出品：科普中國
作者：姚禹（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)）
監(jiān)制：中國科普博覽
“雄雞一唱天下白”，2023年3月8日，伴著一聲響亮的機械轟鳴，一臺來自中國的“爭氣機”在廣東清遠經(jīng)歷72+24小時試運行后，正式投入商業(yè)運行，這是我國首臺自主研制的F級50兆瓦重型燃氣輪機發(fā)電機組G50，它的誕生完成了從“0”到“1”的科技突破，使中國有了100%純國產(chǎn)的重型燃機。
我國首臺自主研制的F級50兆瓦重型燃氣輪機成果商用
（圖片來源：CCTV13 朝聞天下）
這臺“爭氣機”可不一般，它的工作溫度超過1300℃，接近火山巖漿的高溫，工作壓力達到18個大氣壓，相當(dāng)于海底180米深度的水壓，在如此嚴(yán)苛的高溫高壓環(huán)境下，燃機渦輪還要以每分鐘6000轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速高速旋轉(zhuǎn)，線速度超過大型客機飛行速度的2倍。當(dāng)它進行聯(lián)合循環(huán)，一小時的發(fā)電量就超過7萬千瓦時，可以滿足7000個家庭一天的用電需求，相較于同功率的火力發(fā)電機組，G50重型燃氣輪機一年可減少碳排放超過50萬噸。
為什么要把重載燃氣輪機稱為“爭氣機”呢？
如同蒸汽機掀起了第一次工業(yè)革命的熱潮，燃氣輪機是新時代國家能源安全和國防安全的戰(zhàn)略性裝備，廣泛應(yīng)用于國防、交通、能源、環(huán)保等各個領(lǐng)域，而重型燃氣輪機更是先進發(fā)電設(shè)備、航空裝備、軍用艦船（航母及潛艇）等大國重器的“心臟”。
F級50MW重型燃氣輪機
（圖片來源：中新網(wǎng)）
燃氣輪機的能量轉(zhuǎn)化方式與蒸汽機相同，都是將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為動力（或電力），不同的是，蒸汽機是燒水，將水變成蒸汽時，體積膨脹從而驅(qū)動活塞（或汽輪機等其他動力機械）做功。
蒸汽機的工作原理示意圖，火加熱鍋爐中的水（藍色），水變成蒸汽（粉紅色），蒸汽膨脹推動活塞往復(fù)運動
圖片來源：Wikipedia
燃氣輪機并不需要加熱蒸汽作為中間介質(zhì)，而是將燃氣直接通入渦輪膨脹做功，這就要求燃氣輪機的部件能夠長時間地承受極端的高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速并保證整機安全穩(wěn)定的運行，而更高的運行參數(shù)也顯著地提高了設(shè)備的做功能力，使燃氣輪機具備單位功率大，啟動速度快、機動性強，能量轉(zhuǎn)化率高的特性。
當(dāng)燃氣輪機工作時，它會連續(xù)地從大氣中吸入空氣并將其壓縮，壓縮后的空氣被送入燃燒室，與噴入的燃料充分混合后燃燒，成為高溫、高壓的燃氣，隨即被通入燃氣渦輪中推動渦輪葉輪旋轉(zhuǎn)并膨脹做功，輸出的功率可作為動力或被轉(zhuǎn)化為電力。
燃氣輪機結(jié)構(gòu)示意圖
（圖片來源：http://www.timetoast.com/timelines/abel-project-tl）
燃氣輪機被譽為裝備制造業(yè)“皇冠上的明珠”，尤其重載燃氣輪機號稱“世界上最難制造的機械設(shè)備”之一，它由數(shù)萬個零件組成，涉及機械、冶金、材料、化工、能源、電子、信息等諸多領(lǐng)域，涵蓋氣動力學(xué)、工程熱力學(xué)、燃燒學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、控制理論、材料學(xué)、制造工藝等基礎(chǔ)學(xué)科和工程技術(shù)的交叉融合，它的研發(fā)集中體現(xiàn)了一個國家科技水平和綜合國力。
產(chǎn)線機器人放置完工葉片
（圖片來源：中新網(wǎng)）
重型燃氣輪機的研發(fā)是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，其技術(shù)難度高、研發(fā)投資大、實施周期長。自1939年世界第一臺發(fā)電用重型燃機誕生，重載燃機幾經(jīng)技術(shù)革新和產(chǎn)業(yè)重組，僅有美國、日本、德國等少數(shù)國家能夠自主研發(fā)重型燃機的能力。
重型燃氣輪機G50整機試驗臺
（圖片來源：東方汽輪機有限公司供圖）
為服務(wù)國家重大戰(zhàn)略，我國設(shè)立“航空發(fā)動機與燃氣輪機”國家科技重大專項（“兩機專項”），國家能源局將F級50兆瓦重型燃氣輪機列為能源領(lǐng)域首臺（套）重大技術(shù)裝備示范項目。在國家的大力支持下，東方電氣等央企聯(lián)合高校、科研院所組建科研團隊，統(tǒng)籌產(chǎn)業(yè)鏈上中下游企業(yè)匯聚優(yōu)勢資源，開展了艱苦奮斗的自主研發(fā)之旅。自2009年開始研發(fā)至今，捷報頻傳，2016年建成國內(nèi)首批壓氣機、燃燒器、透平部件級試驗臺，2018年研制成功壓氣機、燃燒器，2019年實現(xiàn)全部高溫部件的100%自主制造，整機點火試驗一次成功，2020年首次運行至100%負(fù)荷，2022年底在華電清遠實現(xiàn)一次點火成功，2023年正式轉(zhuǎn)入商業(yè)運行。
重型燃機的生產(chǎn)裝配過程
（圖片來源：CCTV13 朝聞天下）
僅僅13年，我國重型燃機經(jīng)歷了從基礎(chǔ)理論、單元技術(shù)、零部件實驗、系統(tǒng)集成、綜合驗證、產(chǎn)品應(yīng)用的全過程，跨越式地走完了西方國家?guī)资臧l(fā)展的道路。我國真真切切地掌握重型燃機自主設(shè)計、制造、試驗及商業(yè)運行的100%國產(chǎn)化能力，打造安全可控、自主可靠的燃機產(chǎn)業(yè)鏈，填補了我國自主燃氣輪機應(yīng)用領(lǐng)域空白。
雖然，當(dāng)前商用的F級50兆瓦重型燃氣輪機發(fā)電機組G50距離世界最先進水平仍有一定差距，但建設(shè)的自主設(shè)計體系、掌握的核心方法、構(gòu)建的自主知識產(chǎn)權(quán)、培養(yǎng)的高素質(zhì)人才隊伍，都將帶動燃機學(xué)科和產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展。
首臺國產(chǎn)高能效重型燃氣輪機下線
（圖片來源：CCTV13 朝聞天下）
更可喜的是，目前首臺國產(chǎn)空氣冷卻最高能效等級的重型燃氣輪機在河北秦皇島順利下線，發(fā)電效率超過64%，代表著當(dāng)前燃機發(fā)電行業(yè)最先進的技術(shù)，成為當(dāng)今世界效率最高的熱功轉(zhuǎn)換設(shè)備。新一代的燃氣輪機將成為我國實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”的神兵利器，也將給予保衛(wèi)國家安全的國之重器一顆更強勁的心臟。國產(chǎn)“爭氣機”的故事還在繼續(xù)，我們拭目以待！
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