中國工業(yè)報記者  張楠

日前，華天航空動力自主研制的2MW級工業(yè)燃氣輪機完成3000小時加速考核試驗，承擔整機試車任務的試車臺由無錫華天燃氣輪機公司自主建設，這是江蘇地區(qū)首次實現(xiàn)小型國產(chǎn)工業(yè)燃氣輪機整機長試平臺的自主集成設計，是我國民營小型燃氣輪機自主創(chuàng)新發(fā)展歷程中的重要里程碑。

近日，華天燃機試驗臺設計建設團隊接受《中國工業(yè)報》專訪表示，燃氣輪機試驗測試平臺是燃氣輪機產(chǎn)業(yè)的基石，是確保燃氣輪機研制質量和性能的關鍵所在，民營燃氣輪機企業(yè)建設試驗臺需綜合考慮實用性、經(jīng)濟性及技術迭代發(fā)展等要素，全文如下。

記者：請問您能為我們介紹一下，華天最近完成的2MW級燃氣輪機試驗臺建設項目嗎？

華天：該試驗臺是為我公司全自主研制的HGT-2型燃機配套設計的，整個試驗臺由華天燃機全自主成套設計，未來華天燃機公司出廠的每一臺HGT-2型燃氣輪機核心機都會在該試驗臺上進行測試。該項目從2023年6月開始進行方案設計，到2024年2月系統(tǒng)完成調試，華天燃機設計團隊克服了諸多技術難題，通過精密的工程計算和創(chuàng)新的理念設計，實現(xiàn)了多個分系統(tǒng)設計集成及高效運行，成功完成了2MW級國產(chǎn)燃氣輪機試驗臺的建設并交付使用，為未來我們公司國產(chǎn)燃氣輪機先進技術迭代發(fā)展和應用打下了堅實基礎。

記者：華天為什么要投建這個燃氣輪機試車臺？燃氣輪機試驗測試的必要性是什么？

華天：燃氣輪機試驗能夠全面驗證其在各種運行條件下的性能表現(xiàn)，包括功率、效率、排放和可靠性等。只有通過嚴格的性能試驗，才能確保燃氣輪機達到預期的設計指標和客戶需求。以DoD（美國國防部）為代表的權威機構，通過嚴苛的試驗規(guī)范和標準，不斷促進燃氣輪機技術的進步。

DoD通過JSSG-2007（通用規(guī)范）、MIL-STD-1783（結構完整性大綱）等系列指南，要求燃氣渦輪發(fā)動機在極端溫度、振動和沖擊等條件下進行測試，對關重件進行損傷容限設計及試驗，進行長時間的持續(xù)運轉試驗，以評估其可靠性和維護需求，最終使得燃氣渦輪發(fā)動機在全生命周期成本、性能、適用性、可靠性、維修性、耐久性以及適航性等得到了較好的平衡。

對于華天來說，一方面，建設試車臺能夠支撐我們交付給客戶合格的產(chǎn)品。對于工業(yè)燃氣輪機，現(xiàn)場運行故障帶來的經(jīng)濟及名譽損失是巨大的，所以基本上每一個燃氣輪機制造廠商都會建設產(chǎn)品配套的試車臺。燃氣輪機交付前需要進行出廠驗收試驗，到了客戶處還要進行現(xiàn)場工況鑒證試車。燃氣輪機試車臺可以滿足不同類型的試車需求，如小試、中試、長試以及出廠驗收試車等。通過對燃氣輪機進行全面、系統(tǒng)的測試，不僅可以驗證性能指標，還可以發(fā)現(xiàn)潛在問題并及時改進，從而提高設備的可靠性和運行效率。

另一方面，建設試車臺并開展精細化的測試是企業(yè)產(chǎn)品進化、提升競爭力的基礎。燃氣輪機試驗條件及測試技術代表了企業(yè)甚至國家的工業(yè)基礎，燃氣輪機的設計方法和試驗技術是不可能從國外引進的，尤其是試驗數(shù)據(jù)庫，需要花費大量的資金、漫長的周期，是這個行業(yè)的門檻所在。我國由于沒有長時間的試驗數(shù)據(jù)積累，技術基礎薄弱制約了工業(yè)燃氣輪機的快速發(fā)展。

