在科技創(chuàng)新與能源轉型的浪潮中，我國能源裝備領域迎來了又一振奮人心的消息——我國自主研制的300兆瓦級F級重型燃氣輪機在上海臨港首次點火成功，這是繼今年2月首臺樣機總裝下線以來取得的又一重要里程碑成果，標志著我國重型燃氣輪機自主研制全面進入整機試驗驗證階段。這一成就，不僅彰顯了我國能源科技的實力，也引出了一個值得深入探討的問題：為何重型燃氣輪機在全球能源體系及國家發(fā)展戰(zhàn)略中占據(jù)著如此舉足輕重的地位？

燃氣輪機是航空、艦船和能源領域的核心動力裝備，按照結構設計特點可以分為重型燃氣輪機、航空發(fā)動機和輕型燃氣輪機（或航改燃機）。燃氣輪機設計、制造難度極大，具有技術密集度高、產(chǎn)業(yè)帶動面廣、軍民結合屬性強等特點，是一個國家工業(yè)水平的集中體現(xiàn)，也是關乎國家安全和國民經(jīng)濟發(fā)展的“國之重器”，因此被譽為裝備制造業(yè)“皇冠上的明珠”。

重型燃氣輪機的功率是傳統(tǒng)發(fā)動機的數(shù)百倍，可用于天然氣發(fā)電、電網(wǎng)調(diào)峰或減載，并作為中型航空母艦和驅逐艦的動力源。就工作原理而言，重型燃氣輪機是一種高速旋轉的葉輪機械，通過壓縮、加熱、膨脹、放熱4個熱力過程將燃料的化學能以及流體動能轉換為動力。在這一轉換過程中，燃氣初溫、壓氣機壓比是影響燃氣輪機效率的主要因素。20世紀50年代，發(fā)電工業(yè)引入了燃氣輪機。目前，燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)發(fā)電已經(jīng)達到全球發(fā)電總量的1/5（歐美國家已超過1/3）。隨著世界范圍內(nèi)天然氣資源的開發(fā)利用，重型燃氣輪機在發(fā)電領域得到全面應用，其優(yōu)異的調(diào)峰能力使其在未來以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)中發(fā)揮越來越重要的作用。我國電力行業(yè)對重型燃氣輪機產(chǎn)品需求迫切，在最為重要的清潔發(fā)電方向，2021年氣電總裝機容量約為1.086億千瓦（占電源總裝機容量的4.6%），2025年前預計新增氣電裝機容量3200萬千瓦。在碳達峰碳中和戰(zhàn)略目標提出后，能源消費清潔低碳化進程將進一步加快，電力也將占據(jù)能源體系的主導地位，相關發(fā)展任務艱巨。

長期以來，國際上形成了行業(yè)巨頭高度壟斷的重型燃氣輪機技術與行業(yè)發(fā)展格局，這主要是受核心技術門檻高、產(chǎn)業(yè)規(guī)模化發(fā)展、市場競爭等歷史性因素的影響造成的。國際主流重型燃機廠商主要包括美國通用電氣、德國西門子和日本三菱重工。另外，意大利安薩爾多在2016年收購了法國阿爾斯通的燃機資產(chǎn)，也成為全球較大的燃機制造商之一。

我國在重型燃氣輪機制造領域起步較晚，技術積累薄弱，過去長期依賴國外企業(yè)來滿足設備需求并進行產(chǎn)品維護。追溯歷史，我國從20世紀50年代末開始發(fā)展燃氣輪機技術。通過仿制和研制，到20世紀70年代初，國內(nèi)廠家研制出了若干車用和發(fā)電用燃氣輪機，為我國燃氣輪機工業(yè)奠定了初步基礎。然而，自20世紀80年代至20世紀末，受限于國內(nèi)油氣供應短缺，燃氣、燃油發(fā)電行業(yè)進入低潮期，延緩了我國燃氣輪機技術的進步，導致與國際先進水平之間的差距被迅速拉大。

