制造业的皇冠：重型燃气轮机

重型燃气轮机是发电设备的高端装备，其技术含量和设计制造难度居所有机械设备之首，是机械制造行业的金字塔顶端，在国民经济和能源电力工业中有重要的战略地位。目前燃气轮机联合循环发电已经达到全球发电总量的五分之一（欧美国家已超过三分之一），最先进的H/J级燃气轮机单循环和联合循环效率已经达到40%~41%和60%~61%，为所有发电方式之冠。燃用天然气的燃机电站污染排放极低，二氧化碳比排放量是超临界燃煤电站的约一半，大力发展天然气发电是包括我国在内的世界各国保护环境和落实《巴黎协定》减少温室气体排放的主要措施之一。

| 什么是燃气轮机

燃气轮机是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，将燃料的能量转变为有用功的内燃式动力机械，是一种旋转叶轮式热力发动机。

燃气轮机全称为燃气涡轮发动机（Gas turbine engine或Combustion turbine engine）燃气轮机可以是一个广泛的称呼，基本原理大同小异，包括涡轮喷射引擎等。而一般所指的燃气涡轮引擎，通常是指用于船舶（以军用作战舰艇为主）、车辆（通常是体积庞大可以容纳得下燃气涡轮机的车种，例如坦克、工程车辆等）、发电机组等的。与推进用的涡轮发动机不同之处，在于其涡轮机除了要带动压缩机外，还会另外带动传动轴，传动轴再连上车辆的传动系统、船舶的螺旋桨或发电机等。

重型燃气轮机是一种能源高效转换、洁净利用、多领域应用的核心装备，是工业强国的一个重要标志。因其极高的设计、制造、试验难度和极大的经济、科技和军事价值，是世界各国竞相发展的重大装备。

▏我国燃气轮机的发历程

燃气轮机被誉为装备制造业的皇冠，一个国家的燃气轮机技术如何，直接决定着这个国家的工业实力跟设计制造能力，在这一技术领域，西方国家在早期占有绝对的领先地位，在2008年以前，美俄英德等国不仅掌握着燃气轮机市场的大部分份额，同时还握有生产燃气轮机的所有关键技术，而作为后发国家，我国此前如果想要制造燃气轮机，除了要从西方国家手里进口核心零件，每年还得交钱买周边技术跟技术许可。进入21世纪，随着西气东输等项目的进行，再加上液化天然气的大量进口，我国重新获得了发展重型燃气轮机的动力，但是，这时的中国，也遭到了外国企业严密的技术封锁，为了在最短时间内弥补技术差距，我国采用了市场换技术的模式，进口了一批比较先进的重型燃气轮机，但是这并没有改变受制于人的局面，而外国工程师全程拒绝我国技术人员靠近设备，国产的整机成品不仅只准在国内销售，还必须雇请外国工程师维护，这无疑刺伤了相关行业人员的自尊。

在此之后，我国通过两种办法，成功获得了E，F，H（按燃烧温度或出力划分）三级重型燃机国产化的能力。一方面，我国与一些欧洲企业进行联合与重组，入股了安萨尔多，阿尔斯通这两家意大利与法国的工业巨头，成功得到了一批至关重要的技术；另一方面，我国始终坚持自主研发，已于2019年成功研制出了F级300兆瓦的重型燃气轮机，同时新的400兆瓦重型燃气轮机，也就是H级燃气轮机的研发也已开始，而在小型燃气轮机领域，我国也早已研制出了一整套50兆瓦燃气轮机系列产品。

▏“太行110”重型燃气轮机

中国航发“太行110”重型燃气轮机（代号AGT-110）在深圳通过72小时满负荷连续运行产品验证鉴定，标志着我国重型燃气轮机走完自主研制全过程，填补了国内该功率等级产品空白，也为下一步走向商业成功奠定了坚实基础。

“太行110”重型燃气轮机是我国首台110兆瓦级的重型燃气轮机，具有启动迅速、综合热效率高、维护简便等优点，可使用燃油、天然气及中低热值气等多种燃料发电，可应用热电联产、天然气调峰电站、联合循环发电等多个领域，还可配合风电、光伏、水电等多种能源耦合供电。与同功率火力发电机组相比，110兆瓦级重型燃气轮机一年可减少碳排放超过100万吨，联合循环一小时发电量超过15万千瓦时，可以满足15000个家庭一天的用电需求。

“太行110”重型燃气轮机改进、改型研制中，集合了国内航空、机械、石油、电力等多行业力量，取得了102项国家专利，突破了重型燃气轮机设计、先进材料制备、整机制造、试验及调试等一系列关键核心技术，建立了具有自主知识产权的重型燃气轮机设计、研制、试验、调试等一批先进研究平台，培养了一支高度专业化的重型燃气轮机设计研发和制造生产人才队伍。对于实现“双碳”目标、保障国家能源安全、助力高质量发展具有重要战略意义。

“太行110”重型燃气轮机已累计运行突破14000当量小时，其中单台运行时数超过7000当量小时。

▏燃气轮机的应用

燃气轮机作为一种战略性设备，最主要的应用领域有两个，第一个是能源，这部分应用与民生的关系非常紧密，最主要的产品，是用于大型火电站的发电燃气轮机，还有一些中小型的工业驱动燃气轮机，用于给工厂提供动力。

另一个领域，不必多说肯定是军工，覆盖了舰用燃气轮机，和航空发动机改造燃气轮机等领域，总体来说，军工领域的燃气轮机，都是中小型产品，体积相比发电厂中的大型燃气轮机要小得多。

▏燃气轮机的优缺点

燃气轮机较少用于一般汽车和个人用机械上，与其优缺点相关。事实上曾有汽车公司开发过燃气轮机家用汽车，例如1950年，罗浮汽车制造的JET 1.0或是克莱斯勒的Chrysler Turbine Car 前后努力过数十年，但最后都因为种种弊大于利还是放弃了计划。最终还是军用车辆与飞机、船舶较适合使用，21世纪后捷豹汽车推出 C-X75概念车，尝试将燃气轮机当成发电装置给电池充电后驱动电动车，成为一种新概念尝试，但依然没解决价格和排放标准问题。

优点

1、直接输出旋转运动，所以喷射机和船舶很适合，但一般人使用的发电机或汽车则不是最佳适用选择。

2、不需要暖机也没有那么多冷启动问题，在冷天候地区不需要加防冻液之类。

3、支持多种燃料：汽油，柴油，煤油，花生油，几乎任何可燃性液体甚至混合液体都适用。

缺点

1、适合高速稳定运转情境，怠速或者加速时效率相对要低很多，并且怠速时油耗费用极高。这可以算是家用汽车最不适用的成因。

2、运转时发动机内持续高温，对材料抗高温和耐久性要求很高，造价昂贵。

3、噪声大，有一种独特的尖锐噪音。就算分贝降低对许多人来说仍难以忍受。

4、瞬时响应并不好，对汽车在城市环境下使用有影响。

5、排放与温度成指数相关，高温的轮机就有高排放，这可算是排放标准趋严的态势下最致命缺点。

（图片来源于网络）

作者 | 顾俊哲

计算机科学与技术硕士，毕业后从事网络信息收集与整理工作，关注大众科普知识，探索前沿科技。