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R0110重型燃气轮机的自主研发之路


导读

本文简介我国R0110重型燃气轮机的研发立项背景,回顾该燃气轮机从设计、制造、加工、装配、厂内空负荷试车、电站满负荷简单循环试验到联合循环试验的研制过程,分析取得的研究成果和产业化前景,也总结了研发过程中取得的经验和存在的不足,对自主研发燃气轮机技术提出展望和建议。


2014年3月21日,“十五”国家高技术研究发展计划( 863 计划) 燃气轮机专项课题“R0110重型燃气轮机研制与调试”在北京接受了国家科技部组织的专家验收,验收专家组认为: 以中航工业沈阳黎明航空发动机( 集团) 有限责任公司为主体承担单位的联合体,完成了R0110重型燃气轮机的研制、厂内全转速空负荷调试、电厂简单循环发电72h试运行和联合循环发电168h试运行,达到了合同任务书规定的考核指标; 初步建立了以R0110燃机为基础的重型燃气轮机设计、制造、试验平台,具备了自主研制试验能力,突破了一系列关键技术,取得了一批具有自主知识产权的技术成果; 承担单位已完成合同规定的研制任务,一致同意通过验收。


至此,“十年磨一剑”,我国终于完成了R0110重型燃气轮机自主研制的全过程。本文将回顾其立项背景和研制过程,分析取得的研究成果和产业化前景,总结经验与不足,提出若干未来发展建议。

1立项背景

燃气轮机作为新型动力机械,被广泛应用于能源、交通、航空、国防等领域,是21世纪动力的心脏技术,被人们形象地喻为动力机械制造业“皇冠上的明珠”。掌握燃气轮机技术已经成为一个国家科技水平军事实力、甚至综合国力的重要标志之一。


本世纪初我国开始实施“西气东送”和“西电东输”对燃气轮机有了新的市场需求,当时预计10年内总数达到34000MW左右,市值约100亿美元,平均每年约10亿美元。如此巨大的市场,是我国发展燃气轮机的最好契机。我国燃气轮机专家呼吁抓住这一千载难逢的机遇,发展我国自己的重型燃气轮机。


在组织相关专家长达两年的实地调研和深入研讨的基础上,2002年10月,国家科技部开始在“十五”国家863计划中考虑实施燃气轮机专项,专项的总体目标为旨在燃气轮机前沿高技术研究领域取得突破,初步形成燃气轮机关键核心技术的自主开发能力,重点开展重型燃气轮机核心部件及关键技术的研发。专项实施拟以中央、地方、企业、高校及科研院所相结合的形式,组织科技力量,进行燃气轮机研发,形成燃气轮机关键核心技术的自主开发能力,最终实现国产化。


其中重型燃气轮机的研发目标是消化和吸收国外重型燃气轮机的设计思想,设计、研制具有自主知识产权的,可投入市场的、功率大于50MW(后确定为110MW)、技术水平相当于E级以上的重型燃气轮机样机。通过研究开发,形成关键技术的自主设计能力,初步建立我国燃气轮机的设计、试验与制造平台,并为“十一五”开发F级(200MW~250MW)的重型燃气轮机打下基础。


在确定课题承担单位时,鉴于重型燃气轮机是以凝结先进技术的产品为研究对象的课题,确定了以企业为主体承担单位,组建联合体参与招投标的新模式。2002年8月,在参与重型燃气轮机研制投标的联合体中,以中航工业沈阳黎明航空发动机( 集团) 有限责任公司( 简称黎明公司) 为主体包括国内九家单位的科研联合体胜出,这九家单位分别是中国航空工业沈阳发动机设计研究所、清华大学、中国科学院工程热物理研究所、上海交通大学、中国燃气涡轮研究院、中国船舶重工业集团公司第703研究所、上海汽轮机厂有限公司、沈阳重型机器有限责任公司、沈阳鼓风机股份有限公司。


国家科技部确定以“R0110重型燃气轮机设计与研制”和“R0110 重型燃气轮机研制与调试”两个连续性课题持续支持R0110重型燃气轮机轮机的研制。第一个课题着重于设计,第二个课题着重与加工和整机试验。完成第一个课题后滚动开展第二个课题的工作。

2R0110重型燃气轮机的研制过程回顾

R0110重型燃气轮机在许多方面是“从无到有”,执行过程中遇到的困难相当多,课题组立足于国内技术水平和成果来解决遇到的各种问题,并在研制过程中注重自身技术和经验的积累,采用了如图1 所示的研制技术路线,从总体设计、部件设计、部件试验、加工装配、系统集成、厂内整机空负荷试验直至整机电站带负荷试验运行。

