前言
重型燃?xì)廨啓C(jī)是發(fā)電設(shè)備的高端裝備，其技術(shù)含量和設(shè)計(jì)制造難度居所有機(jī)械設(shè)備之首，是機(jī)械制造行業(yè)的金字塔頂端，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和能源電力工業(yè)中有重要的戰(zhàn)略地位。目前燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電已經(jīng)達(dá)到全球發(fā)電總量的五分之一（歐美國(guó)家已超過(guò)三分之一），最先進(jìn)的H/J級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)單循環(huán)和聯(lián)合循環(huán)效率已經(jīng)達(dá)到40%—41%和60%—61%，為所有發(fā)電方式之冠。燃用天然氣的燃機(jī)電站污染排放極低，二氧化碳比排放量是超臨界燃煤電站的約一半，大力發(fā)展天然氣發(fā)電是包括我國(guó)在內(nèi)的世界各國(guó)保護(hù)環(huán)境和落實(shí)《巴黎協(xié)定》減少溫室氣體排放的主要措施之一。
我國(guó)黨和政府對(duì)發(fā)展重型燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)業(yè)高度重視，航空發(fā)動(dòng)機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)（簡(jiǎn)稱(chēng)兩機(jī)專(zhuān)項(xiàng)）從今年開(kāi)始進(jìn)入實(shí)施階段，已經(jīng)列為“十三五”發(fā)展計(jì)劃中我國(guó)要實(shí)施的100項(xiàng)重點(diǎn)任務(wù)之首。
從1939年世界第一臺(tái)發(fā)電用重型燃?xì)廨啓C(jī)誕生以來(lái)，經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)技術(shù)進(jìn)步和企業(yè)重組，GE、西門(mén)子和三菱公司各自形成了完整的技術(shù)體系和產(chǎn)品系列并壟斷了全球市場(chǎng)。重型燃?xì)廨啓C(jī)的研發(fā)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，技術(shù)難度很高、研發(fā)投資巨大、實(shí)施周期很長(zhǎng)，一旦決策失誤，輕則造成不同程度的經(jīng)濟(jì)和市場(chǎng)份額損失，重則有可能使公司陷入危機(jī)甚至導(dǎo)致公司破產(chǎn)（被兼并）。這三家公司技術(shù)上成功的基本經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)是什么？這些經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)對(duì)我國(guó)燃?xì)廨啓C(jī)行業(yè)自主創(chuàng)新有什么啟示？什么是我國(guó)燃?xì)廨啓C(jī)行業(yè)自主創(chuàng)新應(yīng)當(dāng)遵循的科學(xué)合理的技術(shù)路線？這是我國(guó)燃?xì)廨啓C(jī)全行業(yè)共同面臨的問(wèn)題。
世界重型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展歷程綜述
1939年在瑞士BBC公司誕生了世界第一臺(tái)發(fā)電用重型燃?xì)廨啓C(jī)，標(biāo)志著發(fā)電行業(yè)由汽輪機(jī)進(jìn)入了燃?xì)廨啓C(jī)時(shí)代。七十多年來(lái)世界重型燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展大致可分為五個(gè)階段：
誕生階段（1939—1950年代末期）：重型燃?xì)廨啓C(jī)剛剛誕生，僅BBC公司進(jìn)行研發(fā)，產(chǎn)品功率?。ú怀^(guò)4MW）、燃?xì)鉁囟鹊停ú怀^(guò)800℃）、熱效率低于20%。二戰(zhàn)期間發(fā)展停滯。
