【行业动态】西门子简述HL级新型重型燃气轮机技术的发展

导读：凭借其新型HL级燃气轮机技术，西门子正在进一步突破旗下重型燃气轮机效率、性能和灵活性的极限，而且西门子还表示已有的现役西门子燃气轮机机组运营商们也将从技术创新的飞跃中获益。

在柏林西部一个巨大的西门子工厂里，数百名员工正在研究世界上功率最强大的重型燃气轮机，在这台新型的工业巨兽中，西门子正以最高精度的装配方式将叶片插入透平模块中。

重型燃气轮机按照透平进口温度，目前可以分为E级，F级和H级，其技术难度和先进程度也逐级提升，目前H级重型燃气轮机是最先进的重型燃气轮机机组，HL级则是西门子在研的下一代重型燃机。

截至2018年年底，西门子的SGT-8000H级重型燃气轮机产品已经在全球销售超过85台，总运行时间也超过650,000小时，已被证明是同类产品中最可靠的燃气轮机。而现在，西门子正打算再进一步：基于目前成熟的H级燃气轮机技术，再研发下一代HL级重型燃气轮机，将发电效率的阈从61%提升到63%以上。

西门子的新型HL级重型燃机由三个主要型号组成：SGT5-9000HL、SGT6-9000HL和SGT5-8000HL。在简单循环运行中，风冷式的SGT-9000HL级燃气轮机分别可以为50赫兹发电市场提供545兆瓦和为60赫兹发电市场提供374兆瓦的发电容量。SGT5-8000HL则可以在简单循环中提供453兆瓦的发电容量。同时，所以的HL级重型燃气轮机的联合循环发电效率都超过了63%。

在这个组织良好，嗡嗡作响的“燃气轮机装配蜂巢”中，西门子发电与天然气集团首席技术官赵作智热情地向来访记者解释了他和他的团队如何使这项技术成为可能。

赵作智博士谈论西门子的创新精神。

基于3D打印的快速原型制造

这位出生于中国的工程师在40多岁时担任西门子发电与天然气集团的首席技术官（CTO）。他的办公室距离历史悠久的生产厂房仅一箭之遥，该生产厂房也是工业建筑的杰作，100多年来一直用于同样的目的：组装燃气涡轮发动机。

然而，在当代工业大发展的历史背景下，时代变迁显而易见：赵博士谈论的创新很快涉及到了一项目前工业界的新型技术——3D打印，又称增材制造。这项技术可以实现与来自世界各地的工程师以更高的创新速度密切合作，这是一项基于3D打印支持的快速原型设计流程，它可以加速了部件的制造和测试，将设计师们的想法迅速变成可用零部件，然后在柏林和路德维希斯费尔德（Ludwigsfelde）的西门子清洁能源中心进行完整的测试阶段。

赵博士笑着说：“这就是在一个全球化公司里工作的意义所在。”

赵作智博士出生在一个没有电的中国村庄，凭着对能源的热情，他一直从事着燃气轮机创新的前沿工作。

赵作智博士于2009年3月加入西门子，在2017年1月被任命为西门子电力和燃气集团首席技术官之前，曾在中国电力和燃气部门担任过燃气轮机技术和运营的各种管理职位。他在美国亚利桑那州立大学获得机械和航空航天工程博士学位，并在清华大学获得机械工程学士和硕士学位。

可承受更高温度的高尖技术

HL级重型燃机超过63%的联合循环效率令人印象深刻。赵博士解释说：“为了提高效率和改善性能，重型燃机必须在更高的燃烧温度下运行，这是获得高性能的关键。对此，我们确定了5个关键技术，来提高燃烧温度。”

首先他的团队开发了一种先进的燃烧系统，可以提高燃烧温度，同时提高操作灵活性；其次使用了创新的多层耐热涂层来保护叶片材料免受增加的热量的侵蚀；对于透平叶片，赵博士还表示，其内部通道设计和叶片的外形气动设计同样重要，对此，西门子团队采用了一种超高效的内部冷却功能用于改善透平叶片的冷却过程；同时，密封通过优化最大限度地减少冷却空气的泄漏；最后，改进的三维气动设计压气机叶片也进一步提高了压气机的压缩效率。