舉一個典型的例子，航空發(fā)動機或者燃氣輪機在使用過程中出現(xiàn)葉片裂紋，燃機供應商需要根據(jù)裂紋的位置、長度及載荷譜等信息，提出檢修方案或者嚴格的使用期限限制，以保證結構在給定的使用壽命期內不出現(xiàn)裂紋失穩(wěn)擴展。這就涉及到損傷容限設計評定方法及試驗數(shù)據(jù)庫，只有通過設計、分析和大量的部件、整機試驗驗證才能積累損傷容限的設計經(jīng)驗與規(guī)范，進一步為燃機檢修維護制定方案，這也是燃氣輪機的檢修及修理的專業(yè)壁壘較高的原因之一。

另外一個例子，隨著燃氣輪機燃氣初溫的提升或者摻氫比例的提高，燃氣輪機的關鍵部件——燃燒室的結構、材料、排放、熱聲震蕩、回火、腐蝕等問題都會逐步突出，仿真能夠解決的問題有限，因此完善燃燒室部件及整機集成試驗能力，要嘗試不同尺度燃燒測試以及不斷改進和完善細節(jié)設計，這都需要燃氣輪機試車臺的支持。

記者：能簡單介紹下我們試驗臺的組成嗎？燃氣輪機試驗臺建設或者運行的成本高嗎？主要是哪方面？

華天：試驗臺包括燃料系統(tǒng)、進排氣系統(tǒng)、通風系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、起動系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、傳動及支承、儀表風系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、負載系統(tǒng)、試驗測試系統(tǒng)等十多個系統(tǒng)。我們有經(jīng)驗豐富的燃氣輪機成套設計團隊及供應鏈團隊，他們有國內外多型燃機的成套系統(tǒng)及非標設備設計經(jīng)驗，這也是我們能夠短時間內完成項目落地的主要原因。

試驗臺建設成本主要是場地、土木建設及設備、測量儀器儀表等固定投入。相比建設成本，批量出廠試驗及長試帶來的燃料動力成本更為高昂，占整個試驗臺運營成本的90%以上，目前我們主要是使用管道天然氣為主，工業(yè)用氣較民用燃氣的單價高30%左右，為此一方面需要爭取優(yōu)惠的供氣價格，另一方面需要對發(fā)出的電、熱進行利用。

記者：燃氣輪機在研制過程中需要開展的試驗主要有哪些？我們的試驗臺可以滿足嗎？

華天：一款全新研制的燃氣輪機需要開展的試驗項目較多。按照試驗對象劃分，需要經(jīng)歷零部件試驗、系統(tǒng)試驗、核心機及整機成套試驗，對性能、結構、各部件及系統(tǒng)兼容性進行相應的試驗驗證；按照階段劃分，需要經(jīng)歷小試、中試及長試，對新產(chǎn)品性能、安全性、可靠性、耐久性、可維護性、環(huán)保合規(guī)性的全面考核。按照學科劃分，需要經(jīng)歷氣動性能、燃燒換熱、電氣控制、機械傳動、結構強度、材料工藝等各類學科試驗。因此對于燃氣輪機制造商來說，燃氣輪機試驗測試條件建設是開展燃氣輪機設計研發(fā)的硬件基礎，同時也是設備、材料、能源動力等資源投入最大的部分。

本次建設的試車臺為整機試車臺，主要用于華天HGT-2型燃機出廠試車，中試及長試，同時也會用于HGT-2型系列化升級的關鍵部件技術迭代，當然一個整機試驗臺不能解決所有試驗需求，部件專項試驗還是依托了國內供應鏈的支持，使得我們具備了整機集成驗證的條件。未來華天在無錫的燃氣輪機制造試驗園區(qū)會建設自己的部件試驗臺、科研試車臺及系列化出廠試車臺。