早期階段（1950年代—1970年代末期）：二戰(zhàn)結(jié)束后美國(guó)GE公司、德國(guó)西門(mén)子公司先后開(kāi)始研制重型燃?xì)廨啓C(jī)，走的是原始創(chuàng)新的技術(shù)路線。三菱公司從1960年代開(kāi)始研制重型燃?xì)廨啓C(jī)，走的是引進(jìn)技術(shù)消化吸收再創(chuàng)新的路線。三家公司在1970年代后期都完成了原型燃機(jī)（功率25MW以下）的研制，燃?xì)鉁囟冗_(dá)到1000℃，效率約26%。研制原型燃機(jī)的主要目的是突破并掌握核心技術(shù)、選定燃機(jī)主機(jī)基本結(jié)構(gòu)特別是轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、建立試驗(yàn)設(shè)備和培養(yǎng)人才。
全球市場(chǎng)第一階段（1980年代—1990年代中期）：E 級(jí)技術(shù)發(fā)展和成熟期。1980年代初推出的E級(jí)基本型號(hào)單機(jī)功率為31—105MW（50Hz，下同）、燃?xì)鉁囟冗_(dá)到1100℃、效率約30%；到1990年代中期單機(jī)功率增加到37—130MW、燃?xì)鉁囟冗_(dá)到1200℃，效率約32%，成為全球重型燃?xì)廨啓C(jī)市場(chǎng)主流產(chǎn)品。從1978—1995年，全球1MW級(jí)以上發(fā)電燃?xì)廨啓C(jī)（注：25MW以下是航改型燃機(jī)和小功率燃機(jī)，25MW以上是重型燃機(jī)為主）共銷(xiāo)售近九千臺(tái)，總功率為7.3億千瓦，世界燃?xì)廨啓C(jī)市場(chǎng)開(kāi)始形成。
全球市場(chǎng)第二階段（1990年代中期—2010年）：F級(jí)技術(shù)發(fā)展和成熟期。1990年代中期推出的基本型號(hào)單機(jī)功率225—235MW、燃?xì)鉁囟葹?320—1350℃、效率約34%；到2010年單機(jī)功率增加到285—300MW、效率36%—37%，F(xiàn)級(jí)燃機(jī)取代E級(jí)成為全球市場(chǎng)主流產(chǎn)品。在1996—2010年間全球1MW以上發(fā)電燃?xì)廨啓C(jī)共銷(xiāo)售近1.3萬(wàn)臺(tái)，總?cè)萘客黄?0億千瓦。2010年燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電接近全球發(fā)電總量的20% ，成為全球發(fā)電行業(yè)不可或缺的重要組成部分。
全球市場(chǎng)第三階段（2010年至今）： H/J 級(jí)技術(shù)出現(xiàn)并在發(fā)展中。目前市場(chǎng)上H/J級(jí)燃機(jī)單機(jī)功率達(dá)到400—520MW、燃?xì)鉁囟冗_(dá)到1550—1600℃，熱效率達(dá)到40%—41%。2015年H/J燃機(jī)在北美市場(chǎng)占有率接近一半，全球H/J級(jí)時(shí)代正在到來(lái)。天然氣發(fā)電占全球發(fā)電總量超過(guò)20%而且穩(wěn)步上升，世界能源組織預(yù)測(cè)到2030年這一比例將達(dá)到25%以上。
三大外國(guó)燃機(jī)公司技術(shù)路線的共性規(guī)律和工程應(yīng)用實(shí)例
三大外國(guó)公司技術(shù)路線的共性規(guī)律
盡管GE、西門(mén)子和三菱公司的技術(shù)路線不相同，各家燃機(jī)系列產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和技術(shù)特征也有很大差別，但是在系列產(chǎn)品研發(fā)的技術(shù)路線上卻遵循著共同的原則：
?。?）從研制小功率的原型燃?xì)廨啓C(jī)（也稱(chēng)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(jí)的不同功率的系列化產(chǎn)品的基本型號(hào)。之所以從小功率的原型機(jī)起步原因非常簡(jiǎn)單：節(jié)省研發(fā)投資、縮短研發(fā)周期、降低公司風(fēng)險(xiǎn)。同一參數(shù)等級(jí)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。
