如今的燃氣輪機必須既又極為靈活——西門(mén)子全新HL級燃氣輪機能夠滿(mǎn)足這一要求。HL級燃氣輪機適于供應基礎發(fā)電量，同時(shí)用作可再生能源發(fā)電系統的備用系統，它可在聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置中實(shí)現高達63%以上的發(fā)電效率。更重要的是，西門(mén)子計劃在中期內將HL級燃氣輪機的發(fā)電效率提高至65%。

西門(mén)子大的燃氣輪機在柏林的生產(chǎn)歷史已有110多年。目前，西門(mén)子燃氣輪機中的旗艦產(chǎn)品是SGT-8000H系列，范圍內已有57套SGT-8000H燃氣輪機投入商業(yè)運行。其發(fā)電效率高達61.5%，這是2016年在杜塞爾多夫Fortuna聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠(chǎng)測得的數據。 然而，現在西門(mén)子發(fā)布的HL級燃氣輪機進(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)現高達63%以上的發(fā)電效率。西門(mén)子發(fā)電與天然氣集團銷(xiāo)售總裁Karim Amin解釋道，“新的燃氣輪機進(jìn)一步優(yōu)化了H級的成熟設計。”

為了實(shí)現更高燃燒溫度，西門(mén)子工程師優(yōu)化了燃氣輪機的不同部件，如渦輪葉片上的陶瓷涂層。

針對更高燃燒溫度而設計

更高燃燒溫度是提高發(fā)電效率的關(guān)鍵要素。全新HL級燃氣輪機將燃燒溫度提高了約100開(kāi)爾文。為了實(shí)現這一點(diǎn)，西門(mén)子工程師優(yōu)化了燃氣輪機的不同部件，如渦輪葉片上的陶瓷涂層。西門(mén)子大型燃氣輪機產(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)生很高應力，這將導致涂層開(kāi)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。這可以減輕應力，因為這些方塊可以像高速路路面混凝土板一樣朝著(zhù)對方擴展。這樣，我們就可以使用更厚涂層和更高溫度。”然而，渦輪葉片內部結構也有助于增強部件的耐高溫性能。譬如，采用新型鑄造工藝，開(kāi)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)化壓氣機進(jìn)一步提高發(fā)電效率

工程師還改進(jìn)了燃氣輪機進(jìn)氣口處的壓氣機。經(jīng)改進(jìn)后，它現在只有12個(gè)壓縮級，比SGT-8000H系列少1級。這可節省發(fā)電裝置內部空間和燃氣輪機運輸所需空間。為確?？諝饨?jīng)充分壓縮，我們調節了壓氣機葉片，以實(shí)現大氣動(dòng)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(jìn)的仿真技術(shù)，計算并優(yōu)化了壓氣機的各個(gè)級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)電公司大大節省成本。譬如，許多亞洲國家就是這種情況，它們依賴(lài)于油輪運輸的較為昂貴的液化天然氣（LNG）。Amin說(shuō)：“我們的研究表明，相比于SGT-8000H系列，新的HL級燃氣輪機可將發(fā)電成本再降低5%。得益于此，在天然氣價(jià)格較高的國家，每年每臺燃氣輪機可以節省1500萬(wàn)到2000萬(wàn)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(shí)現相同發(fā)電量所需燃料更少。”

可再生能源發(fā)電的搭檔

先進(jìn)的燃氣輪機不僅必須極其——隨著(zhù)可再生能源發(fā)電在電力構成中的占比越來(lái)越大，它們還必須實(shí)現高靈活性。陰天或無(wú)風(fēng)的時(shí)候，燃氣電站必須接替可再生能源發(fā)電系統，確保穩定供電。然而，要做到這一點(diǎn)，電站運營(yíng)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級燃氣輪機也青出于藍而勝于藍。HL級燃氣輪機啟動(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級燃氣輪機成為可再生能源發(fā)電的搭檔。”

配備SGT5-8000H燃氣輪機，杜塞爾多夫Lausward電廠(chǎng)Fortuna聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠(chǎng)仍然是可持續發(fā)展性的發(fā)電裝置之一。

為了改良新的HL級燃氣輪機，以滿(mǎn)足世界各地的客戶(hù)各不相同的要求，自2015年開(kāi)始研發(fā)以來(lái)，來(lái)自許多不同西門(mén)子業(yè)務(wù)部門(mén)的代表參與了研發(fā)過(guò)程，包括戰略專(zhuān)家和銷(xiāo)售專(zhuān)家，以及工程師和制造專(zhuān)員及服務(wù)專(zhuān)員。

3D打印的燃氣輪機部件

為了進(jìn)一步縮短研發(fā)周期，西門(mén)子采用了新型制造技術(shù)。在柏林的工廠(chǎng)就可以看到一種這樣的技術(shù)。在那里，隔著(zhù)3D打印機的玻璃窗板，激光束掃過(guò)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(lái)。3D打印加快了原型部件的生產(chǎn)和測試，有助于盡早提供新技術(shù)。西門(mén)子的新型制造工藝專(zhuān)家Ingo Kelbassa指出，“增材制造特別適合燃燒器和燃氣輪機的高溫部件。3D打印開(kāi)辟出全新的設計空間。譬如，它使我們得以?xún)?yōu)化渦輪葉片內部的風(fēng)冷通道。”

新的西門(mén)子燃氣輪機經(jīng)專(zhuān)門(mén)設計，可輕松連接至西門(mén)子為電廠(chǎng)運營(yíng)者提供的數字服務(wù)。它們亦可連接至MindSphere——西門(mén)子基于云的開(kāi)放式物聯(lián)網(wǎng)操作系統。MindSphere提供了許多強大的分析工具，以便客戶(hù)直接洞悉機器的運行數據，幫助他們做出決策。

西門(mén)子已經(jīng)在柏林工廠(chǎng)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(jìn)行了廣泛深入的測試。西門(mén)子計劃于2018年年中，在合作伙伴之一、北卡羅來(lái)納州的Duke Energy公司的場(chǎng)地上建造臺HL級燃氣輪機發(fā)電裝置。這個(gè)發(fā)電裝置的燃氣輪機將接入當地電網(wǎng)，并于2020年開(kāi)始投入運行。新的HL級燃氣輪機將為進(jìn)一步的發(fā)展奠定技術(shù)基礎。Amin說(shuō)：“我們希望在中期內，HL級燃氣輪機的發(fā)電效率可達到65%。”