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環(huán)球百事通!啃下“硬骨頭” 制出“爭氣機”

2023-01-31 09:30:49    來源:科技日報

◎陳 科 本報記者 鄭 莉


(資料圖)

2023年1月3日2時48分,被譽為“爭氣機”的首臺全國產(chǎn)化F級50兆瓦重型燃氣輪機發(fā)電機組,在廣東華電清遠華僑園燃氣分布式能源站并網(wǎng)發(fā)電,填補了我國自主燃氣輪機應用領域空白。

回憶13年來的研制歷程,東方電氣集團東方汽輪機有限公司(以下簡稱東方汽輪機)副總經(jīng)理、G50發(fā)展中心主任方宇感慨萬千——歷經(jīng)4000多個日日夜夜,工程師們從“0”到“1”不斷突破,終于啃下了重型燃氣輪機自主化這塊“硬骨頭”。

“在十級狂風中點燃一根蠟燭”

作為當今世界效率最高的熱功轉換設備,重型燃氣輪機被譽為裝備制造業(yè)“皇冠上的明珠”,是一個國家工業(yè)水平、綜合國力的重要體現(xiàn)。

2009年,位于四川德陽的東方電氣集團經(jīng)過多方考察調(diào)研,正式立項研制重型燃機。這注定是一條布滿荊棘的科研攀登之路。東方汽輪機副總工程師趙世全曾打過一個比喻:“50兆瓦燃機點火試驗的難度,猶如在10級狂風中點燃一根蠟燭。”

2018年6月27日,該項目的壓氣機和燃燒器聯(lián)合試驗開始?!霸诖酥?,兩個部件的獨立試驗都已經(jīng)成功開展,因此大家覺得聯(lián)合試驗會一帆風順,都信心滿滿?!壁w世全回憶說。

然而,隨著點火指令發(fā)出,緊盯屏幕監(jiān)視參數(shù)變化的研發(fā)人員臉上喜悅的神情漸漸凝固——火沒點著。經(jīng)過各種參數(shù)調(diào)節(jié)嘗試,都不見效。反復排查之后,科研團隊最終確定,問題出在整機優(yōu)化修改的燃料孔孔徑上。

“燃氣輪機由2萬多個零件組成,其工作壓力為18個大氣壓,相當于海下180米深度的水壓,工作溫度超過1300攝氏度。”東方汽輪機G50發(fā)展中心副主任田曉晶介紹說,“作為極其復雜的能源裝備,系統(tǒng)耦合度與部件集成度超高,任何一項更改牽一發(fā)而動全身,都有可能導致整個系統(tǒng)出現(xiàn)問題?!?/p>

燃料孔孔徑問題解決后,2019年9月,研發(fā)人員認為該裝置具備條件,準備點火??呻S著點火指令發(fā)出、燃料閥門開啟,一盆冷水又澆了下來——8個燃燒器只有1個被點著。

研發(fā)人員沒有氣餒。經(jīng)過反復調(diào)試分析,9月27日,這臺重型燃氣輪機的8個燃燒器終于同時點火成功。

讓“熱聲振蕩尖叫”安靜下來

科學的大道上從來沒有坦途和捷徑,只有不避艱險、不怕困難,勇于面對挫折和失敗,才能摘取“皇冠上的明珠”?!皷|方汽輪機是一家以汽輪機為主導產(chǎn)品的發(fā)電設備制造企業(yè),但在重型燃氣輪機設計領域,很多問題從沒遇到過?!壁w世全說。

以該設備的核心部件燃燒器的工況為例,在燃燒器內(nèi)筒,高溫火焰與壓力波動“你來我往”,產(chǎn)生了一種叫作“熱聲振蕩”的現(xiàn)象。它是制約燃機研發(fā)的關鍵瓶頸,又是所有燃機研發(fā)歷程中的必經(jīng)之路。

2018年,燃燒技術團隊在開展燃燒器部件試驗時,遇到了約3000赫茲的高頻振蕩。刺耳的聲音穿透隔音防護傳至測控室,數(shù)秒后,大家才意識到,這就是“熱聲振蕩尖叫”。窺視鏡檢查顯示,設備部件已經(jīng)受損,裂紋、碎片均有出現(xiàn),試驗被迫停止。

面對前所未有的難題,工程師們查閱文獻資料,從原理入手,通過不斷嘗試匹配不同的燃料與空氣比例,控制火焰的位置與形態(tài),進而控制火焰與壓力波博弈的結果。經(jīng)過數(shù)天調(diào)試,終于找到了最佳燃料與空氣匹配比例,“安靜”地實現(xiàn)了預期試驗目標。此后,團隊成員又更進一步,著手研發(fā)出更精準預測“尖叫聲”的計算方法以及抑制手段,支撐與推進了整機試驗。

主機國產(chǎn)化率100%

燃氣輪機工作時,使用的高溫透平葉片需在普通金屬熔點溫度以上的條件下,以6000轉/分鐘高速旋轉,其葉頂線速度超過大型客機飛行速度的兩倍。而葉片的生產(chǎn)制造,因型線精度要求高、材料強度黏性大,機械切削加工難度巨大,只能采用精密鑄造成型技術。

“在葉片精鑄團隊成立時,大家的經(jīng)驗近乎一張白紙,前期試驗壓蠟出來的陶瓷型芯碎得‘稀里嘩啦’,同時伴隨著嚴重偏心?!碧飼跃дf,由于行業(yè)內(nèi)對相關技術普遍高度保密,鮮有公開發(fā)表的文獻,對科研團隊來說這又是一次從“0”開始的探索之路。

隨后,團隊成員夜以繼日、大海撈針般地搜索查閱文獻,偶然間在一篇綜述里發(fā)現(xiàn)了“型芯定位”的概念,還有一張模糊的圖片。這讓長久以來一籌莫展的團隊“靈光乍現(xiàn)”,他們結合自身產(chǎn)品實際,創(chuàng)新性地提出6點定位設計方法,并與模具供應商合作,成功解決了之前的斷芯和嚴重偏心問題。經(jīng)過多批次生產(chǎn)驗證,不但極大地改進了生產(chǎn)質(zhì)量,提高了效率,其成果“一種帶陶瓷型芯蠟模成型方法”還于2017年被授權國家發(fā)明專利。

方宇說,F(xiàn)級50兆瓦重型燃氣輪機研制項目中,先后聯(lián)合了高校、科研院所、產(chǎn)業(yè)鏈上中下游近300家企業(yè),共同打造安全可控、自主可靠的燃機產(chǎn)業(yè)鏈,最終實現(xiàn)主機國產(chǎn)化率100%。

黨的二十大報告提出,以國家戰(zhàn)略需求為導向,集聚力量進行原創(chuàng)性引領性科技攻關,堅決打贏關鍵核心技術攻堅戰(zhàn)。首臺國產(chǎn)F級50兆瓦重型燃氣輪機的成功研制,正是一個生動實踐。

(責編:王震、陳鍵)關注公眾號:人民網(wǎng)財經(jīng)

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