在?；糯笙禂?shù)為2時(shí)，原型機(jī)與放大機(jī)型功率比為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(guò)程的總投資大體也是1:4，這意味著直接研制300MW 等級(jí)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(méi)有一家成功的企業(yè)是直接研制大功率燃機(jī)起家的。
（2）某個(gè)產(chǎn)品基本型號(hào)一旦進(jìn)入市場(chǎng)，就要持續(xù)研發(fā)新技術(shù)提高其熱效率、增加功率、降低污染和提高可靠性，不斷推出升級(jí)版形成系列產(chǎn)品。這個(gè)改進(jìn)升級(jí)過(guò)程貫穿該型號(hào)的整個(gè)生命周期，可以長(zhǎng)達(dá)幾十年。技術(shù)升級(jí)的原則是漸進(jìn)式改良，以確保每一個(gè)升級(jí)版在市場(chǎng)上獲得成功，公司持續(xù)盈利，逐步形成有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的、完整的系列化產(chǎn)品。
2.模化設(shè)計(jì)方法工程應(yīng)用實(shí)例
GE公司F級(jí)燃機(jī)產(chǎn)品系列開(kāi)發(fā)開(kāi)始于1980年初期，在1970年代成功研發(fā)E級(jí)技術(shù)和產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，對(duì)壓氣機(jī)、燃燒室和透平三大部件進(jìn)行了升級(jí)改進(jìn)，首先研發(fā)的60Hz（3600轉(zhuǎn)/分）基本型號(hào)7FA，首臺(tái)樣機(jī)于1988年完成總裝并開(kāi)始帶負(fù)荷試驗(yàn)，燃機(jī)功率147MW，熱效率34.2%；三年后（1991年）把7FA 燃機(jī)放大1.2倍就推出9FA（50Hz）的基本型，燃機(jī)功率226MW，熱效率35.6%。根據(jù)市場(chǎng)需要1996年把7FA縮小0.69倍就得到6FA的基本型（70MW，效率34.2%）。過(guò)去三十年間GE公司不斷推出6FA、7FA和9FA的升級(jí)型，組成了GE公司F系列燃機(jī)主打產(chǎn)品，僅9FA系列產(chǎn)品就在全世界銷(xiāo)售了1100臺(tái)，累計(jì)運(yùn)行超過(guò)了5000萬(wàn)點(diǎn)火小時(shí)。
西門(mén)子F級(jí)燃機(jī)產(chǎn)品研制也開(kāi)始于1980年代，原型燃機(jī)V64.3A于1989年研發(fā)成功投入運(yùn)行，燃機(jī)功率53MW，熱效率34%；兩年后（1991年）把V64.3A?；糯?.5倍發(fā)展出V84.3A（60Hz）的基本型，燃機(jī)功率128MW，熱效率35.4%；三年后（1992年）把V64.3A燃機(jī)模化放大1.8倍發(fā)展V94.3A（50Hz）的基本型，燃機(jī)功率184MW，熱效率35.4%。
3.產(chǎn)品的持續(xù)升級(jí)和改進(jìn)
重型燃?xì)廨啓C(jī)研發(fā)研制投入資金多、周期長(zhǎng)，但一旦研發(fā)成功后產(chǎn)品的生命周期很長(zhǎng)，保持產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵是不斷推出該產(chǎn)品的升級(jí)版。升級(jí)的目標(biāo)是不斷提高熱效率（主要措施是提高燃?xì)鉁囟炔⑾鄳?yīng)提高壓氣機(jī)壓比）、增加機(jī)組出力（主要措施是增大壓氣機(jī)進(jìn)口流量）、降低污染物排放和提高運(yùn)行可靠性。這就必須不斷研發(fā)新技術(shù)，并且逐步把經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證的新技術(shù)用到升級(jí)版產(chǎn)品上。這是風(fēng)險(xiǎn)很大的創(chuàng)新過(guò)程，稍有不慎就會(huì)帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)損失并丟失市場(chǎng)。
GE公司1975—2015三十年中E和F級(jí)燃機(jī)性能不斷升級(jí)，1975年6B燃機(jī)基本型功率為31MW、效率30%，三十年間推出8個(gè)升級(jí)版，功率增加到43MW、效率提高到34%；1975年9E基本型號(hào)功率105MW、效率32%，三十年間推出7個(gè)升級(jí)型號(hào)，功率增加到145MW，效率提高到37%；1989年9FA基本型功率為226MW、熱效率35.6%，二十多年間推出5個(gè)升級(jí)型號(hào)，最新版功率達(dá)到342MW，熱效率41%。
