【行业动态】专访GE总工程师：过去70年燃气轮机技术飞跃有哪些驱动因素
导读：自从贝尔岛电站首台燃机在70年前启动以来，GE的燃气轮机技术已经实现了飞跃，这可归因于几个因素。最近，GE 发电首席技术官（总工程师）兼副总裁约翰-拉马斯（John Lammas）透露GE今天的燃机正在朝着64%的效率发展，他概述了推动这一发展的驱动因素。
1949年7月29日下午2:15，通用电气公司（简称GE）在俄克拉荷马州贝尔岛电站的第一台燃气轮机开始向俄克拉荷马州天然气和电力公司的配电系统供电。据报道，当时3.5兆瓦的GE Frame 3燃机的效率约为17%。这开创了一个新兴产业。这台燃气轮机是美国第一个用于发电的燃气轮机，它从1949年到1980年在俄克拉荷马州的贝尔岛电站运行。这台燃气轮机具有2级涡轮和一个15级轴流压气机，主要燃料为天然气。它通过减速齿轮以3,600转/分的速度驱动了一台3.5兆瓦的发电机。
GE 发电有许多值得注意的发展，包括材料、工具、工程和制造，以及该部门与GE航空、法国阿尔斯通（已被GE收购）的跨领域知识和技术分享，这些使得GE公司可以开发出一条独特的燃气轮机产品线。拉马斯表示，新的数字化能力和增材制造等技术突破也将继续为GE发电的航改燃机和重型燃机发展提供动力。
记者：您参与燃气轮机行业多久了？
拉马斯：实际上，我是在GE的竞争对手英国罗尔斯-罗伊斯公司（简称罗罗）的高中毕业的，因此在1978年毕业后，我成了罗罗公司的本科学徒，并在英国获得了工程学位。我在1985年开始加入GE航空发动机事业部，并参与了多型航空发动机的研制，包括著名的GE90发动机。2005年，我被转到了GE发电担任这边的总工程师。基本上，我的职业生涯都在燃气轮机里——从航空燃气轮机到工业燃气轮机。
记者：在GE燃气轮机技术的悠久历史中，有许多改进。是否有一个特定的发展是最为关键和重要的？
拉马斯：嗯，如果你从整个历史来看，你会发现燃气轮机最初是在第二次世界大战中设计的，它的主要目地是为了航空应用，而GE公司当时也是美国喷气发动机的开发商。因此，第一个最关键的时刻显然是贝尔岛电站的首台燃机。因为它来自喷气发动机，然后将用在运输上，实际上当时已经要用到火车上，而这一次应用把它扩展到了发电上，虽然只实现了3兆瓦的功率，但是在发电领域的应用对GE燃气轮机来说无疑是关键时刻之一。
然后，这些燃气轮机在当时的发电效率都相对较低。因此我们很快想到了联合循环的应用，开始从燃气轮机的排气废气中再次提取能量，并产生可用于发电的蒸汽。GE燃机的联合循环首次应用在1967年，我认为这是另一个关键时刻。
同一时期，我们还对航空燃气轮机进行了另一项应用，比如CF6，我们基于它制造了航改燃机LM2500，最初它也是用在运输领域，为船舶提供动力。但不久之后，也是在1969年，也进入了发电领域。
再往后一点，我认为就是F级燃气轮机的制造，它是GE燃机的重要发展标志之一，当时我们通过对现有燃机进行研究，发现我们需要更大，更高效的机器，这种情况在GE发电的历史上后来发生过不止一次。首批F级燃气轮机于20世纪80年代初投入使用。
首台F级燃气轮机于1990年投入商用，但在此之前它们已经投入使用。更大，更高效的燃机的出现肯定也是一个关键时刻，它开创了整整一代的新“F级”燃气轮机时代。我还要提到的是，尽管GE最初的蒸汽冷却H重型燃机遭遇了商业挫折，但它将燃烧温度提高到1427℃（2,600F），这本身也是新一代燃机技术的开始，我们在过去几年里已经成功地推出了我们的HA级燃气轮机。
所以，我认为的关键发展时刻，早期是工业用途的扩展，然后是联合循环技术的发展，然后就是F级和H级燃气轮机技术的持续发展。
记者：GE的H级燃气轮机是如何演变的？
拉马斯：蒸汽冷却技术的发展实际上是在20世纪90年代末期，大约在2003年，我们在威尔士的Baglan Bay电厂推出了首台H级燃气轮机，我们的一些竞争对手如三菱也跟进了真气冷却技术。但在那段时间里，空气冷却技术也突飞猛进，然后也实现了相同的燃烧温度，这使得蒸汽冷却技术变得没那么必要，因此GE产品从H级燃气轮机切换到了HA级燃气轮机，但我认为，如果没有最初的H级重型燃机，也不会有后来的HA系列重型燃机。当时燃气轮机行业的发展实际上就是不断的往发电功率更大，发电效率更高的方向发展，当时从E级到F级，再从F级到H级都是这种类似的过程。
