睡前消息561期：中国“争气机”，为第2次工业革命补课

2023年3月10日睡前消息文字版第561期

睡前消息561期文稿：中国“争气机”，为第2次工业革命补课

大家好，2023年3月10日星期五，欢迎收看第561期睡前消息，请静静介绍话题。

前天3月8日，广东清远的天然气能源站有一台50兆瓦燃气轮机完成了运行测试，正式投入商业使用。这台发电机在今年1月3日第一次上网发电，过去几个月，从测试到发电再到商业运行，新华社和其他媒体一直说这台机器是“争气机”。对于中国的官方媒体来说，“争气机”是一个有特定概念的名词，用来形容弥补国内产业缺口的技术突破，往往对应从无到有的技术设备。比如说 “银河”巨型计算机、“曙光1号”计算机、“天河一号”超算机、歼十、空警2000。这些几年出现一次的重大技术进步才能得到“争气机”的冠名。现在国内主流火电站的单台机组功率已经达到1000兆瓦，为什么50兆瓦的燃气轮机也被称为“争气机”？

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http://www.ce.cn/xwzx/gnsz/gdxw/202301/04/t20230104_38325086.shtml
https://news.bjx.com.cn/html/20181017/934609.shtml
http://www.chinanews.com.cn/gn/news/2009/08-28/1839866.shtml
http://www.carch.ac.cn/rwzf/201907/t20190703_498418.html
https://www.cma.gov.cn/2011xwzx/2011xmtjj/201412/t20141216_269792.html
https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_11844321

燃气轮机是第二次工业革命的顶峰技术。中国在19世纪和20世纪落后世界太远，现在虽然已经摸到了信息时代的门槛，还是经常被之前的技术缺口限制发展空间。这台50兆瓦的发电机的确功率不大，从技术上说也只是发达国家的常用机型水平，但能实现完全国产化，而且稳定运行到可以商业并网发电，解决了中国军民两方面的重大缺口，也为将来追赶先进技术提供了平台和利润，所以算是“争气机”。

现在全球30%发电量在中国，每年发电量是8.4到8.5万亿度，而美国只有4.3万亿，总量方面已经有绝对优势了。

但是，中国人口多，能源稀薄，而且实体经济耗电多，接下来还要考虑人均发电量问题。就算考虑到将来人口会快速下降，起码也要再加5到10万亿度电，才能和美国比人均。

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这新增的5到10万亿度发电量，肯定会在现有的发电工业基础上发展。但是考虑到能源结构和发电质量，各种发电模式的比例肯定和现有电力工业有明显区别。

当前国内比例最大的发电模式是烧煤。2021年的8.5万亿度电，有超过5万亿度来自煤炭热电厂，占全国60%。为了支持发电，2021年全国消耗了44亿吨煤，至少22亿吨用于发电。如果保持目前电力生产结构，新增的10万亿度电，就要多消耗电煤25.8亿吨，就算把国际市场上交易的十几亿吨煤全买来也不够用。

中国国内的煤田当然还有开发潜力，但务必记住采煤是是要死人的，无论怎么注重安全生产，在充满瓦斯和地下水的几百米深处挖煤，就是用一定比例的人命换来城市的稳定供电。井下挖煤的危险性就不用说了。就算是露天采煤相对安全，不知道有多少观众还记得，几个星期之前的2月22日，内蒙古阿拉善左旗露天煤矿刚刚埋了50多人。进入3月以来，我还没看到阿拉善煤矿有任何官方报道，这说明大多数遇难者现在连尸体在哪都不知道。

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限制煤炭开采的另一个问题是水。煤矿开采会导致地表沉陷、地下水位下降，而且煤炭必须要用水洗才能成为合格产品。目前我国14个大型煤炭基地，有11个分布在干旱、半干旱地区，从供水能力看，未来也不可能再增加二十多亿吨产能。这两年经济危机，我们暂时降低了对新能源的乐观期待，甚至降低了之前对“碳中和”的规划标准，回头给煤矿增加了更多的生产压力，但是从长期来看，就算不考虑环保，煤炭发电也必须在几年内达到生产顶峰。

