西門子全新HL級燃氣輪機——既高效又靈活

導讀：如今的燃氣輪機必須既高效又極為靈活——西門子全新HL級燃氣輪機能夠滿足這一要求。HL級燃氣輪機適於供應基礎發電量，同時用作可再生能源發電系統的備用系統，它可在聯合循環發電裝置中實現高達63%以上的發電效率。更重要的是，西門子計劃在中期內將HL級燃氣輪機的發電效率提高至65%。

西門子最大的燃氣輪機在柏林的生產歷史已有110多年。目前，西門子燃氣輪機中的旗艦產品是SGT-8000H系列，全球範圍內已有57套SGT-8000H燃氣輪機投入商業運行。其發電效率高達61.5%，這是2016年在杜塞爾多夫Fortuna聯合循環發電廠測得的數據。 然而，現在西門子最新發布的HL級燃氣輪機進一步提高了發電效率，它可在聯合循環發電裝置中實現高達63%以上的發電效率。西門子發電與天然氣集團全球銷售總裁Karim Amin解釋道，「新的燃氣輪機進一步優化了H級的成熟設計。」

針對更高燃燒溫度而設計

更高燃燒溫度是提高發電效率的關鍵要素。全新HL級燃氣輪機將燃燒溫度提高了約100開爾文。為了實現這一點，西門子工程師優化了燃氣輪機的不同部件，如渦輪葉片上的陶瓷塗層。西門子大型燃氣輪機產品經理Guido Schuld解釋道，「高溫會在陶瓷塗層與葉片金屬之間產生很高應力，這將導致塗層開裂。因此，我們使用激光器將表面陶瓷塗層切割成一個個方塊。這可以減輕應力，因為這些方塊可以像高速路路面混凝土板一樣朝著對方擴展。這樣，我們就可以使用更厚塗層和更高溫度。」然而，渦輪葉片內部結構也有助於增強部件的耐高溫性能。譬如，採用新型鑄造工藝，開發人員進一步優化了葉片的風冷通道，從而改善散熱效果。

優化壓氣機進一步提高發電效率

工程師還改進了燃氣輪機進氣口處的壓氣機。經改進後，它現在只有12個壓縮級，比SGT-8000H系列少1級。這可節省發電裝置內部空間和燃氣輪機運輸所需空間。為確保空氣經充分壓縮，我們調節了壓氣機葉片，以實現最大氣動效率。Schuld表示，「可以將之與飛機翼尖做比較，為避免惱人的湍流，翼尖是彎曲的。此外，我們使用更先進的模擬技術，計算並優化了壓氣機的各個級在諸如氣候和工況等不同條件下的相互作用。」

提高發電效率有許多好處。對於天然氣價格較高的國家，其益處是，提高發電效率能為發電公司大大節省成本。譬如，許多亞洲國家就是這種情況，它們依賴於油輪運輸的較為昂貴的液化天然氣（LNG）。Amin說：「我們的研究表明，相比於SGT-8000H系列，新的HL級燃氣輪機可將發電成本再降低5%。得益於此，在天然氣價格較高的國家，每年每台燃氣輪機可以節省1500萬到2000萬美元成本。另外，新型燃氣輪機可以減少排放二氧化碳，因為實現相同發電量所需燃料更少。」

可再生能源發電的完美搭檔

最先進的燃氣輪機不僅必須極其高效——隨著可再生能源發電在電力構成中的佔比越來越大，它們還必須實現最高靈活性。陰天或無風的時候，燃氣電站必須接替可再生能源發電系統，確保穩定供電。然而，要做到這一點，電站運營者必須能夠迅速啟動和關閉這些發電裝置。在這方面，新的HL級燃氣輪機也青出於藍而勝於藍。HL級燃氣輪機啟動時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級燃氣輪機成為可再生能源發電的完美搭檔。」

為了改良新的HL級燃氣輪機，以滿足世界各地的客戶各不相同的要求，自2015年開始研發以來，來自許多不同西門子業務部門的代表參與了研發過程，包括戰略專家和銷售專家，以及工程師和製造專員及服務專員。

3D列印的燃氣輪機部件

為了進一步縮短研發周期，西門子採用了新型製造技術。在柏林的工廠就可以看到一種這樣的技術。在那裡，隔著3D印表機的玻璃窗板，激光束掃過金屬粉末。激光束所到之處，火花熠熠，一個部件就這樣逐層製造出來。3D列印加快了原型部件的生產和測試，有助於儘早提供新技術。西門子的新型製造工藝專家Ingo Kelbassa指出，「增材製造特別適合燃燒器和燃氣輪機的高溫部件。3D列印開闢出全新的設計空間。譬如，它使我們得以優化渦輪葉片內部的風冷通道。」

新的西門子燃氣輪機經專門設計，可輕鬆連接至西門子為電廠運營者提供的數字服務。它們亦可連接至MindSphere——西門子基於雲的開放式物聯網操作系統。MindSphere提供了許多強大的分析工具，以便客戶直接洞悉機器的運行數據，幫助他們做出決策。

西門子已經在柏林工廠以及德國首都附近的清潔能源中心，對新的HL級燃氣輪機進行了廣泛深入的測試。西門子計劃於2018年年中，在合作夥伴之一、北卡羅來納州的Duke Energy公司的場地上建造第一台HL級燃氣輪機發電裝置。這個發電裝置的燃氣輪機將接入當地電網，並於2020年開始投入運行。新的HL級燃氣輪機將為進一步的發展奠定技術基礎。Amin說：「我們希望在中期內，HL級燃氣輪機的發電效率可達到65%。」

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