记者：除燃气轮机技术外，GE发电还一直处于燃气轮机污染解决方案的最前沿，这套技术是如何发展的？
拉马斯：有一系列新的发展，我认为我们F级燃机中的干式低NOx（又称DLN）燃烧的发展无疑是燃烧技术的重要发展之一，这使我们的燃机能够在更高的燃烧温度下以低排放进行燃烧。从那时起，我们也开始在其它机型上继续发展DLN燃烧系统。在我们的HA重型燃机中，我们进行了所谓的轴向燃料分级，这是一种两级燃烧系统。我们还在开发下一代燃烧系统，预计将出现在GE公司的9HA.08燃机中，我们在内部称之为微混合器。接下来，我们还将开发一套可以高百分比燃烧氢气的低NOx系统，未来我们的燃机中能使用氢气将是一个重要优势。
记者：这些发展中的许多都是由市场需求驱动的。例如，在20世纪50年代，燃气轮机主要用于调峰，1965年东北停电后，黑启动成为一个重要特征。在开发新的燃气轮机技术时，GE目前正在寻找什么样的市场驱动因素？市场需要什么？
拉马斯：是的，市场需求肯定推动了我们的发展。一年前，我们宣布了一款LM6000航改燃机，我们就在其中加入了电池模块。在这种模式下，只要电网需要，您就可以先从电池向电网供电，然后过渡到从燃机给电网供电。这是一个很多的关于电池技术和航改燃机技术结合的例子，它为美国加利福尼亚这样的地方提供即时供电响应。
在我们所有的燃机中，我们认为市场还需要额外的灵活性。它既包括燃机快速启动到供电的能力，也包括能进行燃料快速调节等方面的能力，我们最近有一个很棒的演示。我们将一组HA燃机安装在一个冶炼厂，其中一台燃机熄火了，从120兆瓦下降到0，然后又回到120兆瓦，我们只用了12秒就完成了这个过程。因此，我认为，基于可再生能源的渗透，这些燃机可以让不稳定的电网变得更加稳定起来的能力，是我们真正期望能够看到的。
但如果你看看未来，高效率显然总会成为一个驱动因素。显然，我们希望这些燃机非常可靠。他们如何适应未来的发电，特别是太阳能和风能的渗透，非常重要。我们看到，世界各地也需要不同的燃料，能够在我们的机器中使用各种燃料正变得越来越重要。但我们认为天然气发电仍是未来能源组合的重要补充，而拥有一台互补的机器是我们真正关注的事情之一。
记者：GE公司于2015年收购了法国阿尔斯通的电力业务，但这两家公司都拥有长期的技术开发积累。你如何将这两种文化，两种截然不同的技术方向，融入当今的燃机研究和发展中？
拉马斯：自收购阿尔斯通以来的这几年里，这是一项有趣的工作。我们显然研究了两家公司发电机，汽轮机和燃气轮机的组合，我认为在不同的领域，方法略有不同。比如在燃气轮机组合上，像阿尔斯通GT13E2这样的燃气轮机，非常适合一些发电投资组合中存在差距的地方。但如果是GT24和GT26重型燃机，我们则不会继续生产，我们现在更多是研究如何使用GE燃机产品组合中的技术，特别是HA燃机技术来改进这些燃机。
最近，在过去的几个月里，我们宣布对阿尔斯通GT26进行重大升级，称为GT26高效率版本（GT26 HE），我们升级了它的压气机、传热、冷却和材料技术，这对GT26的效率和输出都有重大改进，这也是我们用HA燃机技术改进阿尔斯通产品的一个案例。
在汽轮机上，我们则采取了一种不同的方法，因为我们主要是改进最后一级叶片，密封技术，以及消除一些不同特性来实现低成本，我们将两家最好的技术结合，从而带来一系列性能更加先进的汽轮机版本。在发电机方面，我们主要是对产品进行比较并询问：“哪种产品最适合？” 我们以这种方式合理优化投资组合。
但真正有趣的是设计标准，这是整个企业使用的设计规范，其中很多是基于工程师们过去经验和知识开发的，我们非常批判地看待它们并将它们组合成一套未来产品的设计规范。在某些情况下，您可以发现，根据两家公司的燃机开发历史记录，可能有不同的方式和角度来查看问题，这使我们有可能在未来创建更好的燃气轮机系列产品。因此，随着我们向前发展，我们正在全面整合我们的设计实践，让未来的产品成为两家公司最佳技术的实践。
