三菱重工重型燃气轮机产品系列及其发展启示

  ,孙雪菲,史玉恒,付强

摘要：本文综述并分析日本三菱重工重型燃气轮机典型产品的技术演进和发展趋势，以及与之相适应的工业体系，总结其发展经验，指出日本三菱重工通过引进西方技术，深入开展消化吸收，逐步建立了适应本国工业基础的研制体系，推出了一系列自主研制的重型燃气轮机产品，实现了从跟踪研仿到领先创新的跨越式发展，并总结了其发展经验和启示。

关键词：重型燃气轮机；三菱重工；发展启示

0前言

燃气轮机是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转的复杂热力机械，具有高效、清洁、运行灵活、结构紧凑的突出优势，根据结构特征可分为重型燃气轮机和轻型燃气轮机。重型燃气轮机多用于地面发电和电网调峰，目前国际上完全掌握重型燃机技术的主要有美国通用电气、德国西门子、日本三菱重工、意大利安萨尔多等四家企业。本文以日本三菱重工为例，分析其典型产品的技术演进和发展趋势，以及与之相适应的工业体系，总结其发展经验。

1典型产品技术演进

1963年，日本三菱重工购买美国西屋公司专利许可，制造了第一台730℃等级的MW-171型燃气轮机。1976年，通过消化吸收西屋技术开发了1000℃等级的M701B型燃气轮机，但只是进行了工厂测试并未正式商用。1984年，在西屋技术基础上成功推出世界上第一台采用预混燃烧器的1150℃等级M701D重型燃气轮机。1986年，自主开发生产了1250℃等级的MF-111工业燃气轮机。1986年，西屋公司向三菱重工的专利许可合同终止。此后，三菱重工通过联合研发和自主创新，陆续推出F级、G级、J级重型燃气轮机，步入世界第一梯队。

1.1 F系列燃气轮机

1987年，三菱重工与西屋联合研发的501F（50Hz）重型燃气轮机于 1989 年在日本三菱重工高砂制造厂完成了工厂测试，其总体设计继承了W501D/MW701D的成熟技术，同时采用了在MF-111燃气轮机上经验证的航空发动机叶片材料及冷却技术，该机的联合开发改变了三菱重工和西屋之间的合作关系，双方对该型机分别拥有制造和营销权，在西屋公司命名为W501F，在三菱重工命名为M501F。这一合作关系在西屋公司1998年被西门子收购后结束。

三菱重工F系列燃气轮机在过去的20多年经过多次改进。以经M501F模化放大的M701F为例，通过改进透平叶片材料和热障涂层，使透平前温度提高到1400℃（M701F3），通过改进压气机叶型、更换燃烧室材料、改进叶片冷却等措施使透平前温度提高到1427℃（M701F4），再通过应用空气冷却相关技术，使得透平前温度提高到1500℃（M701F5），达到G级燃气轮机水平。

表1 三菱重工F系列重型燃气轮机性能指标

型号	M501F	M501F3	M701F	M701F3	M701F4	M701F5
时间	1989	1999	1992	2002	2010	2014
简单循环功率（MW）	153	185	234	270	312	359
简单循环效率（％）	35.3	37	36.6	38.2	39.3	40
压气机压比	14	16	16	17	18	21
燃烧室出口温度（℃）	1350	1400	1350	1400	1427	1500

1.2 G级重型燃气轮机

三菱重工自1993年启动了M501G燃气轮机研发，于1997年2月开始电站运行试验，同年投入商业运行。G系列燃气轮机继承了F级燃气轮机的大部分技术特点，压气机为17级，燃烧室采用预混燃烧、蒸汽冷却方式，透平仍然为4级，但在透平第一级和第二级动叶采用了定向晶材料。从M501F到M501G的最大变化在于温度等级的提升，为了考验产品性能和耐久性，三菱重工在高砂建设了一个高度仪表化的T-Point试验电站，通过长期运行对新研机组的可靠性进行了验证，从1997年到2010年，M501G燃机在T-Point试验电站共计运行近40000小时，2000余次启停。1999年，三菱重工推出由M501G模化设计的M701G。之后，又通过提高压气机压比和优化透平冷却，推出M501G1和M701G2。

表2 三菱G系列重型燃气轮机性能指标

型号	M501G	M501G1	M501GAC	M701G	M701G2
简单循环功率（MW）	254	267	283	271	334
简单循环效率（％）	38.7	39.1	40.0	38.7	39.5
压气机压比	20	20	20	19	21
燃烧室出口温度（℃）	1500	1500	1500	1500	1500

1.3 J级重型燃气轮机

2004年起，三菱重工在日本政府资助下开展1700℃超高温燃气轮机的关键部件技术研发，并形成了一系列关键课题成果，如高效率冷却技术、先进热障涂层、透平气动技术和单晶合金等技术。

表3 1700℃超高温燃气轮机的关键技术

关键技术	目标/指标
低污染燃烧室	1700℃低氧燃烧条件下NOx排放控制在50ppm以下
高性能冷却系统	冷却空气量与常规燃气轮机相比减少30%
低热导率热障涂层	热导率比现有材料（YSZ）降低20%
高负荷高性能的透平	透平级数不变、负载增加30%，效率保持91%以上
高压比高性能压气机	压气机级数不变、压比达到30以上，效率保持 89%以上
高温合金材料	单晶材料

以这些单项技术为基础，同时整合在G级燃气轮机蒸汽冷却技术和H级燃气轮机高压比压气机技术，三菱重工开发了1600℃等级的M501J燃气轮机，率先将透平前温度提高到1600℃。M501J于2010年进入T-Point电站进行产品定型验证试验和长期商用考核运行，截止2013年4月，共计运行10548小时，启停120次。模化放大的M701J于2015年投入运行。此后，三菱重工相继推出了采用空气冷却技术的M501J AC和M701 JAC，透平前温度达到1650℃。

