DQZHAN技術(shù)訊：【長知識】走近工業(yè)性能巨獸 H級燃?xì)廨啓C(jī)你必須了解的幾件事

導(dǎo)讀：H級重型燃?xì)廨啓C(jī)被稱為制造業(yè)的王冠，作為一個(gè)體形龐大的工業(yè)機(jī)械巨獸，它既要追求高效性能，又需考慮經(jīng)濟(jì)效益，這是一種讓制造業(yè)糾結(jié)于魚和熊掌的痛苦。中國航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)兩機(jī)專項(xiàng)已經(jīng)明確把H級燃?xì)廨啓C(jī)在2030年實(shí)現(xiàn)自主研發(fā)作為專項(xiàng)目標(biāo)，同時(shí)，GE攜手哈電集團(tuán)簽署了重型燃機(jī)合資項(xiàng)目協(xié)議，在秦皇島建立燃機(jī)制造基地，專注于包括9H和9F級在內(nèi)的燃機(jī)和部件制造。這個(gè)讓中國魂?duì)繅衾@的工業(yè)性能巨獸，有幾件事情你確實(shí)必須了解。

什么是重型燃?xì)廨啓C(jī)?燃機(jī)不等于重型燃?xì)廨啓C(jī)!

重型燃?xì)廨啓C(jī)屬于燃?xì)廨啓C(jī)中的一種，它的兄弟還包括：航空發(fā)動(dòng)機(jī)、航改燃?xì)廨啓C(jī)、船用燃?xì)廨啓C(jī)、車輛與工業(yè)驅(qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)和各種微型燃?xì)廨啓C(jī)，它們之間的結(jié)構(gòu)和原理相似，因此當(dāng)有人和你談?wù)撊細(xì)廨啓C(jī)的時(shí)候，他口中燃?xì)廨啓C(jī)可能并不一定指重型燃?xì)廨啓C(jī)。

一般來說，重型燃?xì)廨啓C(jī)的出力明顯大于它的這些“兄弟”，主要用于電廠發(fā)電。重型燃?xì)廨啓C(jī)也這些“兄弟”里面迄今為止效率*高的熱-功轉(zhuǎn)換類發(fā)電設(shè)備，其發(fā)電量約占全球發(fā)電總量的22%,而且還在穩(wěn)步增加。重型燃機(jī)的研發(fā)制造水平很大程度上也代表了一個(gè)國家的重工業(yè)水平。目前能獨(dú)立研制重型燃?xì)廨啓C(jī)的國家卻只有美國、德國和日本。研制重型燃機(jī)不僅要強(qiáng)調(diào)性能，還強(qiáng)調(diào)性價(jià)比，必須要能夠真真切切的為電廠帶來效益。

近年來，隨著霧霾的肆掠和頁巖氣**的發(fā)展，國內(nèi)外科技界與產(chǎn)業(yè)界已認(rèn)識到，重型燃?xì)廨啓C(jī)將是21世紀(jì)乃至更長時(shí)期內(nèi)能源高效轉(zhuǎn)換與潔凈利用系統(tǒng)的重要裝備。

什么是H級燃?xì)廨啓C(jī)?H字母背后的技術(shù)意義!

H并不是任何單詞的縮寫，但它是目前全世界*先進(jìn)重型燃?xì)廨啓C(jī)的代號。由于重型燃?xì)廨啓C(jī)的技術(shù)水平主要體現(xiàn)在壓氣機(jī)壓比和透平進(jìn)口燃?xì)鉁囟冗@兩項(xiàng)指標(biāo)上，尤其是透平進(jìn)口溫度直接影響燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)的熱效率，因此國際上通常根據(jù)透平進(jìn)口燃?xì)鉁囟劝阎匦腿細(xì)廨啓C(jī)分為E、F級和H級。

其中，E級重型燃?xì)廨啓C(jī)透平進(jìn)口約1200℃，F(xiàn)級透平進(jìn)口溫度約為1400℃，目前*先進(jìn)的H級透平進(jìn)口溫度達(dá)到1430℃-1600℃。溫度越高，技術(shù)等級越高。

目前全世界*先進(jìn)的H級重型燃?xì)廨啓C(jī)單循環(huán)和聯(lián)合循環(huán)的熱效率已分別超過了40%和60%，是所有熱-功轉(zhuǎn)換發(fā)電系統(tǒng)中效率*高，是*適合大規(guī)模商業(yè)化的發(fā)電方式。2016年6月， GE的H級燃?xì)廨啓C(jī)更是創(chuàng)造了新的吉尼斯世界記錄，機(jī)組聯(lián)合循環(huán)發(fā)電凈效率高達(dá)62.22%。

中國的重型燃?xì)廨啓C(jī)制造處于什么水平?有H級燃?xì)廨啓C(jī)制造能力嗎?