記者：目前我們已經(jīng)開展了哪些試驗？能簡要介紹一下嗎？

華天：試驗臺建成后，我們先后完成了靜態(tài)調試、各系統(tǒng)聯(lián)調聯(lián)試及保護功能檢查、機械磨合運轉、全速空載及滿載試驗等，完成規(guī)定試車圖譜各種工況的檢驗，并開展了突增負荷、甩負荷及超轉等特種試驗，目前正在進行機組的壽命累積試車。工業(yè)燃氣輪機的壽命評估主要通過啟停循環(huán)次數(shù)及累計運行時間來計算，我們采用等效運行小時（EOH）對不同工況消耗的壽命進行加權累積。目前HGT-2機組已經(jīng)完成超過等效3000小時的累積試車。

記者：國外先進燃氣輪機廠商試車一般做法是什么樣子的，我們試驗臺建設做法有何異同？

華天：燃氣輪機短時間試驗可以暴露喘振、振動、葉尖摩擦、高循環(huán)疲勞等問題，而其他高度依賴于時間和溫度的故障，如低循環(huán)疲勞、熱疲勞、蠕變和熱障涂層劣化等，都需要通過長時間的運行才會出現(xiàn)。所以燃氣輪機長壽命工作，必須進行耐久性長試試驗考核，這是業(yè)內共識。因此國外先進燃氣輪機廠商除了配套的科研試車臺、出廠試車臺外，還會建設燃氣輪機試驗電站，如三菱高砂T-Point、GE格林維爾試驗電站，目前國內在燃氣輪機長試方面，各廠商如中國重燃、東汽等均在逐步推進試驗電站建設。

華天燃機的長試試驗臺建設，參考了國外小型試驗示范電站的操作模式，強調與相關電廠用戶的戰(zhàn)略合作，試驗臺組件設計充分吸收了華天歐洲合作伙伴試驗基地的設計理念，并沒有采取業(yè)內普遍的室內、成本高昂的航空臺架試驗模式，大幅削減土建成本并開展能源利用，是目前適用于華天燃氣輪機快速成熟迭代的最優(yōu)方案。

記者：能更加具體介紹下華天燃機試驗臺建設策略是什么樣的？為什么選擇跟電廠合作？

華天：該試驗臺的建成離不開錫山經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)提供的大力支持、開發(fā)區(qū)管委會及錫山開發(fā)總公司給予的政策及空間支持。能達熱電作為錫山經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)集中供熱明星企業(yè)，在能源轉型及新能源技術應用方面有著迫切需求及長遠布局。華天燃機與能達熱電簽訂了技術合作協(xié)議，一方面開展燃氣輪機試驗平臺建設，另一方面，雙方聯(lián)合開展清潔能源燃氣輪機示范驗證。我們應該是國內第一家將出廠試驗臺建設在客戶處的燃氣輪機廠商，這種做法在國外也是比較常見的，如川崎在其神戶工業(yè)園區(qū)建設有小型燃氣輪機長試平臺及摻氫的示范驗證平臺。

為了將試驗臺建設與實際應用場景相結合，我們采用了小型燃氣輪機的出廠試車與長試、示范驗證一體化策略，通過與熱電廠進行戰(zhàn)略合作，在熱電廠進行試運行測試，充分利用電廠的資源和條件，對電力、熱力進行消耗，貼近燃機實際運行工況，確保對燃氣輪機所有功能的全面測試和驗證。

這種一體化的試驗模式不僅提高了測試場景的準確性，能夠更好地貼近客戶的需求，同時大幅削減了試驗投入成本，可以更全面地搜集燃機運行信息，包括但不限于材料組織和性能退化規(guī)律、各部件性能惡化規(guī)律、維護保障清洗策略等，便于驗證維護資料的可操作性，確定燃機的維護、檢修策略。