那么这些关键的HL级重型燃气轮机技术在成功应用之后，是否应该休息了呢？赵博士却表示：“恰恰相反！”他解释说，与此同时，西门子已经着眼于65%联合效率的新门槛。他说：“从目前来看，技术发展最快的目前是由数字化和3D打印，这些技术正在迅速的推动整个行业的发展：我们花了10年时间才突破了60%的联合循环效率障碍，然后又花了6年时间才将这一指标提高到61.5%。而现在，我们只需要不到2年的时间就可以将下一代重型燃机的联合循环效率提升到63%以上。”

但赵博士强调，对于西门子的燃气轮机客户来说，不仅仅是发电效率和功率大小，新的燃气轮机机组首先必须是可靠且经济高效的。

HL级重型燃气轮机的未来

到被问到，随着世界越来越多地将可再生能源作为能源来源时，那么进一步改进燃气轮机技术是否有意义呢？赵博士给出了自己的答案：“太阳并不总是闪耀，风也不总是在吹，这就是这个世界总有电力短缺的时候需要你补偿，因此燃气轮机技术发展和可再生能源的繁荣并没有任何矛盾。而HL级重型燃机的升温速率可达每分钟85MW，对于急需能源，这一点至关重要。而且如果你看一下你可以产生的功率和需要的空间，即功率密度比时，你会发现没有任何发电设备可以与燃气轮机竞争。”

他进一步解释说：“未来，高效燃气轮机也可以使用可再生能源气体进行燃烧。如今，很多风能或太阳能基本上都被浪费了，因为它无法储存。而从目前来看，至少在很长一段时间内都没有经济合理的电力储能技术。那么另一种选择就是将这些多余的能源转换为转化为甲烷或氢气，并在需要时使用这种储存的气体为燃气发电厂提供燃料。不过，无论解决方案是什么，西门子已经为未来做好了准备，我们的燃气轮机具有高度的燃料灵活性，可以使用天然气以及其他合成燃料。”

良好的内外部创新生态环境

对于HL级重型燃机的研发来说，技术还并不是唯一的创新内容。为了保证项目的成功，西门子还引入了新的管理方法，如Scrum流程：包括每月的冲刺计划和每日的工期保证。此外，一个跨职能，共同组建的团队形成了一个非常扁平化的管理层次结构，这创造了一个鼓舞人心的工作氛围以及灵活和敏捷的研发进程。

这种灵活性甚至穿过了西门子的工厂大门。对于其创新流程，该公司现在经常与风险资本家和初创公司合作，得到了不少新的商业理念和新的创新思维。赵博士指出：“竞争真的越来越激烈，每个人都在投入更多资源来加速这场比赛。所以，如果你坚持不了而关门，那即使你拥有全世界最聪明的工程师，这根本得不到任何好处。” 

他说，真正的好处来自“走出去”和外部创新生态系统的参与。例如，这个创新生态系统中的MikroSystems公司，虽然它只是一家美国小公司，但它发明了一种创新方法，可以制造用于生产透平空心叶片中复杂内部冷却几何形状的陶瓷形芯。

西门子透平叶片中采用创新的内部冷却几何结构

基于设计和运营数据的专有分析技术提升了机组性能

这些燃气轮机还设计集成西门子最新研制的工业物联网MindSphere，它可以提供高性能的分析工具。赵博士表示：“这个工业物联网的三大支柱是专业燃机设计知识，专有数据技术和专有运营技术。通过与MindSphere结合起来，我们的客户将获得巨大的利益。它可以告诉客户他的操作方式、他应该更换某些部件以获得最高的可靠性、以及如何降低油耗。”

更进一步的好消息是，新型燃气轮机技术的创新不仅给HL级重型燃机带来益处，也将为西门子的老旧在役机组带来好处。赵博士强调：“在不久的将来，西门子所有客户都将获得效率提升，性能改善和灵活性提高的解决方案，通过在老旧机组中引入新设计组件和技术升级将让老的燃机运营同样享受新技术带来的好处。你不能改变的是燃机罩壳，但是其它一切，如燃机叶片，都可以升级改变。这种模块化和标准化的方法也是我们帮助用户在瞬息万变的市场中提升竞争力的诸多方法之一。除了更换燃机硬件外，现有的燃机机组也可以接入西门子的工业物联网MindSphere，来提升电厂效率。”

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