中國的重型燃?xì)廨啓C(jī)就制造來說，基本屬于起步階段。具體一點(diǎn)的來說，就是中國尚無完全自主設(shè)計(jì)制造重型燃?xì)廨啓C(jī)的能力。中國**的一臺(tái)重型燃?xì)廨啓C(jī)R0110處于E+級技術(shù)水平，目前尚處于試運(yùn)行階段，并未在發(fā)電領(lǐng)域完全推廣，目前國內(nèi)所有應(yīng)用重型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電廠全部采用的是國外產(chǎn)品。

其實(shí)，中國的重型燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)業(yè)與國外發(fā)達(dá)國家相比起步也并不晚，建立于20世紀(jì)50年代。在早期階段(1950—1970)，中國在消化吸收許多前蘇聯(lián)技術(shù)，并自主設(shè)計(jì)和制造了200到25000千瓦多種型號的燃?xì)廨啓C(jī)，培養(yǎng)了不少燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)人才和隊(duì)伍，全行業(yè)技術(shù)水平進(jìn)步很快。

但在中期階段(1980—2000)，由于國內(nèi)油氣供應(yīng)嚴(yán)重短缺，國家不允許使用燃油/燃?xì)獍l(fā)電，重型燃機(jī)失去市場需求，全行業(yè)進(jìn)入低潮，國內(nèi)除保留南京汽輪機(jī)廠一家重型燃機(jī)制造廠外，其他制造企業(yè)全部退出，人員和技術(shù)流失，大學(xué)燃機(jī)專業(yè)改行，人才培養(yǎng)和國家研發(fā)投入基本停止，與國際水平差距迅速拉大?，F(xiàn)任上海電氣燃?xì)廨啓C(jī)有限公司總經(jīng)理虎煜，1998年從清華大學(xué)熱能工程系的燃機(jī)專業(yè)畢業(yè)時(shí)，他曾表示當(dāng)時(shí)因?yàn)橹袊娜細(xì)猱a(chǎn)業(yè)已經(jīng)斷代十多年，發(fā)現(xiàn)畢業(yè)后去哪工作都是個(gè)大問題。所以中國的燃?xì)廨啓C(jī)人才基本呈“啞鈴型”，要么老，要么少。

2000年左右，中國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展對電力需求逐步增大，國家組織進(jìn)行了重型燃?xì)廨啓C(jī)的“打捆招標(biāo)”計(jì)劃，耗資約350億元人民幣，采取中外合資、合作或引進(jìn)技術(shù)消化吸收的方式，幫助國內(nèi)相關(guān)企業(yè)掌握重型燃?xì)廨啓C(jī)冷部件制造技術(shù)和少量核心制造技術(shù)。上海電氣、哈爾濱電氣、東方 電氣分別與西門子、GE、三菱三家跨國巨頭合資合作，上海電氣從西門子引進(jìn)了SGT5-4000F燃?xì)廨啓C(jī)、哈爾濱電氣從GE公司引進(jìn)了9FA燃?xì)廨啓C(jī)、東方 電氣從三菱引進(jìn)了M701F燃?xì)廨啓C(jī)，此外南汽還從GE公司引進(jìn)了6B和9E燃?xì)廨啓C(jī)。

近年來，中國更是把重型燃?xì)廨啓C(jī)的研制上升到了一個(gè)戰(zhàn)略高度，“航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)兩機(jī)專項(xiàng)” 經(jīng)過多年論證從今年開始進(jìn)入實(shí)施階段，從國家能源局公布的行動(dòng)路線圖來看，燃?xì)廨啓C(jī)專項(xiàng)的奮斗目標(biāo)已經(jīng)明確，即2020年實(shí)現(xiàn)F級300MW燃機(jī)自主研制、2030年實(shí)現(xiàn)H級400MW燃機(jī)自主研制。

不過，雖然中國尚不能自主研制H級重型燃?xì)廨啓C(jī)，但是也參與了國外公司H級燃?xì)廨啓C(jī)零部件的制造。比如現(xiàn)今世界*大燃機(jī)輪機(jī)——GE 9HA系列燃機(jī)的排氣缸就是由中國宜昌船舶柴油機(jī)公司制造的，這個(gè)部件重達(dá)50噸左右，對工藝要求較高，這也是中國企業(yè)參與世界*先進(jìn)的H級重型燃?xì)廨啓C(jī)制造的一個(gè)縮影。

H級重型燃?xì)廨啓C(jī)是如何研發(fā)的?數(shù)十年技術(shù)的傳承和演化!