https://m.mnr.gov.cn/dt/ywbb/202209/P020220921322248251216.pdf

之前的规划是2030年要“碳达峰”，现在看目标也许有所推后，但也必须承担相应的国际压力。从长期来看，控制碳排放对所有人都有好处，中国还是要找其他方面的发电增量。

http://www.hydropower.org.cn/showNewsDetail.asp?nsId=30013
https://www.chyxx.com/shuju/202203/997247.html
http://nyj.guizhou.gov.cn/zwgk/xxgkml/zdlyxx/tjsj/202201/t20220127_72427391.html
https://chinanpo.mca.gov.cn/xwxq?newsType=6000&id=18880
https://www.chinairn.com/news/20221205/174956507.shtml
https://mcoal.in-en.com/html/coal-2617442.shtml
https://bbs.csdn.net/topics/608112266
https://news.bjx.com.cn/html/20190315/969088.shtml
https://baijiahao.baidu.com/s?id=1721803341092398035&wfr=spider&for=pc
http://www.zgmt.com.cn/magazine/magazineContent.do?catalogdataid=44fed8ec10d041558529fdc61986df15
https://xueqiu.com/2146735372/221015722
https://www.asianmetal.cn/news/data/2481829/

过去中国说道清洁能源，主要方向是建水电站，现在第二大发电方式也是水电。2021年水电发电量1.34万亿度，占15.7% ，这体现了中国的地理优势。中国有一个面对印度洋的世界屋脊高原，每年自然风送到山顶的水蒸气可以支持经济发展，水力资源世界第一。

但是通过过去十几年的爆炸式基建，适合搞水电的山谷基本上都已经占满了，未来建水电站，为每度电付出的代价要指数上升，而且在扩张到每年2万亿度之前，就会达到地理上的极限。

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另外，去年夏天四川重庆的停电问题很严重，现在应该还有观众能记得当时打不开空调的绝望感。这里面一部分原因是水电季节性波动大，丰水期窝电送不出来，枯水期正好和空调用电高峰撞上，制造停电危机。所以未来发电量再翻一番，必须考虑其他方案。

http://www.nea.gov.cn/2016-11/30/c_135870071.htm

接下来是核电和和风力发电、太阳能发电，这的确是最环保的供电方式，最近几年增长也很快。但这些电力供应或者不稳定，或者有巨大的潜在危机，必须有其他供电方式做强力辅助，才能发挥作用。

https://baijiahao.baidu.com/s?id=1724180698157975670&wfr=spider&for=pc
https://nnsa.mee.gov.cn/ywdt/yjzx/202202/t20220208_968871.html
https://m.in-en.com/article/html/energy-2318308.shtml
https://baijiahao.baidu.com/s?id=1722199998686994459&wfr=spider&for=pc

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比如说，风力和光伏发电，从生产方到电网再到用户，所有人都抱怨新能源发电太不稳定。比如说，风电发电高峰在凌晨，午后是发电低谷，单日内波动幅度最高能到80%；而光伏发电高峰是中午，之前之后都会回落，震荡波幅达到100%。这意味着风电光伏供电高峰往往和用电高峰错开，必须有其它发电设施进行调峰才能用。

https://baijiahao.baidu.com/s?id=1728679639603769158&wfr=spider&for=pc
https://www.yicai.com/news/101620884.html

核电发电倒是很稳定，但除了潜在安全问题之外，调节功率的响应速度也不能解决新能源的波动。平时核电通过控制棒实现阶梯式启停，柔性调整功率要靠调节硼酸盐溶液浓度来实现。一般来说，核电最经济的运行方式，就是维持额定功率输出，按计划进行周期性检修。

比如说，法国核电比例高，经常用核电厂参与调峰，平抑新能源和用户的供求矛盾，结果就是平均每年非计划停堆小时数，远高于其它国家机组，从使用方式来说，这是中国的反面教材。从全世界来看，一个地区如果核电占比高，供电灵活度就会下降，反而需要更多的应急电源来调峰。

https://baijiahao.baidu.com/s?id=1631140508527361146&wfr=spider&for=pc

总而言之一句话，发电量越大，越是需要一定比例的预备发电能力，能随时启动随时叫停，而且保持安全性，否则发电和用电的波动会抵消电力经济的好处。

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过去国内主要用煤电、水电调峰，但从自然条件看，火电、水电都没法再大规模扩张，而且水电有季节性波动，各地调峰小火电污染大，都不适合越来越大的经济规模。中国在发电量快速上升的同时，急需一种新的可靠调峰电源，给电力系统提供足够多的安全性。

https://www.vzkoo.com/read/20220813749359a1cb3bb32b2bda252e.html

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睡前消息节目之前介绍过各种调峰电站的尝试，比如利用重力的抽水蓄能，利用退役汽车电池的的电化学储能，利用现有矿井的岩穴储能。但这些电站也需要特定的地理环境，需要适应其他产业的波动，都不能随便扩大规模。最后，通过排除法可以发现，最可靠，最环保，最及时的发电预备队，是燃气轮机热电厂。

http://www.nea.gov.cn/2018-08/02/c_137363926.htm
https://baijiahao.baidu.com/s?id=1745311290136249946&wfr=spider&for=pc

