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作者|黎光寿、吴瑞馨本文摘自《寻找中国制造隐形冠军》上海卷 汽车进入上海闵行区江川路333号，是一处门卫森严的大门，大门内是一座大树参天的工厂。只是要进入工厂，需要电话联系厂里的人，由内部派人开车出来迎接，否则外边的车辆都会被被拒绝进入。 这个厂就是上海汽轮机厂（简称“上汽”），以设计、制造火电汽轮机、核电汽轮机和重型燃气轮机为主，兼产船用汽轮机、风机等其它动力机械。该厂是中国汽轮机的摇篮，产品国内市场份额占有率达到40%以上，甚至在全球1000MW汽轮机市场上的占有率超过50%，是跨国公司总和的5倍。 汽轮机集中了众多工程学科最前沿技术，是一个国家装备制造综合实力的标杆之一，在汽轮机行业超过百年的历史进程中，始终是一个技术上与时俱进的高新行业。目前仅少数发达国家的跨国公司才具备研发大型高效率汽轮机的能力，除中国的上汽、东汽和哈汽外，近十年真正在洁净燃煤发电超超临界汽轮机领域进行技术和产品研发的只有欧洲的西门子、美国的GE（包括阿尔斯通）和日本的三菱日立、东芝等四家公司。 创造18项中国第一 1955年，从刚成立两年的上海汽轮机厂的车间里，诞生了中国第一台6MW汽轮机，此后一直作为新中国发电装备汽轮机制造的先驱，见证了中国动力装备制造从无到有，从小到大，从大到强的发展历程。65年来，上汽的汽轮机单机容量从最初的6MW发展到了如今1240MW，提升了200多倍，汽轮机总产量突破4亿千瓦，创造了18项中国第一；年产量连续十多年位列世界第一位。 “65年以来，上海汽轮机厂经历了四个发展阶段”，上汽特殊透平研究所首席专家彭泽瑛介绍，第一阶段是1955-1969年，以独立自主、自力更生为主，陆续设计制造了一系列6MW-25MW汽轮机；1969年，建造中国第一台中间再热超高压125MW汽轮机；1974年，建造中国第一台中间再热亚临界300MW汽轮机；1972年，建造高压参数抽汽50MW系列汽轮机。 中国改革开放后，经济开始复苏，但当时发电设备赶不上国家电力工业的需要。“当时经常停电，一些企业不得不白天下班晚上加班。”为了解决电力不足的问题，中国政府决定两条腿走路：第一华能公司进口一批外国发电机组；第二个办法就是引进外国技术。这让上汽步入了发展的第二阶段，特征就是技术引进、消化吸收。 彭泽瑛说，1980年，在机械工业部和电力部的组织领导下引进了西屋公司300MW和600MW两种型号亚临界汽轮机的设计制造技术，上汽负责制造首台西屋引进型300MW汽轮机。该汽轮机为反动式结构，而上汽原来是冲动式结构，在设计、制造、质量、管理等领域面临着一系列困难。从1980年与西屋签署合同，到1987年第一台引进型300MW汽轮机投运，上汽足足花了六年时间。 1995年，上海汽轮机厂和美国西屋公司合资，技术水平上进一步和国际接轨，上汽步入发展的第三阶段。在这段时间内，上汽研发的中国第一台大容量热电联供300MW汽轮机1998年成功；首台优化设计亚临界600MW汽轮机1999年成功；中国第一台310MW核电汽轮机2000年成功。2003年11月，上汽引进世界最先进的超超临界1000MW汽轮机，仅3年时间，该项目首台机组2006年投入运行。 2006年起，上汽步入了技术创新、追求卓越的新阶段。这一阶段上汽以自主掌握的材料、高参数模块开发、计算机数值模拟及控制技术、热力循环优化、焊接转子等领域的创新启动了全方位的产品技术升级。数据显示，截止到2017年，上汽一共开发了12项先进技术，建立了6大技术体系，自主设计了31个品种的超超临界机组，技术和产品都是国际领先，中国第一。 彭泽瑛介绍，上汽技术创新的其中一个典型标志是汽轮机超长叶片的开发。2015年以来，全速的1220mm长叶片，核第三代1250MW核电汽轮机的半速1710mm长叶片的成功研制表明上汽技术已跻身国际一流水平。 每次进步都要卓绝的努力 彭泽瑛介绍，在上汽与外方合作伙伴的每一次合作中，外方合作伙伴都限定了非常严格的技术转让条件，“其目的首先是不培养竞争对手，其次是垄断技术和产品的开发，产品的每一次变化都要再收取一次技术转让费”。彭泽瑛表示，这实际上也让上汽坚定一个信念“核心技术只能靠自己”。 