记者：GE于2017年推出了65兆瓦的航改燃机LM9000，您是否希望继续增加这些航改燃机的功率？您在航改燃气轮机开发方面做了什么？
拉马斯：这个问题的答案实际上很有意思，因为这些航改燃机的很多工作实际上是在航空部门进行的，然后才推广到的发电领域。我在这2个地方都对它们进行了研究，我们有一系列的航改燃机，比如LM2500和LM6000，它们来自于CF6系列航空发动机，我们将继续开发这些机器。还有一个叫LM6000-PF +的产品，这是我们目前正在开发的LM6000最新产品，我们将在今年晚些时候向客户发货。我们还在改进动力涡轮，以便进一步升级LM2500航改燃机。
目前我们的航空部门正在开发GE90航空发动机的航改燃机版本，这将为发电业务带来下一代航改燃机产品。因此，我们将继续优化我们的投资组合。在很大程度上，我们受益于这样一个事实，即GE航空发动机数量和产量的发展让该产品的成本降低到了最大限度，因此更加真正适合发电业务。
记者：在整个历史进程中，您认为哪些具体的技术发展对从航空发动机到发电技术转化是最重要的？
拉马斯：从根本上说，我们与GE航空其实是共享一个团队，这个团队同时为GE的航空发动机和燃气轮机开发空气动力学工具和传热工具。所以，我认为，这些工具真正适用于2个企业。如果你考虑如何使得燃气轮机更加高效，那你就必须提升部件的效率，这实际上是空气动力学。多年来，我们已经进行了多项空气动力学测试，并将这些经验纳入了我们工具中，我们现在将这些测试也同时应用于航空发动机和燃气轮机业务。
另外，开发更好的材料也很重要。显然，我们希望燃气轮机的燃烧室和涡轮可以运行在更热的环境，而材料的开发往往是由我们的航空业务率先使用，然后再广泛应用到燃机中。当然，也有一些特殊的例子，一些材料是我们先研究后再进入航空领域的。
一个很好的例子就是陶瓷基质复合材料，我们首先用它生产了实际零件，并在工业燃机中进行了应用，然后它也进入了GE的LEAP系列航空发动机中，而GE航空部门实际上利用了我们在发电行业开发的一些工作和经验。我们相信未来，如果这些材料增加使用，这些材料的价格可能会继续下降，它们将又反过来在电力行业广泛应用，成为GE下一代燃气轮机的材料。因此，我们与航空部门之间有很多向后和向前的技术交流，包括传热、空气动力学和材料。
最近，我们也开始使用增材制造技术。显然，较小的部件和降低重量的愿望使它们非常适用于航空，但我们也开始在我们的发电燃机中更多的看到并使用它们，这是我们紧密合作的另一个领域。
记者：自80年前第一台发电燃气轮机上线以来，工程和制造业发生了巨大变化。您认为最显著的变化是什么？
拉马斯：显然，我的职业生涯还延伸得不足够长，以至于当我开始作为燃气轮机设计师时当时都是使用绘图板工作，但这也真的不是很久以前，那肯定不是1939年。但如果你看看工程方面，那是我们才开始进行二维计算，直到进入20世纪70年代末和80年代初，我们才开始使用有限元方法。当然，从结构上来说，它们首先被应用。我们从2D到3D的分析方法，CFD的发展使我们能够设计计算流体动力学，我们甚至能对燃烧进行不稳定计算，并对燃气轮机进行建模和增强它的可制造性。
我想如果你看一下制造方面，很多都是围绕材料本身的发展，铸造的能力和单晶材料的发展增强了我们对涡轮叶片翼型的设计能力。因此所有这些制造技术在功能方面都真正改变了我们的游戏规则。不过，最新的革命性变化还是增材制造的加入。
除了技术外，我还要说的一件事是，人与人之间的关系和传承，我们有一位绅士，唐-勃兰特（Don Brandt），他曾经在25年前担任过GE发电的总工程师。他已退休了，现在已经80多岁了，他是F级重型燃气轮机之父。我们请他回来时，向他展示了最新的HA重型燃机，它的功率是他工作时机器的2倍，联合循环效率也提高了10%，那时他的机器的联合循环效率大约是53%左右，而现在，我们给他展示的HA燃机的联合循环效率已经超过了64%。所以，当你从一代人到另一代人看待这个产品时，那些变化就是令人难以置信的。他默默的站在那里看了好一会，表示敬畏，这是从一代到下一代的传承。