表4 三菱J系列重型燃气轮机性能指标

型号	M501J	M501JAC	M701J	M701JAC
简单循环功率（MW）	330	453	478	448
简单循环效率（％）	42.1	44	42.3	44
压气机压比	23	23	23	23
燃烧室出口温度（℃）	1600	1650	1600	1650

2 技术发展趋势

2.1氢燃烧技术

在全球碳中和目标下，氢能作为可再生能源发电的有效载得以快速发展。在日本新能源和工业技术开发组织（NEDO）的支持下，三菱重工加快开发用于燃气轮机的天然气/氢气混合燃烧和纯氢燃烧技术，目标是在2025年实现现有重型燃气轮机掺氢商业化示范，到2030年纯氢燃气轮机投入商业运行。三菱重工于2022年启动 “高砂氢能产业园”建设，旨在持续验证从制氢到发电的全链条技术，以实现燃氢燃气轮机的早期商业验证，并计划在2025年逐步扩大相关设备，实现对燃氢30%的大型重型燃机和燃氢100%中小型燃气轮机的产品商业化验证。

2.2 氨燃烧技术

氨相较于氢气，能量体积密度大，储能效果显著，且易于液化和储存运输。三菱重工尝试将重型燃气轮机产生的大量废热有效地用于氨分解，从氨中提取氢气实现低成本的制氢，并将其用作重型燃气轮机领域燃料，一方面可解决氢存储问题，另一方面可达到碳减排目标。目前，三菱重工正在研发40兆瓦的新型燃氨燃气轮机，可以使用100%的含氨燃料，计划2025年商业化。氨的直接燃烧需要解决的挑战是由燃料的氮成分燃烧产生的氮氧化物（NOx）。三菱重工将通过将选择性催化还原（SCR）技术应用到最新开发的燃烧室相结合，以减少NOx排放，并安装在该型燃气轮机中。

3研制体系

3.1 研发设计

三菱重工通过“共享技术研究框架”对分布于各不同业务部门旗下的技术资源进行统一整合。在此共享技术框架下，三菱重工将燃气轮机前瞻性研究技术与“全球研究与创新中心”合作，并与相关领域进行整合后形成重点研究需求，以此与相关科研机构和外部研究机构合作用于解决产业的前瞻性研究需求和作为公司未来发展的技术储备。三菱重工产品设计工作由其高砂设计所完成。

3.2 加工制造

三菱重工在燃气轮机制造和维修方面都全面遵循集中式供应链，即制造工作由三菱重工自己或由经三菱重工质量管理体系控制的供应商完成，其根本原因在于三菱重工认为复杂的供应链会导致产品质量对供应商质量体系的过渡依赖，因而要由三菱重工自己把控。三菱重工分别委托中国东方电气集团东方汽轮机厂有限公司及韩国斗山重工代工生产F和G级燃机，对于燃烧室及透平叶片等加工难度较大的关键部件，则主要由位于日本兵库县高砂市的高砂制作所提供。

3.3 试验验证

三菱重工从最初B/D级产品的单项技术的零部件级考核验证，到F级燃气轮机研制时的工厂内试验考核，再到建设T-Point试验电站用于G级和J级研制阶段的试验考核和示范运行，逐步完善试验验证体系。T-Point试验电站的充分测试使得许多产品问题得意暴露和解决。三菱重工与当地电力公司合作售电，用来补贴试验电站初始投资和试验所需要的燃料费及运营维护费用，进而节省了研制费用。T-Point 1 试验电站1997年开始M501G的示范运营，2010 年、2015 年分别为 M501J、 M501JAC做适应性改进。由于 T-Point 1 无法满足更大功率燃机验证需求，三菱重工建设了 T-Point 2于2020 年 7 月投入运行。

4 发展启示

4.1国家研发计划长期稳定支持

日本自1978年通过“月光计划”中的“先进燃气轮机”项目，支持了国产重型燃气轮机的自主研制，并在后续40余年有策略、有针对性地持续支持关键技术研究。特别是2004年开始了1700℃等级燃气轮机关键技术研究，为三菱重工后续型号的发展提供了很好的技术基础，使得三菱重工成为国际上首个推出1600℃燃气轮机的厂商。

4.2自主研制和开放合作相结合

三菱重工起步于对国外技术引进，通过持续深入的引进消化吸收掌握自主研制能力，并通过科研合作、成立海外公司、聘用高水平研发人才、收购海外企业等多种方式开放合作，同时结合本国材料等科学优势，持续开展单项技术突破，例如通过先进的透平冷却和材料技术持续提升透平前温度，从而不断建立自主产品的竞争优势。

4.3相对保守的渐进式研制思路

三菱重工遵守“先验证-再应用”的产品开发方法。在研究、设计、制造和测试等环节仅使用经过验证的成熟技术，对设计和开发过程进行绝对控制，并在商业化之前在专门建设的试验电站进行长时间验证，提高产品可靠性。同时，使用已验证的技术对成熟机型持续优化，提高产品性能。

参考文献：

[1] 王乃井, 李茉莉. 三菱重工业公司M701F型燃气轮机资料[C]// 2004年燃气轮机发电技术.

[2] Araki M , Masada J , Hada S , et al. Development of Mitsubishi 1600°C Class J-Type Gas Turbine[C]// ASME 2011 Power Conference collocated with JSME ICOPE 2011. 2011.

[3] Yuichi, ICHIKAWA, Atsushi, et al. Development of Hydrogen-fired Gas Turbine Combustor[J]. Journal of the Combustion Society of Japan, 2019, 61(195):15-23.

[4] 三菱重工网站，https://power.mhi.com