美国西屋电气是中国汽轮机领域最先合作的公司，1980年，在机械和电力两部的组织下与西屋电气签订了亚临界300MW/600MW机组的技术转让合同，其中汽轮机部分包括一些计算机源程序、设计报告、材料数据等，但在涉及到产品发展的计算机控制技术（DEH）、通流叶片优化设计、CAE(FEM)强度结构程序及方法、长叶片设计技术等四个核心技术领域并未有转让资料，如果上汽不自行研发，就不具备独立的设计开发能力，上汽只能掏钱直接向西屋购买相应的关键部件。 彭泽瑛说，在整个技术转让期内，中方与西屋就上述核心技术的转让进行过多次磋商，但西屋电气始终拒绝让步。于是，上汽决定在关键部件上走自主研发之路，结果自主研发出计算机控制技术，自主完成引进型机组的三步优化设计，自主开发可控涡型线，自主设计905叶片取代引进的869叶片。 上汽的行为不仅满足了国内电力工业建设的需要，而且还先后成功自主地完成了上海吴泾2X300MW项目、出口巴基斯坦320MW、秦山310MW核电、300MW/600MW机组三步优化等重大的产品开发。更为关键的是，上汽通过自主创新，在该领域建立了自主知识产权的设计技术体系，实现了对引进技术的超越。 2003年11月，浙江玉环1000MW超超临界项目正式启动，该项目作为中国863科技攻关超超临界发电技术课题的示范工程，技术起点就是当时世界第一，机组的参数、容量和各项性能指标均明显超过日本三菱、阿尔斯通以及西门子已有产品，需进行全新设计。在这新一轮技术进步的进程中，外方某些公司将技术保护发挥到了极致。 彭泽瑛介绍，具体的表现是在技术转让合同中，转让方一方面将技术转让与某一产品定义挂钩，即机组容量、参数、各缸叶片尺寸、高温材料、转速（周波）、末级长叶片、抽汽、性能提高1%等都作为技术转让范围的定义，每一项的变化都必须重复签定一次新的技术转让合同，“按照这种技术转让模式，随着我国超超临界发电机组建设井喷式发展，技术转让方不仅可以因产品的任何变化不断地多次收取技术转让费和设计费，又可持续地阻止中方的技术进步，将技术产品的发展掌握在手中”。 但技术转让方低估了上汽自主创新的能力，为满足客户的要求，自2007年起，上汽高质量，按进度要求，自主地完成了三个新产品的设计；后续的10年内，又独立自主开发和制造了30多个产品的优化设计和制造。 在这些产品的压力、温度、容量、热电联供、长叶片设计、空湿冷、二次再热、热力循环等参数指标全面超越引进的玉环机型，达到国际领先水平的同时，上汽建立了具有国际先进水平的6个自主核心技术体系：高温材料体系，超越610摄氏度的620℃/630℃高温材料；高参数大容量模块结构设计体系；更先进的计算机程序系统AIBT；热电联供汽轮机设计技术；长叶片设计体系；计算机控制及一键启停技术。 进入自主技术的王国 彭泽瑛介绍，超长1710mm汽轮机叶片，是应用在容量≥1000MW压水堆大容量半速饱和汽轮机上的关键部件，尽管国内企业拥有自主研发的新技术，但由于中国从2005年半速百万千瓦核电项目开始起，因当时国内环境对自主创新非常谨慎，在项目招标中限定3大制造厂必须采取引进国外技术和产品的技术路线，而国外拥有该领域核电汽轮机技术和产品的只有西门子、法国阿尔斯通（2015年被GE收购）和日本三菱，该领域基本被三家公司垄断。 而中国企业在与外资企业合作的时候遭遇什么困境呢？彭泽瑛说，第一个问题是我国制造厂必须向技术许可的外国公司支付高额产品技术许可费用，每台机组还需支付提成费；其次是中国制造的核电汽轮机产品无外方批准不许进入国际市场；第三是许可产品的容量是单一的，不能满足三代核电及我国中、北部沿海地区核电机组的性能要求，第四是外方不转让长叶片设计等关键开发技术。 彭泽瑛说，以决定机组容量和效率的关键部件长叶片为例，三家外国公司提供给中方的均为排汽面积为20㎡，高度为1400mm的叶片，但三家外国公司均在自主进行新的更大排汽面积的长叶片和汽缸开发：西门子的25㎡/1700mm、ALSTOM的30㎡/1905mm、三菱的28.6㎡/1828mm，“每一个新的更大排汽面积的叶片，必须再签订另外的技术许可合同。” 因为上汽本身就和西门子有合作，所以在前期西门子研发1700mm叶片的时候，上汽从技术和市场的角度多次给西门子提供支持。