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【行業動態】多層熱障涂層，西門子下一代HL級重型燃機應用多項新技術

2018-01-17 10:10:35 作者：本網整理來源：兩機動力控制分享至：

導讀：2017年年底西門子爆出的6900人大裁員消息，不僅讓世人對西門子的下一代重型燃氣輪機產品——HL級重型燃機項目是否會夭折捏一把汗。然而，近日國際動力工程雜志對西門子的走訪，讓人發現西門子的該型產品不僅沒有夭折的跡象，反而有了呼之欲出之勢，今天，就讓小編帶你來走近西門子的下一代工業巨獸——HL級重型燃機。

2016年1月，西門子的重型燃氣輪機SGT-8000H以61.5%的聯合循環發電效率獲得了當時的世界記錄，到了2017年8月，西門子表示新型的HL級重型燃氣輪機項目已經啟動，該重型燃氣輪機將基于其成熟的SGT-8000H技術衍生而來，通過漸進式的研發步驟，最終實現超過63%的聯合循環發電效率，中期目標達到65%的聯合循環發電效率。

然而，到了2017年年底，該燃氣輪機制造巨頭卻在發電業務部門進行6900人的大裁員，西門子無奈的表示，燃氣輪機發電市場產能過剩，可再生能源沖擊嚴重。這不僅讓世人對西門子的HL級重型燃氣輪機項目是否會夭折捏一把汗。

近日，國際動力工程（Power Engineering International）雜志拜訪了西門子在德國的總部，以參觀HL級重型燃氣輪機的最新研發情況。

西門子全球銷售發電和天然氣部門負責人Karim Amin表示，西門子的新型HL級重型燃氣輪機是一種新舊技術的綜合集成，但它的最終將為燃氣輪機電廠帶來能效的提高，可以應對可再生能源給傳統發電行業帶來的挑戰。

Amin表示，新的HL級重型燃氣輪機操作非常靈活，可以很好的解決可再生能源帶來的間歇性調峰問題，該重型燃機在簡單循環下，每分鐘可以增加85MW的發電功率。

Amin表示：“我們還有一套改進的維修流程，這對燃機客戶是非常重要的，因為這套維修流程是非常有效而又低成本的，而且我們還對HL級重型燃機的啟動和停機過程進行了特別的優化。”

新的HL級重型燃機的設計既可以做基本負荷發電，也可以用作調峰機組，這讓它可以稱為能源系統的完美選擇，特別是應對可再生能源迅速增加帶來的電網波動。西門子強調，HL級重型燃氣輪機是基于西門子成熟的H級重型燃機設計技術，但最終將達到63%~65%聯合循環發電效率的HL級重型燃氣輪機技術載體。

為了達到最佳性能，西門子研發了先進的燃燒技術、創新的多層涂層技術、超高效的內部冷卻技術以及優化的水蒸汽循環。工程師們還在設計框架上使用了最新的數字技術，包括采用3D打印組件進行原型樣件的快速測試和驗證。

最新規劃的西門子HL級重型燃氣輪機產品如下： SGT5-9000HL，SGT6-9000HL和SGT5-8000HL。在簡單的循環運行中，空氣冷卻的SGT5-9000HL 燃氣輪機將為50赫茲市場提供545MW的發電功率，其60赫茲的版本SGT6-9000HL將提供374MW的發電功率，而SGT5-8000HL則提供453MW的簡單循環發電功率。

這些重型燃氣輪機還將接入西門子的數字產品MindSphere，這是一個基于云技術的西門子工業物聯網（IoT）操作系統。

Amin在柏林的新聞發布會上表示：“這將使得我們最新的HL級重型燃氣輪機擁有數字化的能力，你可以通過物聯網Mindsphere連接它，連接其機組上超過3000個傳感器。到目前為止，HL級重型燃機將擁有世界上最高的發電效率和相對最小的占地地面積。”

那這對電廠用戶的資本支出，運營成本和燃料經濟性有什么影響？

Amin表示：“以天然氣發電為例，它可以在現有的基礎上，將發電成本再降低5%左右，如果考慮一臺機組將正常工作15~20年，其經濟效益是顯而易見的。”

當被問到，HL級重型燃機的研發是否表明西門子對德國和歐洲的天然氣發電業務的增長具有信心時，Amin顯得有些猶豫，他解釋說，HL級重型燃氣輪機在歐洲市場的成功仍將取決于某些標準。

