加快发展保障能源安全的载体装备

季孝堂

[摘要]燃气轮机在舰船动力、战车动力、电力工业、油气工业及化工冶金行业等领域应用广泛，是影响国家国防和能源安全的重大战略装备，必须自主研发。借鉴国外成功的发展途径，本文提出了我国自主系列化发展航改燃气轮机的技术路线，介绍了研发10余个具有自主知识产权的舰船和工业用微、轻、重型燃气轮机型号。提出了自主知识产权燃气轮机研发、示范、应用存在的问题和政策建议。

[关键词]自主知识产权燃气轮机发展

[中图分类号] F206[文献标识码）A[文章编号]1004-6623（2017）05-0029-05

燃气轮机是继蒸汽轮机和内燃机之后的新一代动力装置，具有功重比大、体积小、机动性好、污染小、便于维护保障等诸多突；“优点，自20世纪40年代问世以来，获得了飞速发展。燃气轮机具有典型的军民两用特点，对保护国家国防安全与能源安全、改善能源结构和环境可持续发展有着重要的战略意义。

一、燃气轮机是保障国防安全和

能源安全的战略性装备

（一）燃气轮机的特点和分类

燃氣轮机是在高温、高压、高转速恶劣环境条件下长期反复使用的气动热力机械，其涉及诸多的学科专业和丁程领域，成为一门逼近极限的综合性应用学科，技术极其复杂，研制难度极大，同航空发动机一同被喻为机械丁业皇冠上的明珠。

燃气轮机按发展背景、结构形式和功重比可分为三类：重型燃气轮机、轻型燃气轮机和微型燃气轮机。重型燃气轮机为单轴结构，其功率大、体积大，结构厚重，一般功率在50兆瓦以上，主要用于发电；轻型燃气轮机一般为分轴结构，功率一般在1兆瓦以上，60兆瓦以下，在军、民用各领域应用广泛；微型燃气轮机功率一般l兆瓦以下，主要用于战车动力和分布式能源。

（二）燃气轮机是实现国防现代化的重要保证

经过70多年的发展，轻型和微型燃气轮机在舰船动力、战车动力等领域得到了广泛的应用。因燃气轮机具有功率大、重量轻、体积小、隐身性好等优点，在大、中型水面舰艇和高性能舰船动力中已处于主导地位，是海军现代化的重要标志，目前世界发达国家海军78%以上舰船以燃气轮机为动力。近年来，燃气轮机在民用船舶上的应用也逐渐增多。燃气轮机具有低温起动性能好、扭矩储备系数高、功率密度高等优点，作为坦克动力得到大量应用。目前美、俄有近30000辆坦克采用燃气轮机作为动力，如美国的Ml主战坦克、苏联的T80主战坦克。

为提高地面战车的精确打击能力，战车装备有各种先进的火控系统和通信系统等，这些先进的设备需要辅机电源提供高品质电能，燃气轮机成为大多数辅机电源首选动力装备。

我国舰用燃气轮机和国外相比差距明显，主要体现在谱系不全，使用数量少，使用成熟度低，应用程度不仅落后于世界海军强国，与日、印、韩等周边国家也存在差距。燃气轮机在我国战车主动力上的应用基本是空白。作为军用燃气轮机，西方国家对我国严禁出口，燃气轮机已成为制约我国海陆军装备发展的瓶颈之一。

（三）燃气轮机是实现能源现代化的重要保证

在电力工业，由于燃气轮机具有适用多种燃料、污染小、电站建设周期短、启动快、运行灵活、占地面积小等诸多优点，使其用于发电的数量逐年增加。燃气轮机可用于常规发电、调峰电站和移动发电等，燃气轮机电站占美欧新建电站80%以上。燃气轮机分布式供能系统，通过冷热电联供等方式实现能源的梯级利用，综合能源利用效率在70%～90%以上。我国发电用燃气轮机几乎全部进口。

燃气轮机作为机械驱动的动力，一直广泛应用于石油丁业中的石油、天然气的开采和输送中。我国作为能源大动脉的“西气东输”等管线也采用了大量燃气轮机，但所用燃气轮机几乎全部依赖进口，主要为GE公司的PGT25+（LM2500+）、RR公司工业RB211以及Solar的Titan130机组等。作为海上采油平台核心动力的燃气轮机，也全部依赖从西方国家进口。

虽然发电等民用燃气轮机可以高价买到国外产品，但是由于美、德、日等国的垄断，我国还需对燃气轮机的检修维护服务付出天价的费用。如上海漕泾天然气发电厂引进了2台美国GE公司生产的300MW燃气轮机发电机组，电厂建成后，仅2009年至2011年间，漕泾电厂即为机组检修维护花费了3.83亿元，已超过其总投资的13%。这不仅是一笔高昂的开支，还有受到他人制约的可能。