記者：那我們這個試驗臺可以服務于“兩機”產(chǎn)業(yè)鏈的其他企業(yè)嗎？

華天：華天的企業(yè)使命就是推動能源進步，建設試驗臺的初衷也是開放包容的，我們歡迎從事“兩機”產(chǎn)業(yè)鏈的其他企業(yè)在我們試驗臺上開展技術、材料或者工藝驗證工作。整機試驗相對于零部件試驗能夠提供更為準確真實的工作環(huán)境，對材料力學性能、工藝可靠性考核更為真實精確。譬如限制我國燃氣輪機快速發(fā)展的熱端部件材料工藝、高精度調節(jié)閥門、長壽命軸承、純氫低排放燃燒室等均可以在我們的長試試驗平臺上驗證，并且經(jīng)濟性上也是最好的，通過這種模式，我們希望帶動整個行業(yè)技術的迭代發(fā)展。

記者：能否介紹下燃氣輪機試驗測試技術？

華天：首先，燃氣輪機試驗測試是一門綜合性、多學科融合、對經(jīng)驗積淀要求較高的技術，燃氣輪機內部運行環(huán)境惡劣并且復雜多變，我們一般稱為燃氣輪機中的“三高”，氣流最大壓力高于4000kPa、溫度最高可達2000℃、速度高于600m/s，如何以盡可能小的誤差及干擾對燃氣輪機運行過程中的參數(shù)進行測量，極為考驗設計能力。

國外知名的燃氣輪機制造商、研究機構以及專業(yè)測試設備制造公司在測試技術研究方面持續(xù)加大投入，掌握了大量先進的測試技術。目前在國內具備相關的試驗條件、能夠開展燃氣輪機專項測量設計與實施的單位鳳毛麟角。舉一些專項測量的例子供您有直觀的感受：

目前三維小型化氣動多孔探針直徑可以做到2mm，耐溫可達到1000℃，與位移機構配合使用可以在盡量減小對流路影響的條件下，實現(xiàn)級間、間隙處等復雜流場分布測量，精度可以達到0.1級。而用于高溫測量的熱電偶，長時間耐溫可達到1800℃，短時耐溫可以達到2000℃，基本可以滿足目前最先進燃機的溫度測量。

燃燒室熱聲震蕩測試通過監(jiān)測和分析燃燒室內不同位置的聲壓、氣壓及溫度變化，幫助工程師了解聲波與火焰的相互作用及振蕩模態(tài)變化，涉及的參數(shù)多且復雜，對數(shù)據(jù)采集和處理的要求非常高，需要從眾多背景噪聲、海量動態(tài)高頻數(shù)據(jù)中識別燃燒室潛在的流動性、結構性問題并采取相應的主被動措施進行改進。

透平葉片表面溫度測量是為了研究工作狀態(tài)下透平葉片表面或近表面溫度梯度，進而探究燃機熱端動力輸出部件的溫度分布情況和耐高溫性能，可以為透平葉片的結構設計和服役工況提供重要的試驗數(shù)據(jù)和評價依據(jù)，保證燃氣輪機可靠性的同時降低了研發(fā)測試成本。常用的測溫技術有薄膜熱電偶測溫、晶體測溫和示溫漆三種，華天目前采用的是示溫漆測溫技術，測溫范圍可以達到150~1350℃，測溫精度達到±15℃。

喘振是指核心機內部發(fā)生的不穩(wěn)定振蕩現(xiàn)象，可能導致葉片疲勞破壞和機械損傷，嚴重影響燃氣輪機的安全運行。核心機失速喘振在線預判技術通過實時監(jiān)測典型截面，一般是壓氣機出口的脈動壓力信號，并結合頻域、時域數(shù)據(jù)分析和模型預測，可以及時識別喘振的風險，并提前預警，采取相應的措施避免或減輕喘振的發(fā)生。脈動壓力測試屬于常規(guī)測試技術，但是針對數(shù)據(jù)的凝練總結可以適用于不同機型的失速喘振在線預判準則技術難度較大，沒有大量的試驗數(shù)據(jù)作為訓練輸入很難研制成功。

燃氣輪機試驗測試技術一項高度依賴測試工具及經(jīng)驗積累的學科，最佳測量方式選擇、測點的布置、數(shù)據(jù)處理修正、數(shù)據(jù)類型的抓取利用跟設計人員的知識儲備及測試經(jīng)驗高度相關，沒有經(jīng)過大量工程項目積淀甚至是故障處理經(jīng)驗，很有可能造成測試數(shù)據(jù)是失真甚至無效的。

