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H级重型燃气轮机是如何研发的?数十年技术的传承和演化!

H级重型燃气轮机号称工业性能巨兽，以GE最新的9HA重型燃气轮机为例， 400吨的重量相当于两头蓝鲸，约1600℃的透平进口温度几乎可以融化任何金属。在实际使用中，燃气轮机本身还会有诸多“辅机”，以支持机组运行等。除了体型庞大，零件众多，还需“辅机”之外，发电行业还希望燃机24x7不间断工作，同时符合越发严苛的环保法规要求。这一切都需要H级燃气轮机的设计与制造无限趋近完美——核心部件的精度误差最多几十微米。

然而，这样的工业性能巨兽并不是一天炼成的，每一代新型重型燃气轮机的研制几乎都是从研制小功率的原型燃气轮机(也称为母型机、技术验证机)入手，突破并掌握产品设计和制造核心技术，然后采用模化放大或缩小的方法，在较短时期内形成同一温度等级的不同功率的系列化产品的基本型号。这样做的好处就是：节省研发投资、缩短研发周期、降低公司风险。

例如，原型机与放大机型的模化放大系数为2时，两者的功率比将为1:4、转子重量之比则为1:8。从核心技术研发、产品设计、关键部件性能试验验证、样机制造、建设试验电站完成带负荷发电全过程的总投资则为1:4，这意味着直接研制300MW等级大功率燃机需要多投资数亿、十几亿美元甚至更多。事实上，世界燃气轮机发展历史上没有一家成功的企业是直接研制大功率燃机起家的。

同一参数等级的50Hz(3000转/分)和60Hz(3600转/分)燃机是模化设计理论应用的典型例子。60Hz燃机按比例放大1.2倍就得到50Hz燃机，50Hz燃机按比例缩小0.8倍就得到60Hz燃机，两者热效率、主机结构、材料和加工工艺相同，只是功率相差1.44倍。任何一家公司研发成功了50Hz的燃机，就等于有了60Hz燃机，反之亦然。

重型燃气轮机在投入市场后，燃机厂商仍会保持新的技术研发，来提高热效率、增加功率、降低污染和提高可靠性，不断推出该型号的升级版，这就是你为什么会看到很多燃机产品有后有“.01”,“.02”，这种改进升级过程会贯穿整个产品的生命周期，甚至可以长达几十年。

H级重型燃气轮机的试验测试有多复杂?建个试验台就得10多亿!

重型燃气轮机在研制出来后，还需要经历大量的试验，这个试验不是一般的烧钱，基本上这东西烧钱速度比你直接烧钱速度还快，而且试验台的本身建设也耗资巨大。GE 9HA燃气轮机试验台就耗资了1.85亿美金，工程师在燃机测试台上放置了多达6000余个测量仪器和传感器。此外，GE还打造了可以存储18万加仑液化天然气的储气厂和一个北美最大的铁路转盘以供运输和测试。

该测试台位于美国南卡莱罗纳州格林威尔，也是全球唯一的全速全负荷专用试验台，可以对燃机部件、系统和机组进行有效的验证和试验。同时它也是世界一流的全尺寸燃机压气机试验台，它使用压气机作为模拟符合，可以根据测试要求，进行转速和负荷变化试验;可以模拟各种发电用实际工况;压气机压比可控，以满足燃机试验的完整分析;大量数据可以捕捉燃机性能的瞬态变化。

该测试平台在离网模式下，没有转速限制，能对燃气轮机进行各种深度测试，以了解燃气轮机在满载和过载工况下的各种行为和性能特性(相当于在实际电厂运行8000多个小时所历经的各种工况条件，同时也能模拟一些在实际电厂现场一般难以遇到的特殊工况)。

而且该试验台提供新产品的全貌，产品在前往电站现场点火前就能完成全面验证，大大节省新技术在现场调试时间。此外，还可以为部件的新设计和将来的新产品提供试验。

H级重型燃气轮机制造有哪些黑科技? 3D金属打印、数字化都有!

与之前的燃气轮机产品相比，H级重型燃气轮机采用了更高效的空气冷却结构、更先进的材料，以及经过验证的运行灵活性和可靠性。更重要的是，H级重型燃机拥有更低的单位千瓦生命周期成本，可以给电厂用户带来更多的效益，以一个使用20年的燃机电厂为例，与市场上同等级的9F燃机相比，单台9HA.01燃机可节约燃烧费约7.83亿元。

特别值得一提的是，3D金属打印制造工艺也开始应用在了重型燃气轮机的制造上。9HA燃气轮机的核心部件燃烧室燃料喷嘴和预混器就使用了该工艺，从而让9HA燃机的DLN2.6+燃烧系统中实现了微孔预混和全预混燃烧。这种低氮燃烧技术可以保证燃料与空气以更好的比例混合，实现启停过程全预混燃烧模式，不存在扩散火焰，满足超低氮氧化物排放(在最低负荷至30%的工况下仅有25ppm氮氧化物排放)，并且在燃机快速增减负荷不熄火。

3D金属打印技术在9HA燃机关键零部件上的充分应用，帮助该型燃机的功率较传统制造方法至少增加了1%。不要小看这1%，GE在法国布尚电厂的9HA机组可以供给大约68万个法国家庭的用电需求，也就是说，在原有能耗不变的情况下，这两个部件将能把光明带给额外6800个家庭。

此外，9HA燃气轮机的另一项重要“黑科技”就是数字化技术，GE通过其研制的Predix工业互联网云平台，将物联网、云计算和大数据等技术应用到了9HA燃机电厂上，可以给电厂用户带来更加丰富和本地化的运营体验：可以对燃机机组的全寿命周期提供预警，对机组故障进行诊断和分析以及对机组的检修进行优化等功能。

值得一提的是，其实当年H级燃气轮机还有一项革命性的技术：蒸汽冷却。这个概念由美国GE公司在上世纪90年代率先提出，即用蒸汽替代空气对透平静动叶片进行冷却，这种冷却效率极高，可以在相同燃烧室出口温度的条件下，提高透平第一级动叶片进口温度约110℃，而金属材料本身的改进一般也就能提高8℃。可惜的是，由于在实际商业运营中蒸汽冷却系统结构过于复杂，而且蒸汽系统启动慢影响了燃机调峰性能等原因，最终各大燃机厂商还是在实际产品中选择了空气冷却，GE的9HA燃机中A字母就是表示空气(Air)冷却的意思，也许我们可以在下一代重型燃气轮机中看到蒸汽冷却技术的身影。

原标题：【长知识】走近工业性能巨兽，H级燃气轮机你必须了解的几件事

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