2008年广东阳江核电项目招标，上汽与西门子的联合体赢得了合同，为西门子1700mm叶片争得出生证。“但可能是在研发过程中出现问题，西门子提出取消1700mm叶片的供货合同”。 彭泽瑛介绍，当时国际先进水平是指西门子的1700mm、ALSTOM的1905mm、三菱的1828mm叶片研发计划，但国外公司转让给中国的20㎡/1400mm叶片不能适应CPR1000、2代+核电项目在中国中、北部及沿海地区的要求，更不能适应第三代核电容量的要求。 在西门子长叶片技术和周期都存在困难的情况下，与客户沟通后，上汽果断推出自主研制的1710mm叶片，“为了这个项目，我们技术储备了很多年技术，正好利用这次机会，我们加快长叶片的升级布局，制定超越国际先进水平的长叶片的开发计划。”上汽制定的计划，是更为先进的研发25㎡/1710mm、30㎡/1905mm、36㎡/2200+mm的汽轮机叶片。 彭泽瑛介绍，在最初外方和上汽签订的技术转让许可协议中，特别将新的排汽面积更大的长叶片定义为重大技术发展，明确一个长叶片对应一个技术许可协议。“外方的意图是用该条款可以长期连续地控制中方核电技术产品的升级，今后每一次长叶片升级必须重新签订技术许可协议，重复收取技术许可费。” “但按该条款的另一个含义是，自主开发其他长叶片的技术和产品将超出现有技术转让许可协议，我们只要以自主的长叶片技术开发新的长叶片，就将突破现有核电技术和产品技术许可的限制和约束。”结果2009年，上汽自主开发制造的25㎡/1710mm长叶片的汽轮机，首次在国内AP1000核电1250MW项目中标，以自主知识产权的核电技术和产品赢得了客户的信任和选择。 这次技术进步不仅突破了引进技术的协议束缚，抢占了核电汽轮机技术和产品发展的制高点，成为上汽自主创新的一个标志。2009年上汽自主研发的25㎡/1710mm长叶片汽轮机首次在国内AP1000核电1250MW项目中标后，2013年配置该该长叶片的汽轮机出口海外，用于巴基斯坦K2/K3的华龙一号1145MW机组。2017年上汽又完成1905mm叶片设计及试验，以及世界上最大排汽面积36㎡/2200+mm叶片的设计。 转子的砝码移向中国 火力发电机组的蒸汽轮机转子耐高温和耐高压的能力，直接决定了发电机组锅炉内蒸汽的温度，同时也决定了单位能耗。目前电厂运行的超临界、超超临界火电机组的蒸汽温度为≤566℃和600℃，其中600℃发电机组实际运行平均煤耗275.8g/kWh，最优达到271g/kWh，性能和节能减排水平世界最好。上汽超超临界31个品种产品有订单237台，占世界市场的54.6%，为世界跨国公司总和的5倍。 为何火电机组蒸汽温度这样划分？源于材料的高温强度性能，目前适合汽轮机转子的高温材料一共有三个温度等级，第一等级是≤566℃的CrMoV和12CrMoV钢；第二等级是600℃到630℃的Cr钢；第三等级是≥700℃的镍基合金。前两个等级正在大规模应用，第三个等级正在研发，如果≥700℃的镍基合金转子研制成功，其单位煤耗将进一步降到240g/KW左右。 据介绍，600℃等级的铁素体钢材料及锻造技术又分为两种不同的型号，一种是600/610℃等级的10%Cr钢和620/630℃等级、含有Mo和B的9%Cr钢。600/610℃等级的9%-10%Cr钢1993年首次在日本应用，620/630℃等级的含Mo和B的9%Cr钢2012年在欧洲首次应用。上汽是世界上高温材料应用业绩最多的制造厂，两种材料都有大量成熟的应用业绩，前者2006年用于浙江玉环电厂1000MW项目，汽轮机订单已超过225台套；后者2013年在安徽田集电厂应用，汽轮机订单超过50台套。 这两种转子用钢原来中国并不生产，但由于上汽的需求带动，国内企业开始开发相关技术和产品。目前600/610℃等级的10%Cr钢转子锻件虽然大部分仍然依赖进口，但国内一重、二重和上重都开始能提供少量锻件，其价格比进口便宜2%到10%左右。620/630℃等级的含Mo和B的9%-10%Cr先进铁素体耐热钢的转子锻件，国内三大重机厂正在进行工艺攻关。两种材料有关的阀门、叶片及螺栓，国内已经可以生产和供应。 针对≥700℃的镍基合金转子，目前全球有三个由政府组织的研发计划，一个是1998年欧盟组织AD700开发计划，另一个是2008年日本政府组织的AUSC开发计划，第三是中国国家能源局2011年组织的“国家700℃超超临界燃煤发电技术创新联盟”。