首次设计的R0110重型燃气轮机以天然气为燃料,发电机出线端功率为110MW,转速3000r/min,发电效率34.5%,压气机压比14.7,空气流量360kg/s,透平初温1484K,研制成的重型燃气轮机需要通过72h或168h试运行。


2.1 设计

以黎明公司为牵头单位的联合体第一期课题“R0110重型燃气轮机设计与研制”于2003年底完成并通过验收。设计阶段完成了包括燃气轮机本体及进气气缸、外部接口、外部管路等在内的供生产用的全套设计图纸出图,并完成正式设计图纸的工艺评审,完成各类技术文件。


在完成设计出图工作的同时,结合设计工作的需要,进行了一些主要设计计算工作,包括总体性能、压气机和透平特性、燃烧室设计分析及变工况性能计算、透平冷却系统和空气系统计算; 关键部件的强度计算等。主机设计工作主要由总设计师单位中国航空工业沈阳发动机设计研究所负责完成,机组的成套设计由主体承担单位黎明公司负责。计算即设计校验工作由扩大联合体的高校、研究院所和企业分工完成。具体分工如图2所示。

由此初步建立了具有自主知识产权的E级重型燃气轮机的设计体系,并在此设计体系下完成了R0110重型燃气轮机的压气机、燃烧室、透平、轴承及主机性能设计、结构设计、总体设计、空气系统设计、强度设计等。


后期为解决生产工艺问题,对前支点支撑壳体的结构进行了改进,增加前支点刚性,将转子的二阶临界转速提高到工作转速外; 将原来的四级轴颈盘的焊接结构改为用螺栓连接的结构。还进行了透平一、二级叶片的结构改进设计,改进了冷却结构,以增强透平叶片冷却空气的换热强度,去掉二级透平叶片的叶冠,以改善工艺性。进气气缸由原来的焊接结构改为整体铸造结构,改善原结构的加工工艺性。将原有的焊接结构的气缸全部改为水平中分结构的铸造气缸,以适应在电厂进行燃机的检修和大修,同时提高材料利用率,降低制造成本,并缩短制造周期。


2.2 加工制造装配

在工艺准备阶段,黎明公司编制了工艺规程,联合体单位各企业对分工研制的部分零组件作了工艺分析,找出了加工难点,拟定了针对性技术措施。黎明公司依据完成的工艺文件,派工设计了工装。根据R0110重型燃气轮机的结构特点和国内加工能力及承担研制任务单位的综合实力,确定了加工技术难点和技术攻关项目。先后攻克了材料国产化与工程应用、超大型合金锭冶炼和锻件成形、大型透平叶片精密无余量铸造等诸多关键技术,形成了自主知识产权的材料体系、冶金工艺标准体系,实现了该燃气轮机制造所需的所有材料能够全部立足国内供给。


由此立足国内企业建立了R0110重型燃气轮机的制造体系,完成了全部冷端和热端部件的零部件制造,进行了冶金工艺和机加工艺攻关。为完成零部件的制造,还进行了精密铸造工装测具、锻造工装测具、非金属制件制造工装以及其它工装的设计与加工。掌握了燃气轮机透平叶片制造技术,并通过持续的技术攻关,透平叶片的成品率由研制初期的不足3%上升到51%,大大降低了生产成本。


R0110重型燃气轮机加工涉及到技术难度较大的高温叶片、大型盘、轴承、薄壁气缸等,鉴于航空部门具有加工热端部件的宝贵经验,而机械行业具有加工大尺寸零件的丰富经验,采取了如图3所示的分工合作。

在部件装配过程中,特制了整机翻转装配架,通过控制各封严间隙转子与机匣的同心度规避了装配风险,成功实现了整机装配。完成装配的R0110燃气轮机见图4。

图4 R0110重型燃气轮机出厂


2.3 试验运行

进行了单管燃烧室中压全温试验、全压全温模拟试验、气体及液体燃料等离子点火性能试验、喷嘴性能试验等部件试验,其中燃烧室试验在中航工业燃气涡轮研究院进行。在此基础上,进行了整机试验,主要包括厂内全转速空负荷试车和电站带负荷试车。这两个部分的整机试验分别在黎明公司和中海油深圳电厂进行。