H級重型燃?xì)廨啓C(jī)號稱工業(yè)性能巨獸，以GE*新的9HA重型燃?xì)廨啓C(jī)為例， 400噸的重量相當(dāng)于兩頭藍(lán)鯨，約1600℃的透平進(jìn)口溫度幾乎可以融化任何金屬。在實(shí)際使用中，燃?xì)廨啓C(jī)本身還會(huì)有諸多“輔機(jī)”，以支持機(jī)組運(yùn)行等。除了體型龐大，零件眾多，還需“輔機(jī)”之外，發(fā)電行業(yè)還希望燃機(jī)24x7不間斷工作，同時(shí)符合越發(fā)嚴(yán)苛的環(huán)保法規(guī)要求。這一切都需要H級燃?xì)廨啓C(jī)的設(shè)計(jì)與制造無限趨近**——核心部件的精度誤差*多幾十微米。

然而，這樣的工業(yè)性能巨獸并不是**煉成的，每一代新型重型燃?xì)廨啓C(jī)的研制幾乎都是從研制小功率的原型燃?xì)廨啓C(jī)(也稱為母型機(jī)、技術(shù)驗(yàn)證機(jī))入手，突破并掌握產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造核心技術(shù)，然后采用模化放大或縮小的方法，在較短時(shí)期內(nèi)形成同一溫度等級的不同功率的系列化產(chǎn)品的基本型號。這樣做的好處就是：節(jié)省研發(fā)投資、縮短研發(fā)周期、降低公司風(fēng)險(xiǎn)。

例如，原型機(jī)與放大機(jī)型的模化放大系數(shù)為2時(shí)，兩者的功率比將為1:4、轉(zhuǎn)子重量之比則為1:8。從核心技術(shù)研發(fā)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、關(guān)鍵部件性能試驗(yàn)驗(yàn)證、樣機(jī)制造、建設(shè)試驗(yàn)電站完成帶負(fù)荷發(fā)電全過程的總投資則為1:4，這意味著直接研制300MW等級大功率燃機(jī)需要多投資數(shù)億、十幾億美元甚至更多。事實(shí)上，世界燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展歷史上沒有一家成功的企業(yè)是直接研制大功率燃機(jī)起家的。

同一參數(shù)等級的50Hz(3000轉(zhuǎn)/分)和60Hz(3600轉(zhuǎn)/分)燃機(jī)是?；O(shè)計(jì)理論應(yīng)用的典型例子。60Hz燃機(jī)按比例放大1.2倍就得到50Hz燃機(jī)，50Hz燃機(jī)按比例縮小0.8倍就得到60Hz燃機(jī)，兩者熱效率、主機(jī)結(jié)構(gòu)、材料和加工工藝相同，只是功率相差1.44倍。任何一家公司研發(fā)成功了50Hz的燃機(jī)，就等于有了60Hz燃機(jī)，反之亦然。

重型燃?xì)廨啓C(jī)在投入市場后，燃機(jī)廠商仍會(huì)保持新的技術(shù)研發(fā)，來提高熱效率、增加功率、降低污染和提高可靠性，不斷推出該型號的升級版，這就是你為什么會(huì)看到很多燃機(jī)產(chǎn)品有后有“.01”,“.02”，這種改進(jìn)升級過程會(huì)貫穿整個(gè)產(chǎn)品的生命周期，甚至可以長達(dá)幾十年。

H級重型燃?xì)廨啓C(jī)的試驗(yàn)測試有多復(fù)雜?建個(gè)試驗(yàn)臺(tái)就得10多億!

