中国燃气轮机有“心脏病”问题吗？

作者：星海老局

本文转载自：星海情报局（ID:junwu2333）

先问大家一个问题：中国人想要过上欧美那样的壕气生活需要什么？

第一个蹦出来的答案肯定是“钱”，但这等于什么都没说，因为如果钞票可以解决一切问题，我们只需要开动印钞机就可以了。

想过上欧美生活，我们所需要的最本质的东西，其实是Energy（可以理解为能量，也可以理解为能源）——设想一下，如果人人都有汽车、空调、暖气、烤箱、大冰箱、微波炉、洗衣机……那么生活品质大概率是差不到哪里去的。

看一看中国和美国的人均能源消耗就知道了——2014年，美国人平均消耗6960kg的油当量（你可以理解为消耗了近7吨汽油），而中国只有2224.35kg——连日韩的人均能源消耗都比我们高。

高能耗说明啥？说明人家享受的东西多呗，说明人家空调24小时不关呗。

其实不仅是这些家用电器，粮食和肉蛋奶的背后其实也是能源在支撑——美国大农场的背后是重型拖拉机、重型收割机、重载列车和卡车、农药飞机，而不是美国农民面朝黄土背朝天的体力劳动。

对我们来说，工业产品倒是足够多了，但能源，我们的确还有相当大的差距——毕竟如果单纯靠石油来让中国十几亿人也过上“大牛排、大house、大皮卡”的生活，估计半个地球的石油都不太够。

但好在，我们已经有了不一样的发展方向。

中国能源的未来发展蓝图实际上早就已经确定好了——2021年3月15日的中央财经委员会第九次会议上，我们提出了构建“以新能源为主体的新型电力系统”。

而在这个“新型电力系统”之中，占据核心位置的就是燃气轮机。

根据新华社的描述：在“双碳”目标下，高效、灵活、低排放的燃气轮机发电将在支持新型电力系统建设中扮演重要角色，在构建低碳产业链、满足“双碳”发展需求方面发挥重要作用。

而更令人激动的是，燃气轮机实际上也是包括航空母舰、大型驱逐舰在内很多国产大型水面舰艇的“心脏”。

今天，我们就来好好聊聊“燃气轮机”这个“大国重器”。

燃气轮机是什么？

燃气轮机=燃气+轮机

这个等式看上去简单到有点像一句废话，但从分类上来说，所谓“Turbine（轮机）”本质就是利用工质（比如高温高压空气/蒸汽）来带动叶片运动做工的机器——不严谨地说，很多人装在汽车空调出风口的那种螺旋桨装饰品也是“轮机”。

而今天我们要说的“燃气轮机”只是轮机家族里的一个成员而已，这个家族里还有像诸如“蒸汽轮机”之类的老大哥。

从结构上讲，燃气轮机的核心部件包括三部分：压气机、燃烧室、涡轮（透平）。

以重型燃气轮机常用的轴流式构型为例，进气道吸入新鲜空气后，压气机里的十几级叶片将会把空气加压成为高压气体。

这些高压空气随后就进入了燃烧室，在这里，喷射出来的燃油和高压空气混合并被点燃，形成了高温高压气体。

然后，剧烈膨胀的高温高压气体便射向了位于后端的涡轮，带动涡轮旋转最后输出机械能——这些机械能一部分用来驱动压气机，一部分则对外输出，可以带动发电机发电，也可以带动舰船主轴和螺旋桨转动。

另外我们需要知道的是燃气轮机的等级：

燃气轮机靠透平来做功，而透平的动力则来自于高温高压的空气。燃烧室加工过的空气温度和压力越大，传导给透平的动力就越强悍。

早期燃气轮机初温只有700度，压缩比也不超过10；但随着技术发展，主流燃气轮机（F级）的初温已经达到了1300度，压缩比也到到了15～17；更先进的H级燃气轮机的初温现在已经发展到了1500度，基本和战斗机航空发动机一个级别，压缩比也接近30。

燃气轮机喷射出的高温尾气实际上也是“宝贝”——现在人们会利用这些600度左右的尾气余热来”烧开水”产生蒸汽，驱动蒸汽轮机来发电，形成一个“燃气-蒸汽联合循环发电”，最终使得发电效率显著提升（联合循环效率可达60%）。