自2002年7月起，國家發(fā)展改革委組織了多次F級和E級燃氣輪機的“打捆招標”，旨在通過市場換技術等合作方式，推動上海電氣、東方電氣和哈爾濱電氣（即三大電氣集團）與國外燃氣輪機企業(yè)合作，引進重型燃氣輪機制造技術。盡管有這些合作，燃氣輪機的設計技術、核心部件（燃燒器部件、高溫透平葉片部件）的制造和維修技術、試驗技術等，仍掌握在外方手中，未實現(xiàn)技術轉讓。因此，目前在役的重型燃氣輪機仍以國外產(chǎn)品為主，存在供應鏈中斷或停運的風險，威脅電力供應穩(wěn)定和國家能源安全。在此背景下，自主研發(fā)重型燃氣輪機成為抵御外部環(huán)境風險的關鍵。面對外部技術封鎖和內(nèi)部資源約束，企業(yè)必須從零開始，加速自主研發(fā)進程，以確保國家在技術裝備上的自主性和創(chuàng)新能力，推動產(chǎn)業(yè)鏈轉型升級。

在科技強國戰(zhàn)略的引領下，我國重型燃氣輪機行業(yè)已邁入自主研制、創(chuàng)新發(fā)展和戰(zhàn)略轉型的關鍵階段。燃氣輪機制造企業(yè)聚焦重型燃氣輪機，攻克多項關鍵技術，貫通設計制造全流程，取得了一系列重大突破。2022年11月，東方電氣自主研發(fā)的F級50兆瓦重型燃氣輪機正式發(fā)運，標志著中國自主燃氣輪機產(chǎn)業(yè)開啟了高質(zhì)量發(fā)展新篇章。隨后，2023年6月，中國航發(fā)研制的“太行110”重型燃氣輪機（AGT-110）在深圳通過驗證。2024年2月，我國首臺自主研制的300兆瓦級F級重型燃氣輪機樣機成功下線，其技術指標與國際主流相當，由國家電投集團聯(lián)合三大電氣集團組建的中國聯(lián)合重型燃氣輪機技術有限公司（中國重燃）負責實施，上海電氣集團總裝制造，并有來自19個省市的200余家單位參與。今年7月，東方電氣自主研制的15兆瓦重型燃氣輪機（G15）在四川德陽下線。

當前，重型燃氣輪機的技術發(fā)展正聚焦于多個關鍵領域，包括先進材料與智能制造、靈活燃料低污染燃燒、高效氣動與先進冷卻技術、系統(tǒng)智能測控與運維，以及新型高效發(fā)電系統(tǒng)等。這些領域的進步不僅推動了燃氣輪機性能的提升，也為其未來發(fā)展奠定了堅實基礎。展望未來，重型燃氣輪機正朝著極限效率、經(jīng)濟可靠、超長壽命的方向發(fā)展。由于燃氣初溫和壓氣機的壓比是決定燃氣輪機效率的關鍵因素。為實現(xiàn)這一目標，需要不斷提升燃氣初溫、部件效率，并增強結構可靠性。因此，燃燒技術、結構材料與涂層、增材制造、熱管理、高保真綜合仿真與驗證試驗、先進熱力學循環(huán)、系統(tǒng)集成與優(yōu)化、基于狀態(tài)的運行與維護、數(shù)字孿生技術及相應基礎設施等領域，將成為未來的研究重點。同時，隨著碳達峰碳中和戰(zhàn)略目標的提出，凈零排放和靈活燃料燃氣輪機的發(fā)展日益加快。這要求燃氣輪機不僅要具備更強的摻氫、純氫燃料適應性，還需具備更寬的負荷調(diào)節(jié)能力和更低的污染物排放性能。因此，燃料系統(tǒng)、燃燒室等關鍵部件的材料及制造工藝、新型燃燒室設計等成為亟待解決的關鍵技術問題。

重型燃氣輪機之所以如此重要，不僅因為其作為能源轉換與供應的核心設備，在全球能源體系中扮演著關鍵角色，更在于其技術的發(fā)展與突破對于國家整體科技實力、能源安全、綠色轉型以及國防能力的提升具有深遠影響。黨的二十屆三中全會明確提出要完善推動新能源、新材料、高端裝備等戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策和治理體系。重型燃氣輪機正是這一戰(zhàn)略方向上的重要一環(huán)。因此，我國自主研制重型燃氣輪機不僅是一項重大的科技任務，更是實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展、保障能源安全、促進綠色轉型以及提升國防安全水平的必由之路。

（作者系北京科技大學材料科學與工程學院教授）