心投入到相关研发设计领域中，主持开发了好几个设计核心程序，带头完成了正向研发过程里的一系列试验，组织并搭建起某关键核心部件的设计体系以及试验体系。
燃气轮机工程是有难度的，然而作为工业产品，它有着自身的科学规律和工程规律。经过数年的不懈努力，吕煊与同事们逐步摸清了这一庞然大物的模样。以燃烧室为例，其背后依托的是古老的燃烧学科，从人类学会用火开始，到借助燃烧煤炭等化石能源大幅提高生产运行效率，燃烧本质上一直都是物质和能量在不同形式之间的转化。燃气轮机燃烧存在自身特有的一系列问题。然而，通过建立一系列理论模型，并且逐级开展不同尺度的试验来进行验证，就能够在可控范围内制造出可靠的工程产品。
部件并非是通过“设计”而形成的，而是经由“试验”才得以产生的。这是吕煊时常挂在嘴边的一句话，同时也阐明了正向研发的根基所在，那就是试验。
吕煊和团队成员数年如一日地潜心钻研，专注于新工件的探索试验。他们凭借着谨慎的态度，如履薄冰般对待每一个环节；凭借着敏锐的感知，见叶知秋般洞察每一个细节。在部件级试验中，他们保障了 30 余次试验的平稳无虞，始终牢记“把风险估计得严重一些，把困难想得更多一点，不忽视一个风险，也不放过一个隐患”。
这是重型燃气轮机正向研发的一个缩影。据介绍，为了支撑重型燃气轮机的正向研发，重燃团队初步构建了自主创新体系，此体系包括设计体系、材料体系、制造体系、试验体系。
“用头发丝绣花”
细致匠心铸就国之重器
从外观方面来看，300 兆瓦级 F 级重型燃气轮机是一种“重量级”的装备。然而，设计并制造这样一个庞然大物，却属于一个“精细活”。
记者得知，重型燃气轮机的多数零部件需长期处于高温环境中稳定运行，需长期在高转速环境下稳定运行，需长期在高气动负荷环境下稳定运行。这种极端的运行环境使得对这些零部件的质量和性能有了极为苛刻的要求：一方面要求材料具备极高的耐热性，另一方面要求材料具备极高的抗氧化性，再者要求材料具备极高的抗腐蚀性等，同时还要求工艺精密。
透平叶片是燃气轮机最核心的部件之一，其精密铸造在加工制造过程中是难度最大的环节。这个环节包含近百道工序，其中有大到对原材料性能参数进行调整的，也有小到对环境温湿度进行控制的。任何一个工序出现细微波动，都将直接决定最终的成败。
彼时，我国产业链生产配套技术积累较为薄弱，所以需要开展工艺攻关。吴宏表示，他们没有可以直接走的捷径，只能持续地进行摸索和试错。并且每一步都一定要亲自去做，不然就无法知晓其中的缘由。吴宏是国家电投集团重型燃气轮机领域的首席专家，也是中国联合重型燃气轮机技术有限公司透平叶片制造项目部的总设计师。
叶片测改是一个重要环节。这个环节处于透平叶片的设计加工制造过程中。通过在叶片及护环上安装测点和布线，能够对部件在不同工况下的运行状态和参数进行监测调试改装。
这些测点的存在，就如同给我们装上了“千里眼”和“顺风耳”。设备运行时获取的试验数据，一方面能够帮助我们了解部件的工作状态，另一方面可以在降低试验过程中安全风险的同时，对设计体系和设计方案进行验证。中国联合重型燃气轮机技术有限公司透平叶片制造项目部测改模块工作人员李骁介绍道。
胡君恒认为，叶片测试改装是一项精细的手艺活。就像用像头发丝那样细的线在狭小的空间上绣花一样，马虎不得。而且叶片测改的类型多种多样，工序也十分繁琐。对此，测改团队一方面将注意力集中在人、设备以及每个关键细节上，以此来提高测改工艺；另一方面，依据不同类型叶片以及测点之间的测改细节，为每支叶片制作“ID 卡”，以保证每个细节都精准无误。
致广大且尽精微。中国重燃的每一位参研参试人员都清楚地意识到，工程越是庞大复杂，就越要在细微之处下功夫，毫厘的优势能决定乾坤。只有把每一处细节都严格把关好，才能为整机试验的顺利进行奠定更坚实的基础。
整机试验的任务是艰巨且繁重的。默静飞表示，接下来，项目团队会持续深入地学习并贯彻国家领导人的重要指示批示精神。他们会保持住战略上的定力，明确工程目标并牢牢锁定。还会大力推动关键核心技术的协同攻关，精心地组织调试试验。与此同时，会深化产业链上下游企业之间的融通发展，为加快构建我国重型燃气轮机的产业生态，推动产业高质量发展贡献出更多的力量。
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