重型燃?xì)廨啓C(jī)在研制出來后，還需要經(jīng)歷大量的試驗(yàn)，這個(gè)試驗(yàn)不是一般的燒錢，基本上這東西燒錢速度比你直接燒錢速度還快，而且試驗(yàn)臺(tái)的本身建設(shè)也耗資巨大。GE 9HA燃?xì)廨啓C(jī)試驗(yàn)臺(tái)就耗資了1.85億美金，工程師在燃機(jī)測試臺(tái)上放置了多達(dá)6000余個(gè)測量儀器和傳感器。此外，GE還打造了可以存儲(chǔ)18萬加侖液化天然氣的儲(chǔ)氣廠和一個(gè)北美*大的鐵路轉(zhuǎn)盤以供運(yùn)輸和測試。

該測試臺(tái)位于美國南卡萊羅納州格林威爾，也是全球**的全速全負(fù)荷專用試驗(yàn)臺(tái)，可以對燃機(jī)部件、系統(tǒng)和機(jī)組進(jìn)行有效的驗(yàn)證和試驗(yàn)。同時(shí)它也是世界**的全尺寸燃機(jī)壓氣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)，它使用壓氣機(jī)作為模擬符合，可以根據(jù)測試要求，進(jìn)行轉(zhuǎn)速和負(fù)荷變化試驗(yàn);可以模擬各種發(fā)電用實(shí)際工況;壓氣機(jī)壓比可控，以滿足燃機(jī)試驗(yàn)的完整分析;大量數(shù)據(jù)可以捕捉燃機(jī)性能的瞬態(tài)變化。

該測試平臺(tái)在離網(wǎng)模式下，沒有轉(zhuǎn)速限制，能對燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行各種深度測試，以了解燃?xì)廨啓C(jī)在滿載和過載工況下的各種行為和性能特性(相當(dāng)于在實(shí)際電廠運(yùn)行8000多個(gè)小時(shí)所歷經(jīng)的各種工況條件，同時(shí)也能模擬一些在實(shí)際電廠現(xiàn)場一般難以遇到的特殊工況)。

而且該試驗(yàn)臺(tái)提供新產(chǎn)品的全貌，產(chǎn)品在前往電站現(xiàn)場點(diǎn)火前就能完成**驗(yàn)證，大大節(jié)省新技術(shù)在現(xiàn)場調(diào)試時(shí)間。此外，還可以為部件的新設(shè)計(jì)和將來的新產(chǎn)品提供試驗(yàn)。

H級重型燃?xì)廨啓C(jī)制造有哪些黑科技? 3D金屬打印、數(shù)字化都有!

與之前的燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)品相比，H級重型燃?xì)廨啓C(jī)采用了更高效的空氣冷卻結(jié)構(gòu)、更先進(jìn)的材料，以及經(jīng)過驗(yàn)證的運(yùn)行靈活性和可靠性。更重要的是，H級重型燃機(jī)擁有更低的單位千瓦生命周期成本，可以給電廠用戶帶來更多的效益，以一個(gè)使用20年的燃機(jī)電廠為例，與市場上同等級的9F燃機(jī)相比，單臺(tái)9HA.01燃機(jī)可節(jié)約燃燒費(fèi)約7.83億元。

特別值得一提的是，3D金屬打印制造工藝也開始應(yīng)用在了重型燃?xì)廨啓C(jī)的制造上。9HA燃?xì)廨啓C(jī)的核心部件燃燒室燃料噴嘴和預(yù)混器就使用了該工藝，從而讓9HA燃機(jī)的DLN2.6+燃燒系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了微孔預(yù)混和全預(yù)混燃燒。這種低氮燃燒技術(shù)可以保證燃料與空氣以更好的比例混合，實(shí)現(xiàn)啟停過程全預(yù)混燃燒模式，不存在擴(kuò)散火焰，滿足超低氮氧化物排放(在*低負(fù)荷至30%的工況下僅有25ppm氮氧化物排放)，并且在燃機(jī)快速增減負(fù)荷不熄火。

3D金屬打印技術(shù)在9HA燃機(jī)關(guān)鍵零部件上的充分應(yīng)用，幫助該型燃機(jī)的功率較傳統(tǒng)制造方法至少增加了1%。不要小看這1%，GE在法國布尚電廠的9HA機(jī)組可以供給大約68萬個(gè)法國家庭的用電需求，也就是說，在原有能耗不變的情況下，這兩個(gè)部件將能把光明帶給額外6800個(gè)家庭。