三菱公司M701F、西門(mén)子公司V94.3A也完成了類(lèi)似的升級(jí)過(guò)程。這兩家公司經(jīng)過(guò)二十多年持續(xù)不斷的改進(jìn)，把燃機(jī)的功率從最初基本型的234—240MW增加到了310—340MW，熱效率由36%提高到40—41%，與GE公司基本相當(dāng)。
世界重型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展歷史上的主要教訓(xùn)
世界重型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展的歷史中也不乏決策失誤造成不同程度的經(jīng)濟(jì)和市場(chǎng)份額損失，嚴(yán)重的則使公司陷入危機(jī)。本文僅舉3例：
原Alstom公司GT24/26燃機(jī)高壓透平靜葉片冷卻設(shè)計(jì)事故
原Alstom公司在1990年代與GE、西門(mén)子和三菱公司基本同時(shí)推出F級(jí)燃機(jī)GT24（60Hz）和GT26（50Hz）并進(jìn)入市場(chǎng)，成為當(dāng)時(shí)國(guó)際上四家具有F級(jí)產(chǎn)品的公司之一。但是2000年前后所有投運(yùn)機(jī)組的高壓透平第一級(jí)靜葉上端壁嚴(yán)重變形導(dǎo)致高溫燃?xì)庑孤?，迫使機(jī)組停機(jī)不能正常發(fā)電，經(jīng)分析是設(shè)計(jì)缺陷。于是所有用戶都向Alstom公司索賠，總金額接近10億歐元，公司陷入嚴(yán)重危機(jī)，迫使當(dāng)時(shí)法國(guó)政府出手相救，公司才勉強(qiáng)度過(guò)危機(jī)。當(dāng)時(shí)正值我國(guó)啟動(dòng)打捆招標(biāo)，Alstom公司原本是邀請(qǐng)參與投標(biāo)外國(guó)公司之一，因?yàn)檫@個(gè)事故被我國(guó)招標(biāo)機(jī)構(gòu)取消了投標(biāo)資格，失去了進(jìn)入我國(guó)市場(chǎng)的機(jī)會(huì)。盡管Alstom公司改進(jìn)了設(shè)計(jì)幾年后推出了GT24A和GT26A，但是世界F級(jí)燃機(jī)市場(chǎng)已經(jīng)被GE、西門(mén)子和三菱公司基本瓜分完畢，從此Alstom公司燃機(jī)業(yè)務(wù)一蹶不振，最終在去年被GE公司收購(gòu)。
透平葉片蒸汽冷卻技術(shù)退出市場(chǎng)
1990年代GE公司提出透平葉片閉式循環(huán)蒸汽冷卻新概念，即用蒸汽替代空氣對(duì)透平靜動(dòng)葉片進(jìn)行冷卻，并且回收重復(fù)使用。按照GE公司公布的宣傳材料，在相同燃燒室出口溫度的條件下閉式蒸汽冷卻可以提高透平第一級(jí)動(dòng)葉片進(jìn)口溫度200F(110℃），這意味著燃?xì)廨啓C(jī)冷卻技術(shù)的革命性創(chuàng)新。在美國(guó)政府支持下GE公司進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)十年的應(yīng)用基礎(chǔ)研究以及核心技術(shù)研發(fā)和試驗(yàn)驗(yàn)證，2003年率先推出了采用閉式循環(huán)蒸汽冷卻透平靜葉和動(dòng)葉片的H級(jí)燃機(jī)產(chǎn)品，并且在英國(guó)建立了首個(gè)示范電站。但是運(yùn)行實(shí)踐證明，由于閉式蒸汽冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜、蒸汽系統(tǒng)啟動(dòng)慢影響燃機(jī)調(diào)峰性能等原因，十年后的2013年GE公司最終宣布放棄閉式蒸汽冷卻。與此同時(shí)，另外兩家競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手并沒(méi)有盲目跟進(jìn)，西門(mén)子公司在其H級(jí)燃機(jī)中堅(jiān)持采用開(kāi)式空氣冷卻系統(tǒng)，并于2007年率先推出了世界首臺(tái)H級(jí)重型燃?xì)廨啓C(jī)STG5-8000H（50Hz）；三菱公司只在G級(jí)（1500℃）燃機(jī)的燃燒室過(guò)渡段嘗試過(guò)閉式蒸汽冷卻技術(shù)，經(jīng)過(guò)約十年的研發(fā)和工程實(shí)踐最終宣布放棄了；而三菱公司在J級(jí)燃機(jī)中仍然采用開(kāi)式空氣冷卻系統(tǒng)，并且在2011年推出了M501J（60Hz），其燃?xì)鉁囟雀哌_(dá)1600℃，為世界之最。