西門子新型高效燃?xì)廨啓C(jī)

如今的燃?xì)廨啓C(jī)必須既高效又極為靈活——西門子全新HL級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)能夠滿足這一要求。HL級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)適于供應(yīng)基礎(chǔ)發(fā)電量，同時(shí)用作可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的備用系統(tǒng)，它可在聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置中實(shí)現(xiàn)高達(dá)63%以上的發(fā)電效率。更重要的是，西門子計(jì)劃在中期內(nèi)將HL級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電效率提高至65%。

西門子最大的燃?xì)廨啓C(jī)在柏林的生產(chǎn)歷史已有110多年。目前，西門子燃?xì)廨啓C(jī)中的旗艦產(chǎn)品是SGT-8000H系列，全球范圍內(nèi)已有57套SGT-8000H燃?xì)廨啓C(jī)投入商業(yè)運(yùn)行。其發(fā)電效率高達(dá)61.5%，這是2016年在杜塞爾多夫Fortuna聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠測(cè)得的數(shù)據(jù)。 然而，現(xiàn)在西門子新發(fā)布的HL級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)一步提高了發(fā)電效率，它可在聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置中實(shí)現(xiàn)高達(dá)63%以上的發(fā)電效率。西門子發(fā)電與天然氣集團(tuán)全球銷售總裁Karim Amin解釋道，“新的燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)一步優(yōu)化了H級(jí)的成熟設(shè)計(jì)。”

為了實(shí)現(xiàn)更高燃燒溫度，西門子工程師優(yōu)化了燃?xì)廨啓C(jī)的不同部件，如渦輪葉片上的陶瓷涂層。

針對(duì)更高燃燒溫度而設(shè)計(jì)

更高燃燒溫度是提高發(fā)電效率的關(guān)鍵要素。全新HL級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)將燃燒溫度提高了約100開爾文。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，西門子工程師優(yōu)化了燃?xì)廨啓C(jī)的不同部件，如渦輪葉片上的陶瓷涂層。西門子大型燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)品經(jīng)理Guido Schuld解釋道，“高溫會(huì)在陶瓷涂層與葉片金屬之間產(chǎn)生很高應(yīng)力，這將導(dǎo)致涂層開裂。因此，我們使用激光器將表面陶瓷涂層切割成一個(gè)個(gè)方塊。這可以減輕應(yīng)力，因?yàn)檫@些方塊可以像高速路路面混凝土板一樣朝著對(duì)方擴(kuò)展。這樣，我們就可以使用更厚涂層和更高溫度。”然而，渦輪葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)也有助于增強(qiáng)部件的耐高溫性能。譬如，采用新型鑄造工藝，開發(fā)人員進(jìn)一步優(yōu)化了葉片的風(fēng)冷通道，從而改善散熱效果。

優(yōu)化壓氣機(jī)進(jìn)一步提高發(fā)電效率

工程師還改進(jìn)了燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣口處的壓氣機(jī)。經(jīng)改進(jìn)后，它現(xiàn)在只有12個(gè)壓縮級(jí)，比SGT-8000H系列少1級(jí)。這可節(jié)省發(fā)電裝置內(nèi)部空間和燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)輸所需空間。為確保空氣經(jīng)充分壓縮，我們調(diào)節(jié)了壓氣機(jī)葉片，以實(shí)現(xiàn)最大氣動(dòng)效率。Schuld表示，“可以將之與飛機(jī)翼尖做比較，為避免惱人的湍流，翼尖是彎曲的。此外，我們使用更先進(jìn)的仿真技術(shù)，計(jì)算并優(yōu)化了壓氣機(jī)的各個(gè)級(jí)在諸如氣候和工況等不同條件下的相互作用。”