此外，9HA燃?xì)廨啓C(jī)的另一項(xiàng)重要“黑科技”就是數(shù)字化技術(shù)，GE通過其研制的Predix工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，將物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)等技術(shù)應(yīng)用到了9HA燃機(jī)電廠上，可以給電廠用戶帶來更加豐富和本地化的運(yùn)營體驗(yàn)：可以對燃機(jī)機(jī)組的全壽命周期提供預(yù)警，對機(jī)組故障進(jìn)行診斷和分析以及對機(jī)組的檢修進(jìn)行優(yōu)化等功能。

值得一提的是，其實(shí)當(dāng)年H級燃?xì)廨啓C(jī)還有一項(xiàng)**性的技術(shù)：蒸汽冷卻。這個(gè)概念由美國GE公司在上世紀(jì)90年代率先提出，即用蒸汽替代空氣對透平靜動(dòng)葉片進(jìn)行冷卻，這種冷卻效率極高，可以在相同燃燒室出口溫度的條件下，提高透平第**動(dòng)葉片進(jìn)口溫度約110℃，而金屬材料本身的改進(jìn)一般也就能提高8℃?？上У氖?，由于在實(shí)際商業(yè)運(yùn)營中蒸汽冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，而且蒸汽系統(tǒng)啟動(dòng)慢影響了燃機(jī)調(diào)峰性能等原因，*終各大燃機(jī)廠商還是在實(shí)際產(chǎn)品中選擇了空氣冷卻，GE的9HA燃機(jī)中A字母就是表示空氣(Air)冷卻的意思，也許我們可以在下一代重型燃?xì)廨啓C(jī)中看到蒸汽冷卻技術(shù)的身影。

H級重型燃?xì)廨啓C(jī)的商業(yè)化情況如何?來勢洶洶，成為發(fā)電主力指日可待!

由于H級燃?xì)廨啓C(jī)優(yōu)異的發(fā)電效益，全球H級燃?xì)廨啓C(jī)可謂來勢洶洶，2016年初，H燃機(jī)在北美市場占有率就已經(jīng)超過了50%。

中國尚沒有投入商業(yè)運(yùn)營的H級燃機(jī)電廠。不過2017年3月，中國哈電集團(tuán)已經(jīng)與GE簽署了重型燃機(jī)合資協(xié)議，在河北秦皇島建立燃機(jī)制造基地，共同推進(jìn)重型燃?xì)廨啓C(jī)本土化制造，推動(dòng)中國**制造產(chǎn)業(yè)升級。合資項(xiàng)目將專注于GE 9F及9H級燃機(jī)和部件制造，并通過哈電和GE進(jìn)行銷售。

同時(shí)，GE還拿下了華電天津軍糧城項(xiàng)目的9HA燃機(jī)合同，這是中國大陸的頭個(gè)H級燃?xì)廨啓C(jī)項(xiàng)目。

此外，由上海電氣持股的意大利安薩爾多公司收購了阿爾斯通的H級燃?xì)廨啓C(jī)GT36的相關(guān)技術(shù)，目前也在推進(jìn)H級燃機(jī)的國產(chǎn)化。

*后帶你走進(jìn)一個(gè)H級燃?xì)廨啓C(jī)電廠，來感受下這個(gè)工業(yè)巨獸的魅力吧

巴基斯坦必凱電廠是亞洲頭個(gè)H級重型燃機(jī)電廠，由哈電國際總包，使用2臺(tái)GE 9HA燃?xì)廨啓C(jī)，并于2017年4月一次性通過168小時(shí)滿負(fù)荷可靠性運(yùn)行，成功實(shí)現(xiàn)單循環(huán)投運(yùn)。

必凱電站由中國EPC企業(yè)哈電國際擔(dān)任工程總承包，中國能建中電工程東北院負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)。項(xiàng)目總裝機(jī)容量為118萬千瓦，采用2+2+1的配置，即2臺(tái)GE 9HA燃機(jī)、2臺(tái)余熱鍋爐和1臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī)組。

值得一提的是，該項(xiàng)目是GE**個(gè)雙燃料9HA機(jī)組項(xiàng)目。所謂雙燃料，就是即可以用天然氣作為燃料，也可以用輕油作為燃料，當(dāng)因某種原因暫時(shí)不能使用主要燃料天然氣時(shí)，需要確保燃?xì)廨啓C(jī)可以快速切換到輕油燃料系統(tǒng)，保證發(fā)電。

必凱項(xiàng)目完工后產(chǎn)生的電力可供約250萬戶巴基斯坦家庭使用，為這一大批民眾還飽受電力短缺的國度“雪中送炭”。