而且，燃气轮机还有一个其他引擎都没有的优势：它提升功率的速度极快，从冷启动点火到满功率运转只要几十分钟就可以——不论是在军事领域还是在电力调控，这个特性都太重要了。

不过，这也很好理解。毕竟从工作原理上来说，燃气轮机的工作原理和航空发动机几乎是一模一样的，甚至有直接把航发改成燃气轮机的案例——它的响应速度不能快吗？

也正因为如此，世界上的航空发动机大厂往往也是燃气轮机大厂：美国的GE（通用电气），英国的罗罗，中国的航发燃气……都是燃气轮机和航发两开花的。

当然了，也有一些玩家虽然没有什么太出名的航发产品，但凭借超级深厚的技术积累依旧可以在这个领域里叱咤风云的，比如三菱、西门子、安萨尔多。

燃气轮机的难点何在？

从这些GE、罗罗、西门子这些玩家的地位，我们可以得到一个判断：燃气轮机绝对是高级工业品，甚至是老牌工业强国的专属领域。

“燃气轮机”上价值最高的领域，都写在了合资协议上了——中国这些年来从GE、西门子、三菱获得了多种型号的燃气轮机生产许可，从许可协议上，我们可以轻松看出燃气轮机上哪些东西是困难而高价值的，哪些东西是简单且价值偏低的。

根据许可协议，外商死抓不放的技术包括：高温部件制造技术、系统控制软硬件、设计技术、试验验证技术等技术。

这些技术为什么外商死活要抓住不放呢？因为就是这些技术构成了外商的“技术壁垒”，这是人家吃饭的本事——自然是最高端的。

我们来仔细分析一下这些技术吧。

先是高温部件制造技术，它考察的是工程设计能力和材料能力。突破高温部件制造，意味着燃气轮机可以有更高的初温，进而动力也越强——这是燃气轮机市场竞争力的关键。

燃气轮机的叶片和航空发动机一样，都要在高温高压的环境中高速旋转运动——如果我们用不锈钢做涡轮叶片，那么叶片将在高温下迅速软化乃至融化，然后被高速甩出，整个效果就像打铁花一样灿烂。

为了避免这种灾难情况出现，就需要能经受超高温的合金以及隔热涂层，这都是非常高级的材料技术。同时还要在叶片上做出气膜孔来通风散热——这就很考验工程设计能力和加工能力。

以GE的9F.06燃气轮机为例，它的压气机直接继承自GE90航空发动机，它的透平叶片用的是航空发动机叶片上的单晶技术。

由此可见，航发和燃气轮机真的是“血缘兄弟”关系。

再看看系统控制软硬件，这个考察的是工业软件、传感器和工业知识。突破了燃气轮机的控制系统，意味着这款燃气轮机更“温顺听话”，别看动不动就几百MW的功率、上千度的高温，但实际上每一个指标都清清楚楚，稍微有一点异常就能提前警告，从而避免故障带来的损失。

这也是燃气轮机市场竞争力的一部分。

同样是拿GE的9F.06为例：

硬件上，9F.06全身上下超过6000个测量元件，包含1800多个压力传感器，160多个加速度传感器，以及上千枚探头——其中绝大多数都是欧美产品。

软件上，市场上主流的燃气轮机控制软件厂商是美国的Emerson，从GE到西门子到安萨尔多等等国际知名燃气轮机厂商都有用过他们的系统。而这种燃气轮机控制系统，正属于“工业软件”的大类中。

更烦人的是，不论是“传感器”之类的硬件还是“控制系统”这样的工业软件……这些玩意儿多少都有些“强者恒强”的意思——越多客户用你的产品，你积累的数据就越多，你未来开发的新软件就更强大，就会有越多的客户。

焊死了后来者上车的门是吧？

最后就是试验和验证技术，这关系到未来研发更先进燃气轮机的能力。

在燃气轮机的研发过程中，设计经验固然重要，但实验也不可或缺，甚至一款成功的燃气轮机根本就是在一次次试验里烧出来、试出来的——想开发好的燃气轮机，前提是得有一个足够优秀的试验平台，特别是要有针对压气机、燃烧室、透平的试验平台。