提高發(fā)電效率有許多好處。對(duì)于天然氣價(jià)格較高的國家，其益處是，提高發(fā)電效率能為發(fā)電公司大大節(jié)省成本。譬如，許多亞洲國家就是這種情況，它們依賴于油輪運(yùn)輸?shù)妮^為昂貴的液化天然氣（LNG）。Amin說：“我們的研究表明，相比于SGT-8000H系列，新的HL級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)可將發(fā)電成本再降低5%。得益于此，在天然氣價(jià)格較高的國家，每年每臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)可以節(jié)省1500萬到2000萬美元成本。另外，新型燃?xì)廨啓C(jī)可以減少排放二氧化碳，因?yàn)閷?shí)現(xiàn)相同發(fā)電量所需燃料更少。”

可再生能源發(fā)電的完美搭檔

先進(jìn)的燃?xì)廨啓C(jī)不僅必須極其高效——隨著可再生能源發(fā)電在電力構(gòu)成中的占比越來越大，它們還必須實(shí)現(xiàn)最高靈活性。陰天或無風(fēng)的時(shí)候，燃?xì)怆娬颈仨毥犹婵稍偕茉窗l(fā)電系統(tǒng)，確保穩(wěn)定供電。然而，要做到這一點(diǎn)，電站運(yùn)營者必須能夠迅速啟動(dòng)和關(guān)閉這些發(fā)電裝置。在這方面，新的HL級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)也青出于藍(lán)而勝于藍(lán)。HL級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)時(shí)的性能爬升速率為每分鐘85 MW，比SGT-8000H系列高30 MW。Amin表示，“這使得HL級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)成為可再生能源發(fā)電的完美搭檔。”

配備SGT5-8000H燃?xì)廨啓C(jī)，杜塞爾多夫Lausward電廠Fortuna聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠仍然是全球可持續(xù)發(fā)展性的發(fā)電裝置之一。

為了改良新的HL級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)，以滿足世界各地的客戶各不相同的要求，自2015年開始研發(fā)以來，來自許多不同西門子業(yè)務(wù)部門的代表參與了研發(fā)過程，包括戰(zhàn)略專家和銷售專家，以及工程師和制造專員及服務(wù)專員。

3D打印的燃?xì)廨啓C(jī)部件

為了進(jìn)一步縮短研發(fā)周期，西門子采用了新型制造技術(shù)。在柏林的工廠就可以看到一種這樣的技術(shù)。在那里，隔著3D打印機(jī)的玻璃窗板，激光束掃過金屬粉末。激光束所到之處，火花熠熠，一個(gè)部件就這樣逐層制造出來。3D打印加快了原型部件的生產(chǎn)和測(cè)試，有助于盡早提供新技術(shù)。西門子的新型制造工藝專家Ingo Kelbassa指出，“增材制造特別適合燃燒器和燃?xì)廨啓C(jī)的高溫部件。3D打印開辟出全新的設(shè)計(jì)空間。譬如，它使我們得以優(yōu)化渦輪葉片內(nèi)部的風(fēng)冷通道。”

新的西門子燃?xì)廨啓C(jī)經(jīng)專門設(shè)計(jì)，可輕松連接至西門子為電廠運(yùn)營者提供的數(shù)字服務(wù)。它們亦可連接至MindSphere——西門子基于云的開放式物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)。MindSphere提供了許多強(qiáng)大的分析工具，以便客戶直接洞悉機(jī)器的運(yùn)行數(shù)據(jù)，幫助他們做出決策。

西門子已經(jīng)在柏林工廠以及德國首都附近的清潔能源中心，對(duì)新的HL級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行了廣泛深入的測(cè)試。西門子計(jì)劃于2018年年中，在合作伙伴之一、北卡羅來納州的Duke Energy公司的場(chǎng)地上建造第一臺(tái)HL級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電裝置。這個(gè)發(fā)電裝置的燃?xì)廨啓C(jī)將接入當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)，并于2020年開始投入運(yùn)行。新的HL級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)將為進(jìn)一步的發(fā)展奠定技術(shù)基礎(chǔ)。Amin說：“我們希望在中期內(nèi)，HL級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電效率可達(dá)到65%。”