他表示：“在德國和歐洲相當長一段時間內，天然氣發電都還沒有真正的被派上用場。但現在你會看到一些燃氣輪機電廠又開始運轉了，它可以為歐洲電網的穩定性和調峰起到很好的輔助作用，但重點還是要取決于HL級重型燃機附帶的經濟價值。畢竟歐洲的電廠業主們也非常關心建設時資本支出多少，價格變化多少，服務成本等等。”

西門子發電和天然氣部門首席執行官Willi Meixner 表示，西門子也正在將新開發的關鍵技術轉移到整個燃氣輪機產品中，以加快其產品技術升級和競爭力的發展。

Meixner 表示：“在數字化的驅動下，發電領域技術發展的速度也越來越快，從2000年到2010年，我們花了10年的時間把聯合循環發電廠的效率從58％提高到60％，然后過了6年，到2016年，聯合循環發電廠的效率到達了61.5％。現在我們正在采取下一步措施，讓聯合循環發電效率達到63%。但我們知道，僅靠速度和效率是不夠的，我們解決方案還包括可靠性、成本效益以及合作伙伴關系，此外融資和保險支持對我們客戶也很關鍵。”

在不久的將來，所有西門子的客戶都將受益于進一步的發電效率和性能提升，這將幫助西門子的客戶在迅速變化的發電市場中保持較高的競爭力，通過標準化和模塊化，西門子燃機電廠的建設和維修時間也將大大減少。

西門子重型燃機項目經理Guido Schuld表示，HL級重型燃機背后的想法來自公司的頂尖技術人士。

Schuld表示：“與西門子以往的項目不同，來自制造工廠的員工和來自設計技術與創新的同事成為了這一項目評估的關鍵，這些混合的頂尖技術人員共同為發展HL級重型燃機做出了貢獻。例如，我們研究了新的制造方式，但也分析了從現在開始到五六年后可能有哪些制造技術可用，并確保我們的新型燃氣輪機已經準備好迎接這些新的制造技術。”

Schuld進一步解釋道：“我們考慮了這個市場發展的難度，所以我們的戰略部門開始考慮未來如何發展。除此之外，我們還研究了新的制造方法，例如3D打印技術，當然還有一些燃機的零部件還沒有準備好，比如渦輪葉片仍然以傳統方式制造。我們正在考慮三四年后可能會有哪些制造技術可用，而HL級重型燃機的架構將允許采用這種新的制造方法。”

Schuld還詳細介紹了HL級重型燃機的組成以及如何實現發電效率提高的。他表示：“如果只是一個簡單的改進，你如何達到63％以上的聯合循環發電效率？ ”

因此，西門子的HL級重型燃機在壓氣機、燃燒室和渦輪三大部件上都進行了創新性的改進升級。

在壓氣機方面，西門子表示，HL級重型燃機已經采用的是第三代壓氣機技術：第一代為SGT6-5000F燃機所用壓氣機，第二代為H級重型燃機的壓氣機，到了HL級重型燃機的第三代壓氣機，西門子采用了先進的3D壓氣機葉片，可以很好的提高整個壓氣機的效率，從8000H重型燃機的增壓比20提高到24，但壓氣機的級數卻實現了減少，降低了復雜度。

HL級重型燃機有12級壓氣機，而8000H級重型燃機有13級壓氣機。為了進一步降低復雜性，HL級重型燃機只有一個入口導葉和兩個可調壓氣機靜葉，而8000H重型燃機有一個入口導葉和三個可調壓氣機靜葉。這意味HL重型燃機復雜性更低，但效率更高。

當然，效率的提高也意味著，重型燃機必須在更高的燃燒溫度下運行。為此，西門子的工程師們研發了先進的燃燒技術，西門子提到了ACE（高效燃燒室）的概念，這是基于H級重型燃機的平臺燃燒系統（Platform Combustion System，簡稱 PCS）而研發。

8000H級重型燃機有8個預混火焰。

Schuld解釋說：“從概念上講，我們在中間有一個引燃器，由許多預混火焰包圍著，與8000H重型燃機相比，我們增加了預混火焰的數量。H級重型燃機有8個預混火焰，而HL級重型燃機有25個，這些預混火焰可以有效得幫助我們減少NOx的排放。”