进入21世纪以来，中国发达地区已经在大量建设燃气轮机电厂了，这次上“争气机”的地方，也是用电高峰广东省。过去我国重型燃气轮机长期依赖进口，最近十几年，国内加大对重型燃气轮机的研发投入，终于在东方电气集团的50兆瓦燃气轮机上拿到了段性成果。

510期睡前消息，我们分析过燃气轮机需要的技术层次。连俄罗斯都造不出工业用的重型燃气轮机。俄乌战争之后俄罗斯被制裁，只能求伊朗制造德国燃气轮机的山寨货才能维持天然气生产。造燃气轮机，和其他火力发电机有什么区别？

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看燃气轮机的剖面图，左边的压气机叶片压缩空气，送进燃烧室和燃料混合燃烧，然后在高温涡轮处膨胀做功，带动整个发电机旋转，发电的同时也吸入更多空气。

其他利用热能的大型发电机，往往是用一种或者几种液体或者气体当中介，把能量传给发电部件。而燃气轮机直接把发电部件和燃烧室连接在一起，所以最难稳定运行。

对于民用发动机产品来说，热效率越高，市场竞争力就越强。而从最基本的热力学原理来说，提升燃气轮机热效率，主要办法是增加做功气体的温度。具体到燃气轮机的运行，要控制两个指标，一个是涡轮进气温度，也叫燃气初温；另一个是提高压气机对空气的压缩比例。

这里面最核心指标就是燃气初温，燃气初温越高，效率越高，发动机功率重量比（比功）也越高。同等条件下，燃气初温平均每提高100度，热效率能提高2到3个百分点，输出功率能提高20%以上，所以燃气轮机等级就是按照燃气初温划分的。这次中国解决国产化的F级燃气轮机，是发达国家的民用主流机型，热效率能达到35%。

重型燃气轮机有2万多个零部件，按运行温度，可分为燃烧室之前的冷端部件与燃烧室之后的热端部件，热端部件直接面对高温燃气，是燃气轮机最核心的技术。过去中国燃气轮机工业长期落后，根本摸不着F级设备的边。二十年前，国家决定像高铁那样，用市场换技术，引进一批F级燃气轮机产线。

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从2003年3月起，发改委组织了3次“打捆招标”，引进120兆瓦E级与260兆瓦F级燃气轮机六十多套。东方电气、上海电气、哈尔滨电气分别与三菱、西门子与通用电气展开合作，各自研发。前几年的消息，东方电气集团已经把国产化率提高到79%。

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但外国企业向我国转让的技术，基本都局限在冷端部件制造和整机装配这些低附加值环节，燃气轮机设计、热端部件制造、控制系统这些核心技术，发达国家希望中国能进口就可以了。

所以这些进口的重型燃气轮机，一旦动叶、静叶、护环、燃烧器这些热端部件出问题，只能靠原厂商，或者被授权的维修企业进行检修，费用必然很高。在控制系统方面，由于检测点与控制逻辑开放度很低，只能靠原厂商做燃烧调整，发电企业很难确保机组的燃烧脉动已经降到最小，不能自己开展异常诊断、分析，影响了到生产安全。

中国买这些燃气轮机，就是为了做发电预备队的，用来调节新能源发电的峰谷，所以燃气轮机机组经常频繁启动停机，工作环境跟原厂设计条件不同。这也导致维修周期、使用寿命缩短，进一步增加了发电企业运行成本。十几年来，从制造厂到用户，中国社会一直在推进重型燃气轮机自主国产化。

——《大型发电企业燃机技术发展路径研究》；2018

前面说了，越热的燃气轮机，效率越高。热端部件国产化，在设计、材料、加工工艺方面最大的挑战就是高温。燃烧室与高温涡轮不仅运行时要承受高温，还要在频繁开启、关停过程中承受温度剧烈变化击，工作条件恶劣，是决定燃气轮机寿命的关键部件。

在热端部件中，燃烧室火焰筒与高温涡轮叶片的工作条件最差，要用镍、钴基材料做成高温定向结晶甚至单晶合金。但发展到现在的主流机型，工作温度还是超过了金属合金熔点，必须上更多的技术手段维持工作温度。