燃气轮机是关系到国家能源、环保及节能减排等国计民生领域的核心动力机械，是有着巨大发展前景的先进制造业和高技术产业。目前，国家正在推进能源大转型，将具有清洁性、稳定性、灵活性特点的天然气作为主体能源之一，而实现这一转型的主要载体装备就是燃气轮机。作为影响能源安全的战略性装备燃气轮机产品基本依赖他人，给我国经济和社会发展带来巨大隐患。

二、国内外燃气轮机发展现状

（一）国外燃气轮机发展现状

目前，世界上只有美、英、俄、德、法、日等少数国家具备独立研制燃气轮机的能力，燃气轮机设计和制造技术形成了高度垄断格局。仅有GE、西门子、ALSTOM、三菱等五六家企业掌握了重型燃气轮机设计和制造技术，轻型燃气轮机则以GE、PW、RR三家著名航空发动机企业为主导。俄罗斯等国凭借其雄厚的国防工业基础，在轻、重型燃气轮机领域也占有一席之地。美、英等发达国家均研制了不同功率档次的军、民用燃气轮机产品，形成了系列化、谱系化发展的局面。纵观西方国家几十年来燃气轮机发展走过的道路，可以说，是航空发动机技术促进了轻、重型燃气轮机的飞速发展。

总结国外燃气轮机发展主要有以下几个特点：

1.轻型舰用燃气轮机主要走航空发动机改型发展的道路

舰船燃气轮机走航空改型发展的道路是一种最快捷、最经济、最可靠的发展途径。以燃气轮机为动力的舰船中有95%是航改燃气轮机。如GE公司的LM2500燃气轮机、RR公司的WR-21间冷回热燃气轮机、MT30燃气轮机等，均是由航空发动机派生发展而来。endprint

舰船燃气轮机采用航空发动机改型绝非偶然，而是由其内在的经济、技术规律决定的。由于燃气轮机和航空发动机大部分的部件、系统、材料、工藝以及设计、制造、服务等体系可共享，所以航改燃气轮机具有基础好、风险低、周期短和技术升级快等优势。

2.在同一航空发动机基础上派生发展出不同类型和不同功率档次的燃气轮机

美国GE公司在用于B-747/767和A310/330飞机的CF6-80C2发动机基础上，分别派生发展了LM6000轻型燃气轮机、LMS1OO间冷循环燃气轮机以及MS900IG（H）重型燃气轮机，充分体现出航改燃气轮机的“一机为本、满足多用、缩短周期、降低成本、衍生多型、形成谱系”的特点，不仅赋予发动机顽强的生命力，达成更新换代的良性发展态势，保证了燃气轮机的可靠性、先进性，而且极大地缩短了研制周期，成功地降低了设计、研制、试验以及制造成本。

3.燃气轮机持续升级改进，系列化发展

由于研制和生产燃气轮机的难度大，通常在一型成功的燃气轮机基础上不断升级改进，提高性能，其中以LM2500系列最为典型。LM2500燃气轮机功率25.1MW，热效率37.5%，在此基础上逐步发展出LM25000+和LM2500+G4燃气轮机。LM25000+功率为30.2MW，热效率为38.9%；LM2500+G4功率为35.3MW，热效率为39.1%，燃气轮机的功率和热效率不断提高。

4.政府和企业制定的多层次技术研究计划促进了燃气轮机技术快速进步

美欧为保持其燃气轮机技术及市场始终处于领先地位，由政府和企业投入巨资制定了一系列长期多层次的研究计划，如美国的提高燃气轮机性能、可靠性、降低排放的先进燃气轮机系统计划（ATS）和Mercury50燃气轮机燃烧系统先进材料计划；欧盟的提高燃气轮机性能、可靠性和降低排放的欧盟先进燃气轮机系统计划（EC-ATS）、先进燃气轮机合作计划（CAGT）、降低排放的清洁高效燃气轮机计划（CAME-GT）等计划；日本的提高舰用燃气轮机性能、可靠性和降低排放超级舰船燃气轮机计划（SMGT）。这些汁划的实施极大推动了燃气轮机先进技术的研究和应用，为保持其在世界的领先地位起了决定性作用。

