中國燃氣輪機的發展現狀

燃氣輪機具有功率大、尺寸小、質量輕、起動迅速、加速性和機動性好、壽命長（幾千甚至上萬小時，而柴油機只能工作幾百或幾千小時）、操作簡單、維修方便、工作可靠、滑油消耗少、水下低頻噪聲小，以及采用箱裝體結構可快速更換等諸多優點，對國家國防安全與能源安全、改善能源結構和環境可持續發展有著重要的戰略意義。

我國燃氣輪機的發展現狀

我國燃氣輪機產業發展始于20世紀50年代末，主要分散在航空、航天、機械、船舶等多個工業系統。由于多種原因，我國燃氣輪機產業發展緩慢，其技術與國際先進水平差距很大。目前，國際上已發展了三代燃氣輪機，部分第四代高效燃氣輪機已經投入使用，而我國在研的機組多停留在第三代機組的水平，可靠性還有待進一步提升。目前，國內燃氣輪機市場基本被國外燃氣輪機產品壟斷：重型燃氣輪機主要為GE、西門子和三菱重工等公司的產品；中小型工業用燃氣輪機主要為GE、羅羅、索拉等公司的產品；船用燃氣輪機通過技術引進和自主研制，取得一定進展但仍與國際先進水平差距明顯；國產工業用微型燃氣輪機機組也近乎空白。

鑒于燃氣輪機在國防和能源裝備領域的重要戰略意義，我國必須開發具有自主知識產權的燃氣輪機產品。近年來，隨著國家經濟、科技和工業水平的提高，尤其是數型航空發動機的設計定型，我國自主發展航改燃氣輪機的條件已經具備。2016年全面啟動的航空發動機和燃氣輪機國家科技重大專項，更為燃氣輪機的自主發展帶來了重大機遇。

中國航發燃氣輪機發展途徑

隨著我國自主研發、擁有自主知識產權的航空發動機的研發成功，中國航空發動機集團有限公司（中國航發）在2001年和2002年相繼成功研制了QD70和QD128兩型航改輕型燃氣輪機。

目前，中國航發擁有的自主研發燃氣輪機產品有功率等級涵蓋5～40MW的輕型燃氣輪機和110MW的重型燃氣輪機，并按照國際發展燃氣輪機的成功道路，確定了自主系列化發展燃氣輪機的技術路線，具體如下：

• 在航空發動機基礎上衍生發展中檔功率QD128燃氣輪機，并開展低排放技術研究；

• 在航空發動機基礎上衍生發展小檔功率QD70燃氣輪機，在QD70燃氣輪機基礎上分別衍生發展出小檔功率船用燃氣輪機和QD70A發電用燃氣輪機，在QD70A燃氣輪機基礎上發展出雙燃料QD70B燃氣輪機、備用電源用QD70C燃氣輪機、功率增大型QD70+燃氣輪機以及通過新研低壓系統發展中檔功率QD185燃氣輪機，在QD185基礎上加間冷系統發展大檔功率間冷循環QD400燃氣輪機；

• 在R0110重型燃氣輪機的基礎上發展燃用中低熱值燃料的R0110A，通過R0110A燃燒室和渦輪改進并結合QD70+燃氣輪機壓氣機相似放大發展F級重型燃氣輪機，同時開展干低排放技術研究；

• 在微型燃氣輪機QD11基礎上開展回熱研究。

中國航發民用燃氣輪機的主要產品

QD128燃氣輪機

QD128燃氣輪機（如圖1所示）是在航空發動機基礎上衍生發展的我國首臺具有完全自主知識產權的中檔功率輕型燃氣輪機，使我國擁有完全自主知識產權的燃氣輪機實現了從無到有這一歷史性的跨越，它為三軸、分軸、后輸出結構，可用作工業發電（熱電聯供、應急電源、分布式能源等）和管道增壓。該燃氣輪機成熟可靠，累計運行3.1萬小時，現有確認意向訂單共20臺套，國外用戶12臺套。QD128燃氣輪機如用于冷熱電三聯供，總能利用率可達到84%以上。

