【专访】北京华清CGT-60F燃气轮机设计团队之二：研发路线图
导读
近日，北京华清燃机公司研制的国产F级300MW重型燃气轮机技术验证机CGT-60F，亮相北京科博会，吸引了北京市市委书记郭金龙、北京市市长王安顺、中关村科技园管委会主任郭洪等领导莅临参观指导。北京华清燃机公司为什么要选择70MW功率等级起步来开展国产重型燃气轮机的研发？后续如何规划发展？燃气轮机与煤气化联合循环国家工程研究中心（简称：燃机国家工程中心）\北京华清燃气轮机与煤气化联合循环工程技术有限公司（简称：华清燃机公司）总设计师陈伟博士接受两机动力控制小编采访。
小编：目前国际上主流的F级重型燃气轮机功率已超过300MW。新近推出的G/H/J级燃机功率甚至超过400MW。为什么华清燃机公司会选择70MW功率等级起步来开展国产重型燃机的研制？
陈伟：重型燃气轮机的技术水平主要体现在压气机压比和透平进口燃气温度这两项指标上，尤其是透平进口温度直接影响燃气-蒸汽联合循环的热效率，而功率的大小并不直接反映燃气轮机的技术水平。重型燃机通常所说的E、F、G级，主要是依据透平进口燃气温度来区分。其中，E级透平进口约1200℃，F级透平进口温度约为1400oC，G级透平进口温度约1500oC，目前最先进的H/J级透平进口温度达到1550oC-1600oC。温度越高，技术等级越高。
目前我们正在研制的CGT-60F，功率为70MW，实际是F级300MW燃机的技术验证机(也称为原型机)。华清燃机团队的技术路线是，从研制小功率的原型机入手，突破并掌握F级燃机设计和制造核心技术，然后采用模化放大或缩小的方法，在较短时期内形成同一技术等级的不同功率的系列化燃机型号。这也是国际燃气轮机巨头GE、西门子、三菱在过去几十年里研制重型燃机的成功经验。
小编：您刚才提到，华清燃机公司在制定技术路线时借鉴了国际燃气轮机巨头GE、西门子、三菱的成功经验。能具体展开介绍一下吗？
陈伟：GE和西门子自1960年代开始研制重型燃机，历经半个世纪形成了具有完全自主知识产权的技术体系和产业体系，是原始创新的典范。三菱公司自1960年代引进西屋公司全套燃气轮机技术，历经半个世纪也建立了具有完全自主知识产权的技术体系和产业体系，是消化吸收再创新的样板。我们仔细分析了这三大公司在研制重型燃机上的成功经验。发现，尽管技术来源有所不同，但是在燃机系列产品研发的技术路线上遵循着共同的原则：
从研制小功率的原型燃机入手，突破并掌握产品设计和制造核心技术，然后采用模化放大或缩小的方法，在较短时期内形成同一技术等级的不同功率的系列化产品型号。重型燃机的研制成本随着燃机功率的增大呈指数增长，对试验能力的要求也急剧提高。而从小功率的原型机起步则可大幅节省研发投资、缩短研发周期、降低研制风险；
模化放大/缩小的原则是保持四个不变：压气机压比、透平进口温度、主机总体结构、关键零部件材料与加工工艺。在遵循上述原则而且在一定的放大/缩小比例内，原型机可以在短时间内一步放大/缩小为同一技术等级但是不同功率大小的系列产品，无需再研发新的核心技术；
某型燃机产品一旦进入市场，就要持续研发新技术提高其热效率、增加功率、降低污染和提高可靠性，不断推出该型号的升级版，这个改进升级过程贯穿该产品的整个生命周期，可以长达几十年。技术升级的原则是渐进式改良，以确保每一个升级版在市场上获得成功，从而逐步形成有市场竞争力的、完整的系列化产品。
图1. GE、西门子、三菱公司重型燃气轮机产品发展历程（1960-2015）
小编：小功率燃机模化放大到大功率燃机的原理是什么？
陈伟：小功率燃机模化放大到大功率燃机的原理主要是叶轮机械的模化设计理论。叶轮机械在保证几何相似时，在一定条件下可以实现气动热力过程相似。表1所示为模化设计过程各参数的变化规律。（注：表中各个参数关系只是理论值，不是准确的工程数据）。GE、西门子、三菱等几十年的工程实践证明，只要几何放大比例不超过2、缩小比例不小于0.5，原型机与放大/缩小所得到的新型号燃机热效率基本相同。更详细的研究和工程实践已经证明，在放大时热效率和功率比理论值有少许增加，而缩小时热效率和功率比理论值有少许降低。
小编：原理还比较深奥，那国际上具体有哪些成功案例呢？
