国内首台完全自主研发和正向设计的小型燃气轮机

原创 faxian  2018-12-27 09:08:22  阅读 432 次 评论 0 条
摘要:

完成点火测试、全速空载、全速满载等一系列厂内测试,累计运行小时数超过100小时后,首台国产2兆瓦燃气轮机(1兆瓦=1000千瓦)于11月底从位于上海嘉定工业区的上海和兰透平动力技术有限公司发运至上海前滩分布式能源站项目现场,进入示范运行阶段。再通过一系列连续运行考核和现场调试后,上述国内首台完全正向设计的小型燃气轮机方可正式并网、投入商业运营。

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完成点火测试、全速空载、全速满载等一系列厂内测试,累计运行小时数超过100小时后,首台国产2兆瓦燃气轮机(1兆瓦=1000千瓦)于11月底从位于上海嘉定工业区的上海和兰透平动力技术有限公司发运至上海前滩分布式能源站项目现场,进入示范运行阶段。再通过一系列连续运行考核和现场调试后,上述国内首台完全正向设计的小型燃气轮机方可正式并网、投入商业运营。

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(主要为天然气或柴油)的化学能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。作为典型的高新技术密集型产品,燃气轮机的设计、材料和加工等技术门槛极高,是一个国家工业综合实力和科技水平的标志,被誉作“制造业皇冠上的明珠”。与动辄上百吨、单机功率几百兆瓦的重型燃气轮机相比,小型燃气轮机的功率范围一般在0.3兆瓦至20兆瓦之间,可依托于微电网或智能配电网,靠近工业区、商务区等冷热电用户而建,是分布式能源系统中的核心设备。

无论是重型燃气轮机还是中小型燃气轮机领域,全球市场均由为数不多的几家欧美日企业长期把持。过去十多年时间里,中国的燃气轮机自主化之路可谓荆棘遍布:“以市场换技术”的发展路线收效并不理想。在与外方的合作中,中国企业始终被隔绝在核心技术研发之外,被动受限,关键部件也依靠进口。外企的专利封锁加上自身技术基础相对薄弱,很长时间里,中国燃气轮机企业在夹缝中生存。从新机市场到利润更为丰厚的服务市场,外企主机制造商几乎占据了中国燃气轮机市场所有份额。

中国科学院上海高等研究院(下称上海高研院)与上海和兰透平动力技术有限公司(下称和兰透平)的长期联合攻关,正试图在小型燃气轮机的自主化研制上趟出一条新路。

有别于逆向测绘仿制的“正向设计”

燃气轮机由压气机、燃烧室和透平三大部件以及相应的控制系统和辅助系统设施组成。与大型燃气轮机相比,小型燃气轮机虽参数较低、结构上更简单,但“五脏俱全”。以和兰透平此番发运的ZK2000系列燃气轮机为例,涡轮进口温度达1000摄氏度,转速达到24000转/分,发电效率达26%、冷热电联产效率可达90%,核心部件的精度误差最多为0.005mm。差之毫厘谬以千里,这对合金材料和制造工艺提出了挑战。

和兰透平的燃气轮机是科研成果落地转化的产物。追根溯源,其燃气轮机技术源自中国科学院和上海市共建的科研机构中科院上海高研院。据澎湃新闻了解,在高研院正式成立之前,2008年成立的上海中科清洁能源技术发展中心(以下简CCET)先行承担了小型燃气轮机的前期设计任务,于2011年左右完成首款小型燃气轮机的雏形搭建,团队整建制转入高研院,随即启动工程样机研制。此后两年内,该科研团队先后完成燃气轮机关键部件研制与试验以及整机试验与性能测试。

为继续推进技术工程化与示范,2015年8月在上海市战略性新兴产业资金的支持下,和兰透平公司成立,高研院、CCET与和兰透平共同签署技术转让协议,转让“MW级全径流式燃气轮机”有关的所有专利、专有技术及相关配套技术。上海高研院继续提供理论、技术支持,多方合力推动小型燃气轮机产业化。

“相比于其它叶轮机械,燃气轮机研发的难点在于其高温和高速旋转的工作环境。在高温工况下,关键零部件会因热膨胀和离心力作用而变形。”上海高研院副院长、和兰透平首席科学家黄伟光博士对澎湃新闻(www.thepaper.cn)介绍说,如何使得设备的冷态设计在动平衡下能够满足热态参数要求,是其中的关键。比如,运行状态下压气机的转动件和静止件的间隙仅为0.2毫米,但该尺寸只有在满转速运行状态下、温度达到热平衡之后才能实现,且压气机叶轮叶片在热膨胀后会弯曲。这意味着,在设备设计中必须由热态参数推算出冷态时的加工和装配尺寸。

要解决上述问题,一种常用的做法是不对冷热态参数作分析推导,直接拿国外机组进行测绘。知其然而不知其所以然,是长期横亘在燃气轮机国产化面前的一大障碍。“这种逆向设计在本质上就是仿制,需要不断修改参数来试错逆推,不仅试错成本极高,而且很容易触及专利问题。”黄伟光称,和兰透平在设计研发过程中,全部零部件均采用了正向设计,也即先设计热态产品参数,再从中撇除热膨胀、离心力带来的变形等影响因素,折合得出冷态坐标数据进行加工。

此前,中国曾通过“打捆招标”方式引进了E、F级重型燃气轮机的制造技术。但据澎湃新闻了解,上述中外企业合作过程并不涉及燃气轮机设计研发合作。也就是说,中国企业只能采用来图加工方式完成制造和销售,却无法参与联合研发,更别说涉足利润更为丰厚的燃气轮机服务环节。

黄伟光认为,燃气轮机的可靠性在于研发人员真正搞明白每个环节每个数据,能解释每张图纸和每份数据,使一切做到“可量化”、“可追溯”。燃气轮机行业有句名言,“Devil is in details! 一切尽在细节中。”

燃气轮机所涉学科和行业颇多,属于牵引带动性产业,其发展对于高温材料、精密铸造等都具有推动作用。在材料方面,大口径的高温合金棒材属于对我国禁运的材料,为此,和兰透平联合国内顶尖科研机构研制出适用于小燃气轮机的高温合金材料。在高温叶片制造方面,和兰透平提供需求和标准,培育了合格供应商。

截至目前,和兰透平自主研发生产的小型燃气轮机已在保利协鑫苏州蓝天(ZK1200)、上海科技大学能源中心(ZK1200)、国电投上海前滩新能源公司(ZK2000)开展示范运行。据介绍,其下一步的研发计划是围绕2兆瓦产品,逐步提高涡轮前温度,结构从全径流过渡到全轴流,基于简单循环机型发展回热循环机型和双燃料机型,形成600千瓦、2兆瓦、8兆瓦系列产品。

上海的燃气轮机产业始终走在全国前列,目前已形成覆盖多个功率范围的燃气轮机产品研制能力,逐渐建立起从部件供应到整机设计、制造、维修和应用的全产业链。除专注小型燃气轮机研发的和兰透平外,在重型燃气轮机领域,国内最大综合性装备制造集团之一上海电气在2014年以4亿欧元竞得欧洲老牌燃气轮机制造商意大利安萨尔多公司40%股份。通过与安萨尔多的合作研发,以及间接收购阿尔斯通燃气轮机技术,上海电气是是国内同时拥有H级、F级、小F级和E级(含低热值燃气轮机)技术的重型燃气轮机设备供应商。


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