（二）我国燃气轮机发展现状

我国燃气轮机产业发展开始于上世纪50年代末。产业分散在航空、航天、机械、舰船等多个丁业系统。由于多种原因，我国燃气轮机产业发展缓慢，其技术与国外差距很大。目前，国内燃气轮机市场基本被国外燃气轮机产品垄断。重型燃气轮机主要为GE、西门子和三菱等公司的产品；中小型丁业燃气轮机主要为GE、RR、索拉涡轮公司产品；舰用燃气轮机通过引进生产许可和自主研制，取得一定进展但仍与国外差距明显；国内工业用微型燃气轮机市场上国产机组近乎空白。

近年来，随着国家经济、科技和工业水平的提高，尤其“昆仑”和“太行”航空发动机的设计定型，我国自主发展燃气轮机的条件已基本具备。2016年全面启动的国家“航空发动机和燃气轮机”重大专项，更为燃气轮机的自主发展带来了重大机遇。

三、自主知识产权燃气轮机实现途径

中国航发沈阳发动机研究所（中国航发动力所），始建于1961年8月，是新中国第一个航空发动机研究所，主要从事大中型航空涡喷、涡扇发动机和燃气轮机的研发。先后改进改型、自主研制了涡喷7甲（乙）、涡扇5、涡扇6、“昆仑”、“太行”航空发动机和十余个型号的微、轻、重型燃气轮机。研究所技术实力雄厚，现有职工3100余人，技术人员1900余人，有总体、压气机、燃烧室、涡轮、强度、机械、控制等20余个专业设计/试验/装配研究室，7个技术支持中心和1个试制工厂。具备了发动机各专业领域的科研队伍和一整套具有完全自主知识产权的发动机研发体系。拥有比较先进完备的整机试车台和相关部件、系统试验器。

沈阳发动机研究所以“昆仑”和“太行”航空发动机为基础，按照国际发展燃气轮机的成功道路，确定了自主系列化发展燃气轮机的技术路线。

1.在“昆仑”发动机基础上派生发展中档功率QD128燃气轮机，并开展低排放技术研究。

2.在“太行”发动机基础上派生发展了不同功率和用途的系列燃气轮机。派生发展出小档功率QD70燃气轮机；在QD70燃气轮机基础上派生发展了QD70A/B/C民用燃气轮机和小档功率舰用燃气轮机；在QD70系列燃气轮机基础上发展功率增大型QD70+燃气轮机以及通过新研低压系统发展中档功率QD185燃气轮机；在QD185燃气轮机基础上加间冷系统发展大档功率间冷循环QD400燃气轮机。

3.利用航空发动机技术发展了RO11O重型燃气轮机，在此基础上发展了燃用中低热值燃料的RO11OA；通过QD70+燃气轮机压气机相似放大并结合RO11O燃烧室和透平改进，可以发展F级重型燃气轮机。

4.利用航空发动机技术发展了微型燃气轮机QD11，在此基础上可采用回热技术进一步提高性能，用作坦克动力。

四、自主知识产权燃气轮机产品发展情况

沈阳发动机研究所依托航空技术优势，按照“生产一代、研制一代、预研一代、探索一代”的可持续发展模式，通过多年努力，形成了“航燃并举、轻重兼顾、系列发展”的良好局面，建立了燃气轮机自主发展的态势，实现了与航空发动机共同发展的格局。初步形成了功率范围涵盖1兆～110兆瓦的微、轻、重型燃气轮机发展谱系，以服务舰船和工业领域。

1.QD128燃气轮机。在“昆仑”发动机基础上派生发展的我国首台具有完全自主知识产权的功率12MW级轻型燃气轮机，设计总寿命10万小时，使我国完全自主知识产权燃气轮机实现了从无到有这一历史性的跨越。突破的关键技术有：初步建成了航改燃气轮机总体设计技术体系；突破了中档功率航改燃气轮机燃气发生器改进设计技术。燃气发生器成本较航机降低了20%以上：长寿命、高可靠动力涡轮自主设计技术取得重大突破；自主研发了控制、起动、燃料、清洗、测试等燃气轮机的辅机系统。控制系统主要技术指标达到了国外主流产品水平。endprint

2.QD70A/B/C燃气轮机。以“太行”发动机核心机为基础，自主研制的7MW级民用燃气轮机，突破的關键技术有：在原航空发动机基础上，采用一体化设计技术完成了地面燃气轮机的整机寻优匹配和部件优化设计，同时兼顾了高性能和长寿命；自主研发了刷式封严技术，提高了燃气轮机的封严效果，改善了整机性能；新研了电起动和液压两种起动装置，可满足不同用户使用需求；突破了航改燃气轮机双燃料燃烧室设计、气/液双燃料切换和混烧技术；突破了双轴燃气轮机用于应急电源改进设计和整机调试技术。

