出品：科普中國

作者：姚禹（中國科學技術大學）

監制：中國科普博覽

“雄雞一唱天下白”，2023年3月8日，伴著一聲響亮的機械轟鳴，一臺來自中國的“爭氣機”在廣東清遠經歷72+24小時試運行后，正式投入商業運行，這是我國首臺自主研制的F級50兆瓦重型燃氣輪機發電機組G50，它的誕生完成了從“0”到“1”的科技突破，使中國有了100%純國產的重型燃機。

我國首臺自主研制的F級50兆瓦重型燃氣輪機成果商用

（圖片來源：CCTV13 朝聞天下）

這臺“爭氣機”可不一般，它的工作溫度超過1300℃，接近火山巖漿的高溫，工作壓力達到18個大氣壓，相當于海底180米深度的水壓，在如此嚴苛的高溫高壓環境下，燃機渦輪還要以每分鐘6000轉的轉速高速旋轉，線速度超過大型客機飛行速度的2倍。當它進行聯合循環，一小時的發電量就超過7萬千瓦時，可以滿足7000個家庭一天的用電需求，相較于同功率的火力發電機組，G50重型燃氣輪機一年可減少碳排放超過50萬噸。

為什么要把重載燃氣輪機稱為“爭氣機”呢？

如同蒸汽機掀起了第一次工業革命的熱潮，燃氣輪機是新時代國家能源安全和國防安全的戰略性裝備，廣泛應用于國防、交通、能源、環保等各個領域，而重型燃氣輪機更是先進發電設備、航空裝備、軍用艦船（航母及潛艇）等大國重器的“心臟”。

F級50MW重型燃氣輪機

（圖片來源：中新網）

燃氣輪機的能量轉化方式與蒸汽機相同，都是將燃料的化學能轉化為動力（或電力），不同的是，蒸汽機是燒水，將水變成蒸汽時，體積膨脹從而驅動活塞（或汽輪機等其他動力機械）做功。

蒸汽機的工作原理示意圖，火加熱鍋爐中的水（藍色），水變成蒸汽（粉紅色），蒸汽膨脹推動活塞往復運動

圖片來源：Wikipedia

燃氣輪機并不需要加熱蒸汽作為中間介質，而是將燃氣直接通入渦輪膨脹做功，這就要求燃氣輪機的部件能夠長時間地承受極端的高溫、高壓、高轉速并保證整機安全穩定的運行，而更高的運行參數也顯著地提高了設備的做功能力，使燃氣輪機具備單位功率大，啟動速度快、機動性強，能量轉化率高的特性。

當燃氣輪機工作時，它會連續地從大氣中吸入空氣并將其壓縮，壓縮后的空氣被送入燃燒室，與噴入的燃料充分混合后燃燒，成為高溫、高壓的燃氣，隨即被通入燃氣渦輪中推動渦輪葉輪旋轉并膨脹做功，輸出的功率可作為動力或被轉化為電力。

燃氣輪機結構示意圖

（圖片來源：http://www.timetoast.com/timelines/abel-project-tl）

燃氣輪機被譽為裝備制造業“皇冠上的明珠”，尤其重載燃氣輪機號稱“世界上最難制造的機械設備”之一，它由數萬個零件組成，涉及機械、冶金、材料、化工、能源、電子、信息等諸多領域，涵蓋氣動力學、工程熱力學、燃燒學、結構力學、控制理論、材料學、制造工藝等基礎學科和工程技術的交叉融合，它的研發集中體現了一個國家科技水平和綜合國力。

產線機器人放置完工葉片

（圖片來源：中新網）

重型燃氣輪機的研發是一項復雜的系統工程，其技術難度高、研發投資大、實施周期長。自1939年世界第一臺發電用重型燃機誕生，重載燃機幾經技術革新和產業重組，僅有美國、日本、德國等少數國家能夠自主研發重型燃機的能力。

重型燃氣輪機G50整機試驗臺

（圖片來源：東方汽輪機有限公司供圖）

為服務國家重大戰略，我國設立“航空發動機與燃氣輪機”國家科技重大專項（“兩機專項”），國家能源局將F級50兆瓦重型燃氣輪機列為能源領域首臺（套）重大技術裝備示范項目。在國家的大力支持下，東方電氣等央企聯合高校、科研院所組建科研團隊，統籌產業鏈上中下游企業匯聚優勢資源，開展了艱苦奮斗的自主研發之旅。自2009年開始研發至今，捷報頻傳，2016年建成國內首批壓氣機、燃燒器、透平部件級試驗臺，2018年研制成功壓氣機、燃燒器，2019年實現全部高溫部件的100%自主制造，整機點火試驗一次成功，2020年首次運行至100%負荷，2022年底在華電清遠實現一次點火成功，2023年正式轉入商業運行。

重型燃機的生產裝配過程

（圖片來源：CCTV13 朝聞天下）

僅僅13年，我國重型燃機經歷了從基礎理論、單元技術、零部件實驗、系統集成、綜合驗證、產品應用的全過程，跨越式地走完了西方國家幾十年發展的道路。我國真真切切地掌握重型燃機自主設計、制造、試驗及商業運行的100%國產化能力，打造安全可控、自主可靠的燃機產業鏈，填補了我國自主燃氣輪機應用領域空白。

雖然，當前商用的F級50兆瓦重型燃氣輪機發電機組G50距離世界最先進水平仍有一定差距，但建設的自主設計體系、掌握的核心方法、構建的自主知識產權、培養的高素質人才隊伍，都將帶動燃機學科和產業協同發展。

首臺國產高能效重型燃氣輪機下線

（圖片來源：CCTV13 朝聞天下）

更可喜的是，目前首臺國產空氣冷卻最高能效等級的重型燃氣輪機在河北秦皇島順利下線，發電效率超過64%，代表著當前燃機發電行業最先進的技術，成為當今世界效率最高的熱功轉換設備。新一代的燃氣輪機將成為我國實現“碳達峰、碳中和”的神兵利器，也將給予保衛國家安全的國之重器一顆更強勁的心臟。國產“爭氣機”的故事還在繼續，我們拭目以待！

來源: 中國科普博覽

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