2008年,黎明公司完成了R0110重型燃气轮机成套系统的进气系统、进气稳压室、排气系统、滑油和顶轴油系统、压缩空气及防喘放气系统、燃机支撑与底座等子系统的成套设计。开发的控制系统可实现对R0110重型燃气轮机从起动、点火、加速、全速空载运行直至停车的全过程实施可靠控制。2008年9月由中船重工703所完成了厂内全转速空负荷试车第三方验证工作。厂内全转速空负荷试车调试相关数据表明燃气轮机各部件的工作性能在低转速时略微偏差,在全速状态均达到了设计要求,各部件之间匹配良好,整机性能估计略高于设计值。


R0110重型燃气轮机整机的长时间试验运行考核,是最终完成课题任务的关键环节,也是国产重型燃气轮机进入市场的关键。为此中国航空工业集团公司积极多方寻求共同开展R0110重型燃气轮机发电试验运行的合作单位,最终确定在中海油深圳电力有限公司合作进行整机试验。中航工业与中海油于 2010年7月签署了在燃气轮机领域开展广泛合作的战略协议: 双方合作建设重型燃气轮机长周期试验考核示范电站,争取在R0110重型燃气轮机试验成功后,进一步合作建设国家级燃气轮机试验基地,满足重型燃气轮机及后续改进型、发展型产品试验验证及长周期试验考核的需要。


确定在中海油深圳电力有限公司建设R0110重型燃气轮机试验电站。R0110重型燃气轮机于2012年8月运抵现场开始安装和调试技术研究,先后解决了起动过程中变频起动电机工作不稳定、后支点轴瓦温度高、前支点水平振动相对较大、透平出口温度控制延迟、起动超温、前支点垂直振动大、转速波动大、功率波动大等问题,成功实施了R0110重型燃气轮机从起动、点火、加速、全速空载、升负荷、满负荷、降负荷、甩负荷、停车的全过程准确可靠控制。


2012年12月15日完成燃气轮机机组72h简单循环试验运行考核,2013年11月29日完成168h联合循环试验运行考核,累计运行超过450h,较为圆满地走完了R0110重型燃气轮机研制的设计、加工制造、试验运行的全过程。图5为安装在中海油深圳电力有限公司的R0110重型燃气轮机。图6为R0110重型燃气轮机进行联合循环试验。


3研究成果及产业化前景分析

3.1 研究成果

通过R0110重型燃气轮机的自主研制,在设计、试验、加工和整机试车方面取得了如下重要研究成果:


1)初步建立了E级燃气轮机设计平台:R0110重型燃气轮机的成功研制,标志着我国已基本掌握了重型燃气轮机总体性能及结构设计、多级(15级) 轴流式压气机级间匹配、15 级轴流压气机全三维性能分析、贫油预混设计技术及试验调试、分级及分区组织燃烧改善燃烧稳定性设计、带涡流矩阵式冷却结构的透平叶片设计等关键技术,初步建立了E级重型燃气轮机的自主设计体系,所建立的设计体系为后续开展其它型号重型燃气轮机奠定了坚实的基础。


2)完成了E级燃气轮机全压全温全尺寸试验:在国内首次完成E级重型燃气轮机全压全温全尺寸试验,建立了E级燃气轮机燃烧室全温全压全尺寸试验平台,进行了多轮试验,试验结果表明,只有进行全温全压全尺寸试验,才能获得可靠的对整机运行有价值的燃烧室试验数据,经过全压全温全尺寸试验验证的燃烧室才能保证其在机组中的可靠运行,全温全压全尺寸试验对燃气轮机燃烧室的设计具有至关重要的指导作用。


3)掌握了重型燃气轮机热部件加工技术:重型燃气轮机热部件是在运行过程中需要更换的部件,备品备件的可靠经济供应对电厂非常重要。热部件的加工技术是重型燃气轮机的尖端制造技术。R0110 重型燃气轮机的透平叶片尺寸大( 透平叶片583mm×52mm,喷嘴叶片482mm×216mm)、内腔空气冷却结构非常复杂,壁薄、结构复杂、切削性能差、榫齿尺寸大,研制工艺难度非常大。在叶片精密无余量制造过程中,采用计算机仿真模拟、优化陶瓷型芯配方和烧结工艺、陶瓷过滤网过滤浇铸、等温校形、冷校形和热处理相结合等手段,成功地研制出了组织、性能、尺寸均满足标准要求的透平叶片和喷嘴叶片。采用线切割工艺完成透平叶片榫齿基准面加工,摸索出了透平叶片封严篦齿圆弧槽的高效加工方法。通过不断完善工艺将叶片的成品率由研制初期的不足3%提高到51%。