在所有的热端部件中，技术难度最高的是高温涡轮叶片。

燃机涡轮叶片分为静止叶片和转动叶片，简称静叶和动叶。静叶是固定在燃机结构上的叶片，是定子；动叶就是与涡轮轴一起旋转的叶片，是转子。功能上静叶负责组织燃气轮机内部的流场，起到喷嘴的作用，让气体以最佳角度吹到每个动叶叶片上，因此在燃气轮机中，静叶与动叶间隔布置，一组动叶与一组静叶加一起叫一级。

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高温涡轮一般有三到四级，高温高压燃气从燃烧室喷出后，首先要通过一级静叶调整，静叶会将燃气加速、膨胀，从而降低燃气温度，之后再吹到一级动叶上。所以高温涡轮一二级叶片，尤其是一级静叶与动叶，工作环境最恶劣。为了提高零部件性能，一方面要在材料表面额外加复合材料隔热涂层，另一方面要通过精巧的结构设计，在零部件内部实现空气冷却，还要在零部件表面留气孔，在运行时低温空气从气孔中排出，形成隔热气膜。

简单地说，我们追求燃气轮机的工作温度，最后导致温度高到燃气直接吹到叶片上会破坏叶片。我们必须在机器内部维持精密而脆弱的运行状态，才能连续生产。

https://www.sohu.com/a/67376418_229282

——《重型燃气轮机与航空发动机冷却叶片的联系和差异》；2019

http://www.bjxbbs.com.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=1205108&extra=&authorid=1114126&page=13

http://www.bjxbbs.com.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=1205108&extra=&authorid=1114126&page=15

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具体到这次东方电气集团的G50燃气轮机，因为定位是市场主流的F级，所以工艺上选择了成熟的等轴晶铸造，还不是发达国家的高技术。

但即便是国际市场上成熟的技术，中国国内也缺乏配套产业链。从2009年起，东方电气承建了国家能源部“高温部件实验室”，全面引进了一批设备，包括压蜡机、压芯机、自动制壳线、真空定向凝固炉、蓝光三维扫描测量仪、陶瓷型芯烧结炉、X射线数字探伤仪，用几年时间建成了一条中试线，掌握了燃机高温部件批量生产能力，打通了G50燃气轮机制造技术的关键环节。

——《中国首台F级50 MW重型燃气轮机的自主研制》；2020

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这次运行的争气机G50燃气初温是1300多度，指标上基本追平了十几年前的国际水平。目前国际最先进的J级工业燃机，燃气初温已经超过1600度，正在研发1700度以上，能烧氢气的下一代燃气轮机。

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业内预计，到2025年，国内能在G/H级重型燃气轮机方面取得技术突破，到2035年自主重型燃气轮能机形成品牌系列，到2050年追平世界先进水平。国内工业燃气轮机还有很长的路要走。

但我们还要说，G50是当之无愧的“争气机”，因为G50项目最大的意义不是产品本身，而是在国内建成了一套完整的重型燃气轮机的研发配套设施，这是产业继续发展的基础。

过去几十年，国内燃气轮机基本都是靠各大学和科研机构分散研发，没有大型研发设施，各单位都是在用小型设备做低水平重复工作。收集到的技术参数很散乱，支持不了长期发展。

——《重型燃气轮机现状与发展趋势》；2014

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最近二十年，国内开始重点攻关燃气轮机技术，逐步扭转了之前散乱的行业局面。“十五”期间，科技部通过863计划开展了110兆瓦R0110重型燃气轮机设计研制工作；2007年又在973计划中部署了“两机专项”。谁能揭榜解决其中一项技术问题，肯定可以拿到一个院士身份。

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https://www.most.gov.cn/tztg/200907/W020090722296557639507.pdf
http://www.etp.ac.cn/gkjj/dsnb/

最近十几年，项目相关单位配套建设了一批研发设施。比如，中船重工703所与东方汽轮机公司分别建成了25兆瓦级多级轴流压气机试验台。给G50燃机做配套研发的西安交大，也建设了五个大型实验验证平台，包括转子轴承实验平台、流固耦合实验平台、燃烧实验平台、大型高温叶片综合实验验证平台、长寿命高温材料实验平台。