上汽负责人介绍，这些联盟的目标之一是研发适合700℃汽轮机的大型铸锻件材料，确立700℃超超临界示范发电项目的技术方案。 目前，欧盟AD700已经完成了四种镍基合金材料的研发，制造出了直径为φ600mm~φ1000mm转子的锻件及焊接转子试制，已经完成了大型主调节气阀铸造件的试制，还完成了高温条件下部件的长期运行试验。但由于锅炉管材在运行验证中出现大量缺陷，目前欧洲的AD700示范项目延期，至今没有进入工程应用流程。日本也基本完成了相关材料的研发、转子的试制、主调节气阀铸造件的试制等，但日本没有新的火电发展计划，无法进一步发展。 中国起步最晚，“国家700℃创新联盟”2015年才启动了镍基转子锻件、铸件及叶片螺栓材料等3个材料及高温部件的研发子课题。但中国的优势在于，2014年11月确定了700℃超超临界汽轮机示范工程方案，该方案所涉及的汽轮机是660MW等级，参数为35MPa、700℃/720℃等级；2016年完成示范工程电厂的可行性及总体方案，有待示范项目的实施。 “700℃汽轮机目前在国际上也都处在示范项目研发阶段”，彭泽瑛表示，目前国内外实际处于相同起跑线上，国外公司也没有更多必须要引进或学习的技术，“中国市场也不应当成为国外公司发展的试验舞台，洁净燃煤发电装备业技术和产品的发展焦点不是再引进国外技术，而是如何像高铁技术装备一样，实现技术和产品的出口”。 放眼海外布局未来 21世纪以来，人类社会面临自蒸汽机、电气化工业革命以来的3E挑战，这3E是指Energy Security能源安全、Environmental Protection环境保护和Economocal Growth能源经济增长，在这个大潮中，西屋电气被整合进西门子，阿尔斯通被整合进GE，日本三菱整合了日立变得一家独大，世界竞争对手正在变得数量稀少而空前强大。 就国内来说，东汽和哈汽两个竞争对手，从2013年起就开始了“技术大转型”，重新开始了新一轮技术和产品的挑战。而从宏观上来看，电力工业也进入结构调整阶段，原有的竞争优势领域即将消失，在新能源、全寿命服务和运行优化等新领域也面临更多竞争。种种迹象表明，上汽正在前所未有的深度和广度上面临挑战。 对于上汽来说，现在除了将目光瞄准更先进的燃煤发电外，比如≥700℃合金材料的高温发电装置，还放眼海外，面向金砖国家拓展市场，再就是面向未来，走“互联网+能源转型”的道路。 上汽总经理阳虹表示，目前在国际市场方面，欧美汽轮机市场已经基本饱和，欧美传统的汽轮机制造商纷纷走向合并或退出历史舞台，而由于金砖国家等新兴市场的崛起，加上一带一路战略的推进，印度、巴基斯坦、印尼、孟加拉、菲律宾等电力缺口巨大的国家纷纷在规划建设燃煤发电机组，汽轮机市场稳步上升，上汽又面临一次良好的发展机遇。 “我厂60万以上机组缸效已与GE相当，与西门子的差距也仅在每千瓦时15～34千焦，但是在特殊供方能力、海外项目管理和海外市场的品牌认知度上存在差距。因此，要积极开拓海外市场，就要提升供方能力和海外项目管理能力。”这是记者在上汽采访时，听到最多的话。 做品牌，抢市场，目前成为上汽工作的一个重要方向。上汽的具体做法是，通过订单打造新兴市场上的品牌认知度——“我们珍惜手里的每一个订单，一个订单一面旗帜，一个成功的项目就是最好的广告，对客户的需求我们都会努力满足”。 彭泽瑛告诉记者：“燃气轮机就是我们的下一步。太阳能发电、生物垃圾发电、二氧化碳发电目前还是我们的短板，为此我们厂里专门成立了相关职能部门，二氧化碳发电领域也和几个电力公司与北京几所大学联合进行样机试验。” 互联网及智能化系统方面，上汽着力研发智慧透平。阳虹表示：“我们汽轮机上面配了很多APP，包含有很多模块，可以协助优化机组的运行模式，让机组效率更高，寿命更长，更加灵活，更加智能。” “随着互联网技术的发达，计算机技术的发达，上汽正在从传统产品制造商转型到智慧产品及服务提供商，万物互联，透平也是可以连在一起，那将是最便捷，最经济，效率最高的方式。”阳虹接受记者采访时表示。 作者|黎光寿、吴瑞馨 |
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