4)建立了电站带负荷重型燃气轮机整机试验平台:通过与中海油深圳电力有限公司合作,建立了R0110重型燃气轮机整机试验平台。在该试验平台上研究了燃气轮机启动后的并网、升负荷、满负荷、稳态运行等一系列运行问题,检测了机组的振动、压力、温度、输出功率等各项参数随负荷和运行实践的变化情况,对燃气轮机及其系统的性能和可靠性进行了验证。在所建立的整机试验平台上,可以通过长时间带负荷试验,解决可能出现的各种问题,考核燃气轮机及配套设备系统的性能和可靠性,为自主研发的重型燃气轮机产品投入市场、实现产业化奠定扎实的基础。


5)锻炼和培养了一批从事重型燃气轮机研发的人才:经过R0110重型燃气轮机的自主研制,缩小了我国燃气轮机与国际先进水平的差距,初步形成了研发和试验基地,在我国形成了有关燃气轮机方面的自主知识产权,使我国成为初步掌握燃气轮机设计、制造、试验技术和成套能力的国家之一,锻炼和培养了一批重型燃气轮机技术研发人才。


3.2 产业化前景分析

R0110重型燃气轮机相对同等级别的重型燃气轮机重量轻,简单循环效率高,在油气资源丰富的海外市场具有强劲的竞争力。现已与伊朗Aras Freezone 500MW项目进行了合作探讨,该项目三个业主与黎明公司签订了共9台的R0110燃气轮机机组的销售意向协议。苏丹、尼日利亚、伊拉克、白俄罗斯等也有采用R0110重型燃气轮机的意向。


R0110重型燃气轮机产品已经进入到了东北电力设计院、西北电力设计院、国核电力规划设计研究院、广西电力设计院等一大批设计院产品选型目录中。该燃气轮机还可以做自备电源,为海上石油平台提供动力,中航工业与中海油已经建立了战略合作伙伴关系,双方愿意在此燃气轮机发电领域开展合作。

4经验与不足

4.1 经验总结

1)以整机研制和关键技术突破为重点,全面加强能力建设,服务产品研制要取得燃气轮机全面的技术进步,提升燃气轮机的研制能力,仅仅独立开展分散的单元技术的研发是不够的。通过整机研制凝练研究内容,凝聚研究力量,开展关键技术研究,可以全面加强设计能力、制造能力、试验能力建设,提高工艺水平,研制新材料,形成完整的产业链,在整机研制过程中提高相关学科的研究水平,促进人才的培养,形成研究队伍。


通过R0110重型燃气轮机的自主研制,初步建立了E级燃气轮机的设计体系和关键部件设计体系,依托整机所开发的设计体系能够最大限度满足整机研制的需求。通过R0110燃气轮机的加工制造,打通了从材料研制,到材料的工程化应用、原材料准备、制造工艺研究、制造标准研究、零部件制造与检测的整体制造链条,在制造过程中提炼制造关键技术开展联合攻关,全面提升相关制造能力。


2)组建联合体,组织国内优势资源协同攻关对于重型燃气轮机这样一个技术难度高,涉及航空、机械、冶金、材料等众多学科的产品,仅仅依靠一家之力是不可能完成研制的。R0110重型燃气轮机研制均组织国内优势资源,成立了“官产学研”联合体共同攻关。以主体承担企业、主机设计研究所、专业所长的相关的研究院所和高等院校为核心,在全国范围内形成不同专业分工的联合体,集各单位核心优势协同攻关研制。


企业根据各自在热端部件、大尺寸零件、精密加工、毛料加工及专业化生产等方面的优势,按虚拟企业运营模式,明确有序分工、责任,以风险共担为原则,联合体单位和合作单位强强联合,开展产品制造。研究院所和高等院校根据试验能力加强试验和设计能力建设,进行产品的设计性能优化,开展应用基础试验研究。在课题联合体之外,以合同管理方式,整合广泛联合的多种层次、多种形式的燃气轮机研制资源。


