“雄鸡一唱天下白”，2023年3月8日，伴着一声响亮的机械轰鸣，一台来自中国的“争气机”在广东清远经历72+24小时试运行后，正式投入商业运行，这是我国首台自主研制的F级50兆瓦重型燃气轮机发电机组G50，它的诞生完成了从“0”到“1”的科技突破，使中国有了100%纯国产的重型燃机。
我国首台自主研制的F级50兆瓦重型燃气轮机成果商用（图片来源：CCTV13 朝闻天下）
这台“争气机”可不一般，它的工作温度超过1300℃，接近火山岩浆的高温，工作压力达到18个大气压，相当于海底180米深度的水压，在如此严苛的高温高压环境下，燃机涡轮还要以每分钟6000转的转速高速旋转，线速度超过大型客机飞行速度的2倍。当它进行联合循环，一小时的发电量就超过7万千瓦时，可以满足7000个家庭一天的用电需求，相较于同功率的火力发电机组，G50重型燃气轮机一年可减少碳排放超过50万吨。
为什么要把重载燃气轮机称为“争气机”呢？
如同蒸汽机掀起了第一次工业革命的热潮，燃气轮机是新时代国家能源安全和国防安全的战略性装备，广泛应用于国防、交通、能源、环保等各个领域，而重型燃气轮机更是先进发电设备、航空装备、军用舰船（航母及潜艇）等大国重器的“心脏”。
F级50MW重型燃气轮机（图片来源：中新网）
燃气轮机的能量转化方式与蒸汽机相同，都是将燃料的化学能转化为动力（或电力），不同的是，蒸汽机是烧水，将水变成蒸汽时，体积膨胀从而驱动活塞（或汽轮机等其他动力机械）做功。
蒸汽机的工作原理示意图，火加热锅炉中的水（蓝色），水变成蒸汽（粉红色），蒸汽膨胀推动活塞往复运动 图片来源：Wikipedia
燃气轮机并不需要加热蒸汽作为中间介质，而是将燃气直接通入涡轮膨胀做功，这就要求燃气轮机的部件能够长时间地承受极端的高温、高压、高转速并保证整机安全稳定的运行，而更高的运行参数也显著地提高了设备的做功能力，使燃气轮机具备单位功率大，启动速度快、机动性强，能量转化率高的特性。
当燃气轮机工作时，它会连续地从大气中吸入空气并将其压缩，压缩后的空气被送入燃烧室，与喷入的燃料充分混合后燃烧，成为高温、高压的燃气，随即被通入燃气涡轮中推动涡轮叶轮旋转并膨胀做功，输出的功率可作为动力或被转化为电力。
燃气轮机结构示意图（图片来源：http://www.timetoast.com/timelines/abel-project-tl）
燃气轮机被誉为装备制造业“皇冠上的明珠”，尤其重载燃气轮机号称“世界上最难制造的机械设备”之一，它由数万个零件组成，涉及机械、冶金、材料、化工、能源、电子、信息等诸多领域，涵盖气动力学、工程热力学、燃烧学、结构力学、控制理论、材料学、制造工艺等基础学科和工程技术的交叉融合，它的研发集中体现了一个国家科技水平和综合国力。
产线机器人放置完工叶片（图片来源：中新网）
重型燃气轮机的研发是一项复杂的系统工程，其技术难度高、研发投资大、实施周期长。自1939年世界第一台发电用重型燃机诞生，重载燃机几经技术革新和产业重组，仅有美国、日本、德国等少数国家能够自主研发重型燃机的能力。
重型燃气轮机G50整机试验台（图片来源：东方汽轮机有限公司供图）
为服务国家重大战略，我国设立“航空发动机与燃气轮机”国家科技重大专项（“两机专项”），国家能源局将F级50兆瓦重型燃气轮机列为能源领域首台（套）重大技术装备示范项目。在国家的大力支持下，东方电气等央企联合高校、科研院所组建科研团队，统筹产业链上中下游企业汇聚优势资源，开展了艰苦奋斗的自主研发之旅。自2009年开始研发至今，捷报频传，2016年建成国内首批压气机、燃烧器、透平部件级试验台，2018年研制成功压气机、燃烧器，2019年实现全部高温部件的100%自主制造，整机点火试验一次成功，2020年首次运行至100%负荷，2022年底在华电清远实现一次点火成功，2023年正式转入商业运行。
重型燃机的生产装配过程（图片来源：CCTV13 朝闻天下）
仅仅13年，我国重型燃机经历了从基础理论、单元技术、零部件实验、系统集成、综合验证、产品应用的全过程，跨越式地走完了西方国家几十年发展的道路。我国真真切切地掌握重型燃机自主设计、制造、试验及商业运行的100%国产化能力，打造安全可控、自主可靠的燃机产业链，填补了我国自主燃气轮机应用领域空白。
虽然，当前商用的F级50兆瓦重型燃气轮机发电机组G50距离世界最先进水平仍有一定差距，但建设的自主设计体系、掌握的核心方法、构建的自主知识产权、培养的高素质人才队伍，都将带动燃机学科和产业协同发展。
首台国产高能效重型燃气轮机下线（图片来源：CCTV13 朝闻天下）
更可喜的是，目前首台国产空气冷却最高能效等级的重型燃气轮机在河北秦皇岛顺利下线，发电效率超过64%，代表着当前燃机发电行业最先进的技术，成为当今世界效率最高的热功转换设备。新一代的燃气轮机将成为我国实现“碳达峰、碳中和”的神兵利器，也将给予保卫国家安全的国之重器一颗更强劲的心脏。国产“争气机”的故事还在继续，我们拭目以待！
出品：科普中国
作者：姚禹（中国科学技术大学）
监制：中国科普博览