同時，HL級重型燃機的高效燃燒室ACE可以在30%負荷的時候仍然保持低排放，這也將使得它可以更好的適應可再生能源市場。西門子表示，為了驗證部分燃燒概念，HL級的部分低污染燃燒室已經安裝在柏林的8000H重型燃機上運行和測試了一年，目前計劃采用新的燃燒室在8000H重型燃機上進行測試運行。

Schuld表示： “我們看到一個新的概念：更多的預混燃燒器和預混火焰、全氧混合、過渡段縮短以減少在燃燒室本身的燃燒氣體的停留時間。”

不過，空冷燃氣輪機來說，渦輪葉片才是真正的挑戰。Schuld表示：“為了提高燃燒效率，你就必須得提高燃燒溫度，我們的競爭對手已經在幾年前嘗試過使用蒸汽冷卻來避免這個挑戰。”

為了抵抗燃氣的高溫，目前有兩種方法來保護渦輪葉片：一種是改進葉片冷卻方式，另一種是改進葉片保護方式。

Schuld認為：“只要使用更多的冷卻空氣，一定程度上的改善渦輪葉片冷卻是容易的。但是當你使用更多的冷卻空氣時，燃氣輪機的發電效率就會下降，因為這部分空氣將不能參與做工。這使得我們意識到熱障涂層對渦輪葉片的重要性。熱障涂層具有比實際渦輪葉片的基礎材料更高的耐高溫能力。這是一種陶瓷材料，能有效的抵抗燃氣輪機啟動和停機時產生的熱應力。”

西門子提出了一項技術，通過所謂的激光雕刻技術來增強熱障涂層，在熱障涂層中進行薄切割，這有助于減少熱應力對涂層的脫落，而脫落是熱障涂層損壞的最大風險。“

他們還發現了第二個造成熱障涂層脫落的原因，在重型燃機調試期間，對于在壓氣機側進行密封時，會有一些金屬粉末的存在。

Schuld解釋道：”即使你試圖清理所有的東西，燃氣輪機內總會留下一些金屬粉塵。第一次嘗試啟動燃氣輪機時，這些金屬粉塵就會融化，進入渦輪區域，在渦輪的熱障涂層上造成金屬沉積物，從而改變熱障涂層的特性，導致熱障涂層脫落。“

Schuld表示：”我們注意到這一點，是因為在燃氣輪機開始運行的幾百個工作小時內，你看到的熱障涂層的裂縫已經很多，而之后你卻觀測不到這一現象。因此我們提出的是一個非常簡單的概念：即我們在渦輪部件的涂層上本身就加一個可以犧牲脫落的涂層，允許其在開始運行幾百小時后消失，而在這個涂層下，才是真正用來保護渦輪的熱障涂層。“

除了熱障涂層，HL型重型燃機還改進了渦輪的二次空氣系統，西門子表示已經從美國一家名為Microsystems的公司購買了一項制造技術，這項技術使得能夠在葉片內部制造非常復雜的冷卻通道。

HL級重型燃機的另外一個重要的變化就是前7級（動葉+靜葉）都采用了氣膜冷卻，而8000H級重型燃機僅在前6級（即前3級動葉和靜葉）采用了氣膜冷卻，HL級重型燃機有一個獨立的自由葉片，用來減少能量損失，并提高整體的聯合循環效率。

還有一項與8000H級重型燃機大不一樣的是燃氣輪機排氣溫度，HL級重型燃機的排氣溫度在680攝氏度左右，而8000H級重型燃機的排氣溫度在630~640攝氏度之間。

不過拋開上述的技術因素，最能讓客戶動心的可能屬西門子在燃氣輪機MRO（維修、維護和大修）方面的改進，西門子承諾在HL重型燃機上提供更加靈活的備件服務，可以讓電廠業主更快的獲得相關備件。

HL重型燃機在維修上也提出了一種新的概念：通過蓄電池帶動轉子旋轉，在大修過程中，無需將燃機轉子吊出就可以更換所有的葉片。

盡管維修維護方面進行了很大的改進，但西門子表示HL級重型燃機具有很長的使用壽命，只有在運行到33,000個基本運行小時（大約6-10年）才需要對燃燒室和一級渦輪進行檢查。