3)通过国际合作促进自主知识产权的燃气轮机研制:通过国际合作,学习国外先进的设计理念; 通过消化和吸收,完成有自主产权的重型燃气轮机设计研制基本实施方案; 引进技术标准、工艺、冶金等技术资料,消化和吸收国外先进的制造技术,提高燃气轮机研制能力和技术管理水平。通过引进高水平的研究人员参与燃气轮机研制,可以缩短产品的设计周期,提高燃气轮机产品研发的起点。通过国际合作加快掌握重型燃气轮机的设计思想、设计方法及核心部件的设计原则,基本掌握自行研制重型燃气轮机的基本技术和标准化体系等。为建立有自主知识产权重型燃气轮机设计平台、开展重型燃气轮机的研制与后续技术发展奠定很好的基础。


4.2 教训和不足

尽管以R0110重型燃气轮机开展了相关的高技术研发,但课题立项时对研制过程中可能会遇到的技术难点和实施难度严重估计不足,急于求成地规划在短期内完成整机研制,研制经费严重不足,导致课题完成时间拖期。总体上已取得的研究成果原创性不高、系统性不足,远没有建立起完备的先进燃气轮机研发所需的设计、制造和试验平台。所建立的设计体系不够成熟; 发展关键技术的能力不足; 关键部件的试验验证不够充分,在整机调试中出现问题,导致研制周期反复和试验费用超支,还没有完全掌握重要的关键技术之干低污染燃烧室技术,所研制的重型燃气轮机的污染物排放指标还不尽如人意。


尽管航空部门开展重型燃气轮机大型动力设备的研制在热部件上有较好的积累,但在大型零部件的制造上需要借助国内其它单位的力量来完成,而不同行业之间存在着利益壁垒。另外,技术开发过程中,企业和高校、研究院所的联合不够紧密,导致应用基础研究与核心技术开发有一定的脱节; 技术方案的选择和电力行业应用主体结合不够紧密。

5展望和建议

R0110重型燃气轮机的自主研制虽然取得了相当可喜的成果,需要清醒地意识到目前只是走出了万里长征的第一步,我国的重型燃气轮机的发展之路仍然任重道远。总体上我国缺乏能够服务于重型燃气轮机研发的相关核心技术基础性研究平台,尚没有建成支持下一步发展的稳定的试验研究基地,导致实现后续自主发展的能力缺乏。


就R0110重型燃气轮机而言,其燃气轮机本体还有亟待完善的地方; 还需要继续开展R0110重型燃机长周期试验运行考核工作,为燃气轮机产品进入市场奠定扎实的基础; 需要继续低排放燃烧室的研制工作,以适应环保要求; 不断完善R0110重型燃气轮机的设计,提高机组的性能和可靠性。对重型燃气轮机自主研制的长期性和艰巨性要有充分的认识和准备,要积极面对研制难度大、任务重、周期长的挑战,建议继续开展重型燃气轮机自主研制的科技攻关。


国家应统一规划、统筹安排,集中人力物力,以产业发展为导向、以关键技术研发为重点,以示范工程为依托与带动,有机地结合基础研究、关键技术研发以、产品研制及实际应用,在全国范围组织“产学研用”联合。


建立国家级燃气轮机技术研究开发工程中心,研究开发先进燃气轮机关键技术; 建设国家级燃气轮机重大科技基础设施,加强与燃气轮机相关的气动、燃烧、传热、控制、材料、结构强度等相关基础研究,更好地服务于先进燃气轮机的设计;


建设能服务于产品研发的规模较大的燃气轮机主要部件和整机的试验研究基地,验证并提高设计、制造技术。对于能立足自身独立完成的核心技术研发应联合国内优势力量全力突破,充分重视和利用多年来我国自己的科研成果及设计制造经验;


对于基础薄弱的核心技术可以采取引进、消化吸收或国内外合作研发的模式,掌握关键技术,注重跟踪国际前沿再创新,形成具有自主知识产权的燃气轮机技术。对研发的关键技术依托于相关的产品和示范工程进行验证,促进科研成果转化和产业化,推进我国燃气轮机技术的全面发展。


为实现我国燃气轮机技术的进步,必须持续投入,继续加强燃气轮机研制的能力建设,扎扎实实建立完备的设计体系,建立关键技术验证平台,加强试验验证能力。通过燃气轮机的研发机制体制创新,打破行业壁垒,建立有利于全国大联合的合作研发模式,从而最终实现我国燃气轮机技术的全面突破。


来源:R0110重型燃气轮机的自主研发,蔡宁生,崔荣繁,陈克杰,杨寒阳,刘红,燃气轮机技术,第27卷第3期,2014年

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