隨著燃氣輪機性能逐步提升，設計難度逐漸增大，燃氣輪機試驗測試技術也在逐步迭代發(fā)展，接觸式光電、激光測量、非接觸式測量等技術逐步走向成熟，未來更高精度、更寬測量范圍、更高傳輸速度的實時、智能化測量技術會逐步應用。

記者：國內在燃氣輪機試驗領域的標準進展如何？燃氣輪機滿足什么樣的標準才能交付客戶？

華天：燃氣輪機標準是極其重要的，它可以確保產(chǎn)品質量和安全性、引領性能提升與技術創(chuàng)新、促進交流和合作，總結提煉了燃氣輪機廠商及客戶對產(chǎn)品的需求及多年的設計經(jīng)驗。

在航空發(fā)動機領域，GJB241A及CCAR-33對渦輪發(fā)動機在各個階段需要開展的試驗項目做了詳細規(guī)定。在燃氣輪機領域，我們國家對標美國機械工程師協(xié)會ASMEPTC22及國際標準化組織ISO2314，編制了GB/T28686《燃氣輪機熱力性能試驗》及GB-T14100《燃氣輪機驗收試驗》兩份國標，對燃氣輪機驗收過程中，確定燃氣輪機在試驗條件下的熱力性能及試驗結果的修正給出了方法。鑒于工業(yè)燃氣輪機的行業(yè)屬性，應用場景、設備類型、客戶需求等有所差異，目前尚無統(tǒng)一標準對燃氣輪機需要開展的試驗項目進行規(guī)定，一些行業(yè)標準，如美國石油與天然氣行業(yè)協(xié)會API616對燃氣輪機交付時需要開展的試驗項目進行了建議，另外，與客戶簽訂的合同對于試驗內容的約束也會作為燃氣輪機試驗設計的輸入。客戶現(xiàn)場72小時滿負荷試運行是燃氣輪機正式交付客戶、開始商業(yè)運行前的最終考核試驗。

除了國家標準、行業(yè)標準，一流的燃氣輪機企業(yè)都會建設企業(yè)內部標準或者指南，如GER、GENPITN，這些標準一般為技術秘密，代表了企業(yè)的競爭力，其執(zhí)行標準及細致程度比國標、行標都要嚴格的多。依據(jù)試驗臺測試得到的數(shù)據(jù)及安裝維護經(jīng)驗，華天已經(jīng)逐步建立起了自己的內部試驗測試規(guī)范。

未來，隨著試驗數(shù)據(jù)積累、工程實踐經(jīng)驗逐漸豐富，我們應當推動適合自身工業(yè)體系的試驗標準的建立，提升我國燃氣輪機產(chǎn)業(yè)核心競爭力、推動產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展。

記者：簡單介紹下該試驗臺未來的發(fā)展規(guī)劃，我們未來重點關注的方向？

華天：未來HGT-2型系列燃機會在保持現(xiàn)有構型基礎上，通過提高渦輪負荷水平、燃燒室新技術迭代升級、新材料涂層工藝的應用等手段促進產(chǎn)品迭代升級。該試驗平臺在各系統(tǒng)方案設計時就考慮了兼容性、可升級性。該試驗臺未來會作為華天及用戶方在新能源燃機關鍵技術方面的探索驗證平臺，滿足客戶在新能源燃機方面的需求。試驗臺燃料系統(tǒng)具備高比例摻氫、摻氨、伴生氣、雙燃料（煤油、甲醇）等不同類型燃料的供給能力，為華天新能源燃機研制提供服務。

結束語

未來，無錫華天燃機將繼續(xù)秉承“嚴慎細實求是精進”的理念，不斷完善試驗平臺與測試技術，推動燃氣輪機新技術的創(chuàng)新和應用，為推動我國能源產(chǎn)業(yè)的轉型升級作出貢獻。