雖然GE公司憑借其雄厚實(shí)力近年推出了空氣冷卻技術(shù)的9HA.01(429MW)和9HA.02（519MW）系列產(chǎn)品，但長(zhǎng)期蒸汽冷卻技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)品研制浪費(fèi)了大量的人力物力財(cái)力特別是多年的寶貴時(shí)光，被競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手“彎道超車(chē)”，教訓(xùn)是深刻的。
西門(mén)子公司三代燃機(jī)三代不同燃燒室
西門(mén)子公司燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室繼承了歐洲傳統(tǒng)，最早是一個(gè)置于主機(jī)上方的大尺寸單筒結(jié)構(gòu)，后來(lái)在E級(jí)燃機(jī)（V84.2和V94.2）中發(fā)展為對(duì)稱(chēng)布置在主機(jī)兩側(cè)的兩個(gè)燃燒室。當(dāng)燃?xì)鉁囟壬叩紽級(jí)時(shí)發(fā)現(xiàn)無(wú)法解決兩個(gè)燃燒室導(dǎo)致透平全周溫度的不均勻，于是研發(fā)了環(huán)形燃燒室并獲得成功（V64.3A、V84.3A和V94.3A）。當(dāng)溫度升高到H級(jí)時(shí)，發(fā)現(xiàn)環(huán)形燃燒室無(wú)法解決燃燒穩(wěn)定性（熱聲振蕩）問(wèn)題，又研發(fā)了多管型燃燒室，形成了目前E、F、H三代燃機(jī)三代結(jié)構(gòu)完全不同的燃燒室的局面。這個(gè)問(wèn)題是原型燃機(jī)燃燒室的技術(shù)升級(jí)空間不足造成的，在當(dāng)時(shí)條件下預(yù)測(cè)燃燒室的技術(shù)升級(jí)空間是極其困難的。但是這一教訓(xùn)提醒我們，在選擇原型燃機(jī)燃燒室（包括其他主要部件）結(jié)構(gòu)時(shí)，必須充分考慮其繼續(xù)升級(jí)的技術(shù)可行性。
啟示
按照黨中央國(guó)務(wù)院的部署，兩機(jī)專(zhuān)項(xiàng)經(jīng)過(guò)多年論證從今年開(kāi)始進(jìn)入實(shí)施階段。燃機(jī)專(zhuān)項(xiàng)的戰(zhàn)略目標(biāo)是建立我國(guó)燃?xì)廨啓C(jī)自主創(chuàng)新的技術(shù)體系和有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)業(yè)體系，從根本上改變我國(guó)燃?xì)廨啓C(jī)行業(yè)大大落后于世界先進(jìn)水平的被動(dòng)局面，實(shí)現(xiàn)我國(guó)燃?xì)廨啓C(jī)行業(yè)六十年來(lái)一直追求的夢(mèng)想。
燃?xì)廨啓C(jī)專(zhuān)項(xiàng)的奮斗目標(biāo)已經(jīng)明確，即2020年實(shí)現(xiàn)F級(jí)300MW燃機(jī)自主研制、2030年實(shí)現(xiàn)H級(jí)400MW燃機(jī)自主研制，為實(shí)現(xiàn)這一奮斗目標(biāo)我國(guó)燃?xì)廨啓C(jī)制造企業(yè)和科技界已經(jīng)行動(dòng)起來(lái)，但是技術(shù)路線各不相同。我國(guó)是燃?xì)廨啓C(jī)行業(yè)的后來(lái)者，我們希望用較短的時(shí)間、較少的代價(jià)走完前人花了半個(gè)多世紀(jì)才走完的歷程，因此學(xué)習(xí)前人成功的經(jīng)驗(yàn)、避免重犯前人的錯(cuò)誤非常重要。燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)進(jìn)步有科學(xué)客觀的規(guī)律，按照科學(xué)規(guī)律進(jìn)行自主創(chuàng)新，可事半功倍；違反科學(xué)規(guī)律辦事，或事倍功半、或一事無(wú)成。
(責(zé)任編輯：羅伯特)