3.小档功率舰用燃气轮机。在QD70燃气轮机基础上派生发展的我国第一型具有完全自主知识产权的小档功率燃气轮机。该型燃气轮机研制历时十年，成功攻克了40多项科研生产关键技术，完成5000余小时整机试验。

4.QD185燃气轮机。在QD70A燃气轮机基础上自主研制的18MW级轻型燃气轮机，可用于船舶动力、丁业发电、分布式能源、海上采油平台，管线增压等领域。性能达到同档功率燃气轮机的国际先进水平。突破的关键技术有：突破了在第三代涡扇发动机基础上派生发展高性能中档功率燃气轮机的总体设计技术，实现系列化发展；新研5级大裕度低压压气机，设计点绝热效率达到0.903，达到国际先进水平；将航空发动机的双级低压涡轮改进设计为高性能单级低压涡轮；新研的3级动力涡轮，效率0.935，达到国际先进水平。

5.R011O燃气轮机。是国家科技部“863”计划“十五”重大专项发展项目，是我国第一台自主研发、拥有自主知识产权的E级重型燃气轮机，主要用于单独或联合循环的基本负荷供电或尖峰负荷调峰使用，已通过了科技部组织的项目验收。突破的关键技术有：国内首次突破了E级重型燃气轮机整机自主设计、制造、试验、应用的关键技术；完成了大流量、增压比为15的15级轴流式压气机的研制；完成了国内首型干式低排放燃烧室的自主设计、制造、全温全压试验，排放指标：NOx为22.3ppm，CO为lppm；完成双层壁结构的4级轴流式透平的设计研制；完成重型燃气轮机的大型压气机盘和透平盘加工制造。

6.QD11燃气轮机。是国家“十一五”863计划先进能源技术领域重点项目，主要用于分布式冷热电联供系统，兼顾移动电站。已完成设计、制造和台架试验，通过了科技部组织的项目验收。该项目突破了高紧凑度、高效率微小型燃气轮机总体设计技术，高效、低噪、宽裕度组合式压气机及基于贫预混的超低污染逆流式燃烧室的设计研制关键技术。

7.QD70+燃气轮机。在QD70系列燃气轮机9级压气机基础上通过加级发展而成，性能达到同档功率国际先进水平，目前已完成压气机的研制和试验验证。性能达到国内领先、国际先进水平。

8.QD400燃气轮机。是以QD185燃气轮机为基础改进发展的大功率间冷循环燃气轮机，充分继承了航机高可靠的核心机部件，新研制了部分低压部件和间冷系统，可用于工业发电、管输动力、船舶动力等领域。QD400燃气轮机突破了间冷循环燃气轮机总体、关键部件、间冷系统、多变量控制等关键技术。实现了我国自主研制的燃气轮机从简单循环到先进循环的跨越。

五、发展自主知识产权燃气轮机存在的问题及建议

1.军用燃气轮机方面，自主知识产权的舰用燃气轮机只有一型小档功率燃气轮机装船应用不久，可靠性还没有得到充分考核；其他燃气轮机正在研制中，且目前存在型谱不完整问题。西方国家可以与其盟国构成完整的谱系，而中国只有靠自己建立军用所需的完整燃气轮机谱系。建议国家持续支持自主知识产权军用燃气轮机研发，完善谱系，加大使用和考核力度，加速成熟。

2.民用燃气轮机方面，自主研发的燃气轮机存在考核力度不够，业绩不足，市场应用不够的问题。如QD70系列、QD185、RO11O和RO11OA燃气轮机由于缺少考核示范点，大大延迟了其进入市场的时间。建议积极推进燃气轮机示范电站建设，加强考核运行，提高自主研发燃机的成熟度；制订优先使用自主知识产权燃气轮机的产业政策，使国产燃气轮机尽快成长为支撑国家能源大转型战略的主力装备，并形成支撑经济发展的高技术产业。

3.目前电气价格倒挂，严重影响了燃气轮机发电企业积极性，影响了能源大转型的进程。我国天然气价格是欧美的2-4倍，建议政府加大改革力度或适当给予补贴，解决电气价格倒挂问题，提高清洁发电企业的积极性。

4.加大能源互联网力度，加快推进燃气轮机发电与可再生能源互补，提高清洁能源利用率；加大分布式能源的推广力度，更好地实现节能减排的目标。

5.我国目前已基本具备研制先进燃气轮机的条件，需要加大支持力度，持之以恒，保证燃气轮机技术持续发展提高，赶上并实现与先进国家齐肩并跑或领跑。如国外低排放燃烧室已从DLN1.0发展到DLN2.0，燃气轮机的性能、可靠性和寿命也在不断提高。建议成立发展基金，推动自主燃气轮机技术不断升级改进。endprint