圖1??QD128燃氣輪機及其主要性能參數

QD128在研制過程中突破了以下幾種關鍵技術：初步建成了航改燃氣輪機總體設計技術；在國內率先突破了中檔功率航改燃氣輪機燃氣發生器改進設計技術，燃氣發生器成本降低了20%以上，翻修壽命達到12000小時；長壽命、高可靠動力渦輪研制技術取得重大突破，兩級渦輪效率為0.91，達到國際先進水平；國內首創自主研發了控制、起動、燃料、清洗、測試等燃氣輪機的輔機系統，起動系統和燃油調節系統，價格為國際同類產品的70%，控制系統主要技術指標達到了國際主流產品水平。

QD70系列燃氣輪機

QD70系列燃氣輪機是以航空發動機核心機為基礎，自主研制的7MW級燃氣輪機，為雙軸、分軸、前輸出結構。QD70A燃氣輪機（如圖2所示）燃料為天然氣，可用于發電和機械驅動，相繼在河南濮城電站和四川開江電站并網發電，累計運行3369物理小時；QD70B是在QD70A的基礎上開發的適用于海上平臺的雙燃料燃氣輪機，已經累計完成超過600多小時的考核試驗；QD70C是在QD70A的基礎上，針對通信行業大功率應急備用電源需求而開發的，不僅可作為6MW級互聯網數據中心（IDC）機房應急備用電源機組的核心動力裝置，經多臺并機后，還可作為超大型IDC機房備用電源機組的配套動力裝置。QD70C機組各項參數經試驗驗證滿足YD/T1269行業標準的要求，已經獲得信息產業通信電源產品質量監督檢驗中心的認證。QD70系列機組已累計運行超過1萬小時。

圖2? QD70A燃氣輪機和QD70系列燃氣輪機的主要性能參數

QD70系列在研制過程中突破了以下幾種關鍵技術：在原航空發動機基礎上，完成了地面燃氣輪機的整機尋優匹配和部件優化設計；采用刷式封嚴技術，提高了燃氣輪機低狀態的封嚴效果，改善了整機性能；新研了電起動和液壓起動兩種裝置，可滿足不同用戶使用需求；突破了航改燃氣輪機雙燃料燃燒室設計、氣/液雙燃料切換和混燒技術；突破了雙軸燃氣輪機用于應急電源改進設計和整機調試技術。

QD185燃氣輪機

QD185燃氣輪機（如圖3所示）是在QD70A燃氣輪機的基礎上自主研制的18MW級輕型燃氣輪機，為三軸、分軸、后輸出結構。其核心機繼承原航空發動機結構，新匹配設計了低壓系統和動力渦輪，可用于船舶動力、工業發電、管線增壓等領域。該型燃氣輪機已經投入使用。

圖3? QD185燃氣輪機及其主要性能參數

QD185在研制過程中突破了以下幾種關鍵技術：突破了中檔功率燃氣輪機總體設計技術，實現系列化發展；新研5級大裕度低壓壓氣機，設計點絕熱效率為0.903，達到國際先進水平；在航空發動機基礎上，改進設計低壓渦輪；新研效率為0.935、設計壽命10萬小時的3級動力渦輪，達到國際先進水平。

R0110燃氣輪機

R0110燃氣輪機（如圖4所示）是國家高技術研究發展計劃（863計劃）“十五”重大專項發展項目，是我國第一臺自主研發、擁有自主知識產權的E+級重型燃氣輪機，主要用于單獨或聯合循環的基本負荷供電或尖峰負荷調峰使用，已通過了科技部組織的項目驗收。R0110重型燃氣輪機及其機組在中海油深圳電力有限公司滿負荷累計運行1600物理小時，等效運行時間達到6000小時。在R0110重型燃氣輪機基礎上，開展了燃用中低熱值燃料的R0110A重型燃氣輪機的研制工作，可用于整體煤氣化聯合循環發電（IGCC）電站，R0110A燃氣輪機功率126MW，熱效率36.6%，目前已完成廠內全速空載調試試驗。

