自主研製重型燃氣輪機為什麼重要

轉自：學習時報

　　在科技創新與能源轉型的浪潮中，我國能源裝備領域迎來了又一振奮人心的消息——我國自主研製的300兆瓦級F級重型燃氣輪機在上海臨港首次點火成功，這是繼今年2月首臺樣機總裝下線以來取得的又一重要里程碑成果，標誌着我國重型燃氣輪機自主研製全面進入整機試驗驗證階段。這一成就，不僅彰顯了我國能源科技的實力，也引出了一個值得深入探討的問題：為何重型燃氣輪機在全球能源體系及國家發展戰略中佔據着如此舉足輕重的地位？

　　燃氣輪機是航空、艦船和能源領域的核心動力裝備，按照結構設計特點可以分為重型燃氣輪機、航空發動機和輕型燃氣輪機（或航改燃機）。燃氣輪機設計、製造難度極大，具有技術密集度高、產業帶動面廣、軍民結合屬性強等特點，是一個國家工業水平的集中體現，也是關乎國家安全和國民經濟發展的「國之重器」，因此被譽為裝備製造業「皇冠上的明珠」。

　　重型燃氣輪機的功率是傳統發動機的數百倍，可用於天然氣發電、電網調峰或減載，並作為中型航空母艦和驅逐艦的動力源。就工作原理而言，重型燃氣輪機是一種高速旋轉的葉輪機械，通過壓縮、加熱、膨脹、放熱4個熱力過程將燃料的化學能以及流體動能轉換為動力。在這一轉換過程中，燃氣初温、壓氣機壓比是影響燃氣輪機效率的主要因素。20世紀50年代，發電工業引入了燃氣輪機。目前，燃氣輪機聯合循環發電已經達到全球發電總量的1/5（歐美國家已超過1/3）。隨着世界範圍內天然氣資源的開發利用，重型燃氣輪機在發電領域得到全面應用，其優異的調峰能力使其在未來以新能源為主體的新型電力系統中發揮越來越重要的作用。我國電力行業對重型燃氣輪機產品需求迫切，在最為重要的清潔發電方向，2021年氣電總裝機容量約為1.086億千瓦（佔電源總裝機容量的4.6%），2025年前預計新增氣電裝機容量3200萬千瓦。在碳達峰碳中和戰略目標提出后，能源消費清潔低碳化進程將進一步加快，電力也將佔據能源體系的主導地位，相關發展任務艱鉅。

　　長期以來，國際上形成了行業巨頭高度壟斷的重型燃氣輪機技術與行業發展格局，這主要是受核心技術門檻高、產業規模化發展、市場競爭等歷史性因素的影響造成的。國際主流重型燃機廠商主要包括美國通用電氣、德國西門子和日本三菱重工。另外，意大利安薩爾多在2016年收購了法國阿爾斯通的燃機資產，也成為全球較大的燃機制造商之一。

　　我國在重型燃氣輪機制造領域起步較晚，技術積累薄弱，過去長期依賴國外企業來滿足設備需求並進行產品維護。追溯歷史，我國從20世紀50年代末開始發展燃氣輪機技術。通過仿製和研製，到20世紀70年代初，國內廠家研製出了若干車用和發電用燃氣輪機，為我國燃氣輪機工業奠定了初步基礎。然而，自20世紀80年代至20世紀末，受限於國內油氣供應短缺，燃氣、燃油發電行業進入低潮期，延緩了我國燃氣輪機技術的進步，導致與國際先進水平之間的差距被迅速拉大。

　　自2002年7月起，國家發展改革委組織了多次F級和E級燃氣輪機的「打捆招標」，旨在通過市場換技術等合作方式，推動上海電氣、東方電氣和哈爾濱電氣（即三大電氣集團）與國外燃氣輪機企業合作，引進重型燃氣輪機制造技術。儘管有這些合作，燃氣輪機的設計技術、核心部件（燃燒器部件、高温透平葉片部件）的製造和維修技術、試驗技術等，仍掌握在外方手中，未實現技術轉讓。因此，目前在役的重型燃氣輪機仍以國外產品為主，存在供應鏈中斷或停運的風險，威脅電力供應穩定和國家能源安全。在此背景下，自主研發重型燃氣輪機成為抵禦外部環境風險的關鍵。面對外部技術封鎖和內部資源約束，企業必須從零開始，加速自主研發進程，以確保國家在技術裝備上的自主性和創新能力，推動產業鏈轉型升級。

　　在科技強國戰略的引領下，我國重型燃氣輪機行業已邁入自主研製、創新發展和戰略轉型的關鍵階段。燃氣輪機制造企業聚焦重型燃氣輪機，攻克多項關鍵技術，貫通設計製造全流程，取得了一系列重大突破。2022年11月，東方電氣自主研發的F級50兆瓦重型燃氣輪機正式發運，標誌着中國自主燃氣輪機產業開啟了高質量發展新篇章。隨后，2023年6月，中國航發研製的「太行110」重型燃氣輪機（AGT-110）在深圳通過驗證。2024年2月，我國首臺自主研製的300兆瓦級F級重型燃氣輪機樣機成功下線，其技術指標與國際主流相當，由國家電投集團聯合三大電氣集團組建的中國聯合重型燃氣輪機技術有限公司（中國重燃）負責實施，上海電氣集團總裝製造，並有來自19個省市的200余家單位參與。今年7月，東方電氣自主研製的15兆瓦重型燃氣輪機（G15）在四川德陽下線。

　　當前，重型燃氣輪機的技術發展正聚焦於多個關鍵領域，包括先進材料與智能製造、靈活燃料低污染燃燒、高效氣動與先進冷卻技術、系統智能測控與運維，以及新型高效發電系統等。這些領域的進步不僅推動了燃氣輪機性能的提升，也為其未來發展奠定了堅實基礎。展望未來，重型燃氣輪機正朝着極限效率、經濟可靠、超長壽命的方向發展。由於燃氣初温和壓氣機的壓比是決定燃氣輪機效率的關鍵因素。為實現這一目標，需要不斷提升燃氣初温、部件效率，並增強結構可靠性。因此，燃燒技術、結構材料與塗層、增材製造、熱管理、高保真綜合仿真與驗證試驗、先進熱力學循環、系統集成與優化、基於狀態的運行與維護、數字孿生技術及相應基礎設施等領域，將成為未來的研究重點。同時，隨着碳達峰碳中和戰略目標的提出，淨零排放和靈活燃料燃氣輪機的發展日益加快。這要求燃氣輪機不僅要具備更強的摻氫、純氫燃料適應性，還需具備更寬的負荷調節能力和更低的污染物排放性能。因此，燃料系統、燃燒室等關鍵部件的材料及製造工藝、新型燃燒室設計等成為亟待解決的關鍵技術問題。

　　重型燃氣輪機之所以如此重要，不僅因為其作為能源轉換與供應的核心設備，在全球能源體系中扮演着關鍵角色，更在於其技術的發展與突破對於國家整體科技實力、能源安全、綠色轉型以及國防能力的提升具有深遠影響。黨的二十屆三中全會明確提出要完善推動新能源、新材料、高端裝備等戰略性產業發展政策和治理體系。重型燃氣輪機正是這一戰略方向上的重要一環。因此，我國自主研製重型燃氣輪機不僅是一項重大的科技任務，更是實現高質量發展、保障能源安全、促進綠色轉型以及提升國防安全水平的必由之路。

　　（作者系北京科技大學材料科學與工程學院教授）