Schuld特別強調西門子的研發工程師考慮到了目前燃機電廠運營體制的變化，5年前，許多燃氣輪機電廠都是作為基礎電站，長期運行在基本負荷，而現在很多燃氣輪機電廠卻是作為調峰機組，每天啟動2次，因此HL重型燃氣輪機對它的啟動過程進行了很大的改變。

Schuld說：”對于8000H重型燃機來說，900次啟動后就必須進行燃燒器進行檢查，但是HL重型燃機將這一指標延長到1250個啟動，真正滿足了客戶根據市場變化的要求。“

而對于冷端部件，HL型重型燃氣輪機可以運行6.6萬個基本的運行小時，才需要對壓氣機和機匣進行大修。

西門子還特別強調了HL型重型燃機的可靠性，在研發新產品時，就特別注重測試和驗證服務，已經投資1億歐元建立了一個清潔能源中心，該中心側重于燃燒和部件測試，并允許西門子在真實的燃氣輪機運行條件下測試熱端部件。

Schuld認為：”這種不僅僅是給客戶提供了一個產品耐久性的證明，最重要的是，對于保險公司來說，它也提供了更高的可保性，那么客戶在他們的項目實施中實現融資和銀行業務要容易得多。“

HL級重型燃氣輪機最突出的一個動機，那就是希望采用更多的新技術來適應可再生能源對發電市場越來越強烈的沖擊。

Schuld表示：”我們相信，雖然有更多的可再生能源正在進入市場，但是我們的HL重型燃機可以適應這種新的市場需要。你需要快速的發展新型燃氣輪機，以便和可再生能源發電更好的結合。另一方面，高效率還可以使得基本負荷電廠業主可以大幅度的提高重型燃機的使用壽命、服務理念和數字化。HL重型燃機是一種未來發電技術的證明，它被設計成可以接入西門子的工業云MindSphere，隨著越來越多的應用程序在云端可獲得，這將為客戶帶來更多的改進，帶來工業操作靈活性上的巨大變革。“

Schuld表示，總體來看，英國和德國對HL級重型燃機仍有一定的市場需求。他承認，歐盟市場已經停滯了相當長的一段時間，現在很多都要看后續政策的發展方向。但他堅持西門子將在未來的24個月內，將在德國和英國獲得訂單。

Amin則更加看好歐洲以外的市場。Amin認為：”一些亞洲和中東地區的國家例如巴基斯坦和沙特阿拉伯，現在是世界上最大的重型燃氣輪機市場之一，H級重型燃機在這些國家不斷獲得新的訂單，并且他們已經表示對F級重型燃機已經不再感興趣，就連中國現在都表示未來將更青睞H級以上重型燃機。“

Amin表示：”我們預計未來全球的發電用燃氣輪機需求為120~130臺，并會在未來幾年保持這一范圍。但一個明顯的變化就是：中間功率級的機組將減少，而大功率的H級重型燃機和用于分布式發電的小型燃氣輪機將增多。在歐洲，我估計HL級重型燃機作為長期基礎電廠更為合適，因為她的高效率，低資本支出。“

他還強調：”天然氣是可再生能源的良好合作伙伴，可再生能源目前在全球發電市場已經扎根，并將繼續發展，我們的立場是，天然氣發電仍然可以搭配發展，因為您從EPC的角度來看，它具有高效率和更快的安裝速度。與所有其他方案相比，它更便宜，更靈活。“

那是什么促使西門子決定加快HL型重型燃機的研發，畢竟它之前花費了如此長的時間才實現60%的發電效率？

在這個問題上，Amin回答得干凈利落：”錢！從商業角度來看，客戶其實并不在意燃機的本身價格和關稅，在價格談判中，他們更多的是關心每千瓦多少美元這一成本。隨著天然氣價格的走高，他們非常關心燃機的效率，因此這是一場高效率的比賽 - 你需要在比賽中領先，否則你將無法生存。“

同時，Amin和他的同事們也花了一年時間分析燃氣輪機在電力行業潛在的發展方向，包括與燃氣輪機結合的儲能技術。Amin表示，他們非常關注競爭對手（美國通用電氣）在燃氣輪機+電池儲能技術方面取得得進展，他們也在尋找一種更加應用廣泛得儲能技術。

他認為一旦一種高效而又經濟性的儲能解決方案出現，儲能和可再生能源將會再次改變發電行業。

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責任編輯：殷鵬飛

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