圖4?? R0110燃氣輪機及其主要性能參數

R0110在研制過程中突破了以下幾種關鍵技術：突破重型燃氣輪機總體設計技術，國內首次走完重型燃氣輪機自主研制應用的全過程；完成了大流量、增壓比為14.8的15級軸流式壓氣機的研制；完成了國內首型干式低排放燃燒室設計、制造、全溫全壓試驗；完成雙層壁結構的4級軸流式渦輪的研制；完成重型燃氣輪機的大型壓氣機盤和渦輪盤加工制造。

中國航發“三輕一重”燃氣輪機產品發展規劃

QD70燃氣輪機

QD70系列燃氣輪機以成為中國航發第一型具有市場影響力、創品牌的產品為目標。作為常規分布式發電QD70燃氣輪機技術已達到生產階段，下一步主要是市場的推廣和應用；作為海上平臺發電用QD70燃氣輪機初步具備小批量領先使用條件。在“十三五”和“十四五”期間，QD70系列燃氣輪機力爭2020年完成低排放燃燒技術在整機上的工程驗證，2022年實現低排放技術在燃氣輪機上的應用，并在2025年前實現批量生產。

QD185燃氣輪機

QD185燃氣輪機以成為“以民促軍”應用的典范為目標，通過工業用燃氣輪機成熟應用為15MW船用燃氣輪機研制立項奠定基礎。2020年前，工業型實現“首臺套”應用，船用型形成工程驗證機；2025年前，工業型實現小批生產，船用型完成研制。

具體在2018—2023年，實現兩個目標：第一，實現QD185燃氣輪機首批商業化銷售、維護保障及示范運行，為拓展市場奠定基礎；第二，在實現銷售的同時，及時開展低排放、雙燃料及成套等關鍵技術深化研究及應用，并努力落實燃氣輪機降低成本、提高可靠性、易于維修等客戶需求，提高QD185燃氣輪機在國內燃氣輪機市場的競爭力。

R0110燃氣輪機

通過故障技術問題梳理和機組改進設計，力爭2020年完成機組修復，實現在海油深電恢復運行，即2020年前實現“首臺套”示范。

開展低排放燃燒、遠程監控預警及故障診斷系統設計技術研究與驗證。2021年完成排放燃燒技術、遠程監控預警及故障診斷技術在整機上的驗證。進而推動燃氣輪機實現市場銷售和批量生產，成為集團燃氣輪機產業發展的支柱產品和國內自主研制重型燃氣輪機典范。2025年實現小批量生產，即中低熱值機組實現“首臺套”應用。

QJ/QD280燃氣輪機

QJ/QD280是30MW級的燃氣輪機，作為管道增壓用QJ280已完成燃氣輪機試制，但仍處于科研階段，技術成熟度6級。作為發電用QD280燃氣輪機正在開展動力渦輪研制，技術成熟度4級。

因此，對于QJ/QD280燃氣輪機，需要促進增壓、發電機組成熟和應用，并通過突破動力渦輪制造技術為實現整機交付奠定基礎，于2020年前實現“首臺套”應用，于2025年前實現批量生產。

?結束語

我國燃氣輪機技術的發展必須立足于國內，堅持自主研制開發，打破國外技術封鎖，避免受制于人。中國航發已經具備自主研發先進燃氣輪機的條件和能力，依靠航空技術優勢，按照“生產一代、研制一代、預研一代、探索一代”的可持續發展模式，通過多年努力，形成了“航燃并舉、輕重兼顧、系列發展”的良好局面，建立了燃氣輪機自主發展的態勢。如今中國航發燃機公司蓄勢待發，在不久的將來，中國自主研制的燃氣輪機將終結國外產品的壟斷，為我國能源與國防安全奠定固本發展的基礎。

（周建華，中國航發動力所副總師，研究員，主要從事燃氣輪機總體設計）

原文鏈接
https://www.aerospacepower.cn/article/254

查看完整報告：

201902 期刊-中國航發燃氣輪機發展現狀-《航空動力》.pdf