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其中西交大自主研制的梯度热冲击试验装置，最高温度和温升率指标都达到国际领先水平，不仅给大型叶片热障涂层做了实验验证，还给空天飞机做了高温实验。这些配套设施，是中国到2050年冲击世界先进燃气轮机技术的基础。

——《国之重器，十载砥砺———重型燃气轮机制造基础研究进展》；2018
——《千呼万唤！国产重型燃气轮机“始出来”》；2019

中国其他火力发电设备都已经可以自称达到国际先进水平了，为什么燃气轮机到了2023年，还在追赶发达国家的主流成熟技术？

一方面是因为燃气轮机的工作条件恶劣，另一方面也是因为我们过去不了解大型复杂设备对企业结构的需求。

如果中国过去能早点认识到行业托拉斯的研发引领作用，中国现在可能已经在冲击H级燃气轮机的原型了。

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建国后，国内经济计划首要任务是承接苏联工业转移，“156项工程”实际落地154个，其中电机工业分到15个厂、17个项目，中国是打算在电机工业搞一批大型央企来引领产业升级的。

50年代，政府已经意识到，苏联工业高度集中、垂直管理存在问题，加上苏共二十大全面批判斯大林模式，所以在1956年周恩来主持召开了国务院体制改革会议，准备将一部分管理权限下放到地方与企业。

这些改革如果落实的好，可以解决一些垂直管理的僵化问题，让地方超级企业拥有充足的管理权。但紧接着1958年“大跃进”制造了混乱，国务院直属事业单位直接从9300多个减少到1200多个，各大企业的管理权限下放过头了。

http://www.hprc.org.cn/gsyj/yjjg/zggsyjxh_1/gsnhlw_1/d12jgsxslw/201310/t20131019_244918.html
https://m.thepaper.cn/baijiahao_12051046

从工业来看，各省、市的厅、局，中央各部门都要干涉经济，这也许在基础的钢铁、建材行业有一定的合理性，但对于需要产业升级的大工业，不是个好消息。1962年七千人大会的报告评价说，各层次都管经济“不仅不是社会主义的办法 , 连资本主义的办法都不是, 是落后的封建主义办法”。

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从1963年起，中央决定对工业管理体制进行改革，着手组建一批托拉斯企业。国家经委党组在1964年6月起草了《关于试办工业,交通托拉斯的意见报告》，经周恩来修改后正式发布。

当时电机工业归一机部管理。一机部整顿了大跃进造成的混乱后，通过组织摸排调研，分析国内外产品发展情况，认识到技术差距，起草了电机行业的托拉斯筹办计划，准备将苏联援建的企业，按照东北、西北、上海三个地区，合并成三个托拉斯。与此同时，国内开始三线建设，将德阳水电设备厂选为三线重点工程，由当时国内电机行业最强的哈尔滨电机厂援建，这就是今天东方电气集团的前身。

托拉斯试点刚开始的时候，国内又开始文革，开展群众运动。这在社会方面的效果我们不评价，但在经济方面，又再次干扰了复杂产业的升级，打乱了原有的托拉斯研发纪律。直到80年代，托拉斯改革才以组建联合公司的方式重新落实，形成电机行业哈气、上气、东气三个大集团，一直延续到今天。可以说，中国电机工业的托拉斯化，迟到了20年。到这时候，中国才能考虑重型燃气轮机的国产化研发。

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但是，中国这时候其他行业也在产业升级，消耗了大量的本国石油和天然气，中国从油气出口国变成了进口国。所以国家调整能源政策，几乎所有燃气轮机都被封存，相关项目全面下马。

80年代是国际燃气轮机高速发展阶段，国内外技术水平被进一步拉大。直到21世纪初，中国有了稳定的油气供应，也对下一步电力工业的发展有了明确规划，中央机构才重新重视起燃气轮机产业，通过“打捆招标”，用市场换技术，并立项开发国产燃机。十几年发展之后，东方电气终于造出G50“争气机”，走到了国际成熟技术的门槛上。

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现在东方电气推出的G50燃机只是个原型，在这个原型基础上，接下来几年还会进一步衍生出更大功率的重型燃机，以及更小功率的轻型燃机。

和国际垄断企业建设了几代人的产业生态相比，国内用十几年时间发展的燃机产业还存在不少薄弱环节，是需要精心培养的种子。所以，中国未来必须注意避免过去几十年大起大落的管理问题，耐心研发，耐心追赶，可以预期再用一两代人时间追平国际先进水平。

561期睡前消息到此结束，文字内容随后会发在睡前消息编辑部公众号，欢迎转发，我们周日再见！