毕竟，不做试验，你的数据怎么来呢？没有数据，怎么改进呢？

由此可见，中国想做好燃气轮机的国产化，绝不是单纯靠某种或某几种技术突破就可以搞定的，它需要的是从材料到工业软件到科研的全链条进步。

技术之外，商业上外企也给中国企业设下了绊子。

同样根据许可协议，中国厂商可以在国内自主销售，但若想在海外出售就要得到外商批准，售后服务要么和外商联合进行，要么只能交给外商。

这意思就很明白了，有点像欧盟、美国不给919大飞机发适航证的味道了——你在中国市场上卖我不管，但是你如果要往国外卖，那是万万不可以的。

引进技术的合作尚且如此，单纯购买外国产品就更别提了。

欧美厂商的套路我们应该都很熟悉了——知道你造不出来又有需要，那就死命割你韭菜，出一点故障就派几个技术员来，然后要你五星级酒店好吃好喝招待完了再要你打一大笔钱。

《人民日报》曾经采访过国内燃气轮机生产商东方电气集团的首席技术专家赵世全，赵老师在采访里坦言：买了外国燃气轮机就像给别人开了家银行，对方想什么时候提款就什么时候提款。

技术上牢牢把持核心地段，商业上给你束手束脚，隔三差五再来捞一笔——看到了吧，值钱的东西别人可都死死地攥在手里呐！核心关键技术和全球业务怎么可能那么轻易给我们呢？

中国燃气轮机的国产化

面对这种局面，我们是不可能满意的。中国燃气轮机的国产化，实际上一直在坚持，从来没放弃过。令人欣慰的是：发展到了今天，我们已经取得了相当不错的成绩。

还是挨个看看高温部件、控制系统和试验平台的国产化奋斗吧。

高温部件层面，国内已经成功研制出了F级的燃气轮机——这意味着我们的高温部件已经可以经受住1300～1400度的高温，已经达到了世界主流市场的水平。

虽然说距离欧美H级乃至更高的HA级还有一定的差距，但是已经足以在保证自己能源安全的基础上同时兼顾海外市场争夺了——毕竟和外国同等功率的燃机产品相比，我们的制造、运维成本都很低，这又是熟悉的“发达国家粉碎机”剧情了。

控制系统层面，我们也在快速追赶——中国在信息技术上的发展很大程度上帮助我们的燃气轮机控制系统完成了国产替代。

中国华电自己研发的“华电睿蓝”自主可控系统不仅可以用在国产燃机上，而且还可以覆盖在进口的E/F级轮机上，等于是形成了一个像安卓系统那样可以部署在不同品牌上的通用控制系统。

试验平台层面，我们也开始布局——由中国科学院工程热物理研究所承建的高效低碳燃气轮机试验装置国家重大科技基础设施项目（上海浦东新区）在上海自贸区临港新片区开工。项目投资估算超6.5亿元，建设周期为4年，已列入2019年上海市重大工程。

除此之外，中国在激光熔覆、增材制造领域的水平也已经位居世界前列——这也都是可以广泛应用在航空发动机和燃气轮机领域的新技术。

最近，“太行110”（AGT-110）重型燃气轮机也已经成功在深圳通过产品验证鉴定，标志着拥有自主知识产权的110兆瓦级重型燃气轮机通过整机验证，填补了国内该功率等级产品空白。

最后，不要忘了我们的老传统：我们从来都是谦虚而低调的，当我们公开宣布AGT-110的时候，意味着它已经是一个成熟的产品了。

我相信，中国更新型更强悍的燃气轮机，应该已经在路上了。

参考文献：

重型燃气轮机国产化和自主化现状，燃气轮机发电专业委员会

干货丨GE 9F.05和9F.06型燃气轮机技术概览，GT-union 两机动力先行

国家重大科技基础设施“高效低碳燃气轮机试验装置”临港开工，澎湃新闻

“太行110”重型燃气轮机通过产品验证鉴定，新华每日电讯

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中国燃气轮机有“心脏病”问题吗？

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