陈伟：采用模化放大原理研制成功的燃机系列产品很多，典型例子是50Hz(3000转/分)和60Hz(3600转/分)燃气轮机，把60Hz燃机放大缩小1.2倍，就得到50Hz燃机，其功率放大1.44倍，效率不变；反之亦然。如GE公司1987年推出首个研发的F级产品型号为7FA（60Hz）；两年后的1989年推出了9FA（50Hz）。根据市场需要1996年又把7HA缩小0.69倍就推出6FA。过去二十多年中6FA、7FA、9FA不断推出升级型号形成系列产品，为GE公司在全球重型燃机市场占有率超过一半做出了重要贡献，奠定了GE公司燃机行业龙头老大的地位。
特别应当指出的是，GE公司的燃气轮机燃烧室是多管型，同一系列燃机的燃烧室完全相同，只是个数不同。GE公司F级燃机产品6FA、7FA和9FA模化关系如图2所示。
图2 GE公司F级燃机产品模化关系
再如西门子F级燃机产品系列。首台Ｆ级原型燃机V64.3A于1989年在柏林完成了整机带负荷试验，功率53MW，效率34%；两年后（1991年）把V64.3A放大1.5倍发展出V84.3A（60Hz）,功率128MW，效率34.5%，三年后（1992）把V64.3A放大1.8倍推出V94.3A（50Hz）燃机，功率184MW，效率35.4%。
当然，模化放大并不是说小功率燃机研制成功后，放大到大功率燃机就不会遇到任何问题。在工程实施中，不是所有几何尺寸都可以严格按照模化比例进行缩放，如间隙、流动部件的表面光洁度、倒角等。同时，缩放过程中还有部分气动、传热和强度等物理参数在数学上并不严格相似。这些差异都可能会给燃机的设计性能带来一定偏差，同时也可能给燃机的安全性和可靠性带来不可预见的问题。但这些并不是核心技术根本上的改变，主要通过对设计进行局部修改，并结合大量的试验数据对结构进行一定程度的校正和调整，来解决可能面临的问题。
小编：所以国际燃气轮机巨头也是从小功率燃机起步研发。主要是为了减少研发投资，降低研制风险。
陈伟：是这样的。经初步估算，在模化放大系数为2时，原型机与放大机型功率比约为1:4、转子重量之比则约为1:8。从核心技术研发、产品设计、关键部件性能试验验证、样机制造、建设试验电站完成带负荷发电全过程的总投资大约也是1:4，这意味着直接研制300MW 等级大功率燃机需要多投资数亿、十几亿美元甚至更多。另一方面，直接研制300MW等级大功率燃机，即便是开展部件性能试验验证，对试验台的气源流量、压力、温度等热力参数要求极高，目前国内还不具备满足如此高参数要求的部件试验台。事实上，世界燃气轮机发展历史上没有一家成功的企业是直接研制大功率燃机起步的。
小编：目前CGT-60F研制的进展情况怎么样？
陈伟：自2008年以来，我们主要依托清华大学完成了基础和应用基础研究、核心技术开发和实验室验证，为CGT-60F的研发设计提供了有力的技术支撑。CGT-60F目前已经完成了概念设计、初步设计和施工设计，正在进行第一级透平叶片的高温冷效试验以及燃烧室全温全压试验验证。首台样机的各零部件制造正在推进过程中。当然，我们也认识到，尽管开展了大量的计算分析工作，燃机能否研制成功最终需要工程实践的检验。后续还将开展大量的试验工作来解决燃机研制中尚未预知的问题，提升燃机的可靠性。这些宝贵的试验数据也将进一步提升我们的设计能力，并为未来的燃机性能改进升级提供数据支持。
小编：未来华清燃机公司也会像GE、西门子、三菱一样开发自己的燃气轮机产品系列吗？
陈伟：这是当然。作为技术验证机，CGT-60F成功后，首先会采用模化方法研制300MW等级燃机，我们有信心在“十三五”期间基本实现国家“两机”专项的目标。同时，我们将充分调研国内燃机市场的需求情况，进一步研制市场需要的燃机产品，形成我们公司自身的燃机产品系列。当然，这一切的前提是研制成功CGT-60F。我们热切的希望与国内其他燃机研制单位、电厂用户、投资机构等单位合作，一起把国产重型燃气轮机做出来，实现中国梦、燃机梦。
关于北京华清燃机公司
2008年经国家发改委批准，清华大学联合了东汽、哈汽、南汽和上汽等我国燃气轮机制造企业和中国电力工程顾问集团公司组建了“燃气轮机与煤气化联合循环国家工程研究中心”（简称燃机国家工程中心），2010年工程中心在北京中关村高科技园区注册为“北京华清燃气轮机与煤气化联合循环工程技术有限公司”（简称华清燃机公司），清华控股集团公司代表清华大学是公司第一大股东。
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