【行业动态】多层热障涂层，西门子下一代HL级重型燃机应用多项新技术
导读：2017年年底西门子爆出的6900人大裁员消息，不仅让世人对西门子的下一代重型燃气轮机产品——HL级重型燃机项目是否会夭折捏一把汗。然而，近日国际动力工程杂志对西门子的走访，让人发现西门子的该型产品不仅没有夭折的迹象，反而有了呼之欲出之势，今天，就让小编带你来走近西门子的下一代工业巨兽——HL级重型燃机。
2016年1月，西门子的重型燃气轮机SGT-8000H以61.5%的联合循环发电效率获得了当时的世界记录，到了2017年8月，西门子表示新型的HL级重型燃气轮机项目已经启动，该重型燃气轮机将基于其成熟的SGT-8000H技术衍生而来，通过渐进式的研发步骤，最终实现超过63%的联合循环发电效率，中期目标达到65%的联合循环发电效率。
然而，到了2017年年底，该燃气轮机制造巨头却在发电业务部门进行6900人的大裁员，西门子无奈的表示，燃气轮机发电市场产能过剩，可再生能源冲击严重。这不仅让世人对西门子的HL级重型燃气轮机项目是否会夭折捏一把汗。
近日，国际动力工程（Power Engineering International）杂志拜访了西门子在德国的总部，以参观HL级重型燃气轮机的最新研发情况。
西门子全球销售发电和天然气部门负责人Karim Amin表示，西门子的新型HL级重型燃气轮机是一种新旧技术的综合集成，但它的最终将为燃气轮机电厂带来能效的提高，可以应对可再生能源给传统发电行业带来的挑战。
Amin表示，新的HL级重型燃气轮机操作非常灵活，可以很好的解决可再生能源带来的间歇性调峰问题，该重型燃机在简单循环下，每分钟可以增加85MW的发电功率。
Amin表示：“我们还有一套改进的维修流程，这对燃机客户是非常重要的，因为这套维修流程是非常有效而又低成本的，而且我们还对HL级重型燃机的启动和停机过程进行了特别的优化。“
新的HL级重型燃机的设计既可以做基本负荷发电，也可以用作调峰机组，这让它可以称为能源系统的完美选择，特别是应对可再生能源迅速增加带来的电网波动。西门子强调，HL级重型燃气轮机是基于西门子成熟的H级重型燃机设计技术，但最终将达到63%~65%联合循环发电效率的HL级重型燃气轮机技术载体。
为了达到最佳性能，西门子研发了先进的燃烧技术、创新的多层涂层技术、超高效的内部冷却技术以及优化的水蒸汽循环。工程师们还在设计框架上使用了最新的数字技术，包括采用3D打印组件进行原型样件的快速测试和验证。
最新规划的西门子HL级重型燃气轮机产品如下： SGT5-9000HL，SGT6-9000HL和SGT5-8000HL。在简单的循环运行中，空气冷却的SGT5-9000HL 燃气轮机将为50赫兹市场提供545MW的发电功率，其60赫兹的版本SGT6-9000HL将提供374MW的发电功率，而SGT5-8000HL则提供453MW的简单循环发电功率。
这些重型燃气轮机还将接入西门子的数字产品MindSphere，这是一个基于云技术的西门子工业物联网（IoT）操作系统。
Amin在柏林的新闻发布会上表示：“这将使得我们最新的HL级重型燃气轮机拥有数字化的能力，你可以通过物联网Mindsphere连接它，连接其机组上超过3000个传感器。到目前为止，HL级重型燃机将拥有世界上最高的发电效率和相对最小的占地地面积。“
那这对电厂用户的资本支出，运营成本和燃料经济性有什么影响？
Amin表示：“以天然气发电为例，它可以在现有的基础上，将发电成本再降低5%左右，如果考虑一台机组将正常工作15~20年，其经济效益是显而易见的。”
当被问到，HL级重型燃机的研发是否表明西门子对德国和欧洲的天然气发电业务的增长具有信心时，Amin显得有些犹豫，他解释说，HL级重型燃气轮机在欧洲市场的成功仍将取决于某些标准。
他表示：“在德国和欧洲相当长一段时间内，天然气发电都还没有真正的被派上用场。但现在你会看到一些燃气轮机电厂又开始运转了，它可以为欧洲电网的稳定性和调峰起到很好的辅助作用，但重点还是要取决于HL级重型燃机附带的经济价值。毕竟欧洲的电厂业主们也非常关心建设时资本支出多少，价格变化多少，服务成本等等。“
西门子发电和天然气部门首席执行官Willi Meixner 表示，西门子也正在将新开发的关键技术转移到整个燃气轮机产品中，以加快其产品技术升级和竞争力的发展。
Meixner 表示：“在数字化的驱动下，发电领域技术发展的速度也越来越快，从2000年到2010年，我们花了10年的时间把联合循环发电厂的效率从58％提高到60％，然后过了6年，到2016年，联合循环发电厂的效率到达了61.5％。现在我们正在采取下一步措施，让联合循环发电效率达到63%。但我们知道，仅靠速度和效率是不够的，我们解决方案还包括可靠性、成本效益以及合作伙伴关系，此外融资和保险支持对我们客户也很关键。”
在不久的将来，所有西门子的客户都将受益于进一步的发电效率和性能提升，这将帮助西门子的客户在迅速变化的发电市场中保持较高的竞争力，通过标准化和模块化，西门子燃机电厂的建设和维修时间也将大大减少。
西门子重型燃机项目经理Guido Schuld表示，HL级重型燃机背后的想法来自公司的顶尖技术人士。
Schuld表示：“与西门子以往的项目不同，来自制造工厂的员工和来自设计技术与创新的同事成为了这一项目评估的关键，这些混合的顶尖技术人员共同为发展HL级重型燃机做出了贡献。例如，我们研究了新的制造方式，但也分析了从现在开始到五六年后可能有哪些制造技术可用，并确保我们的新型燃气轮机已经准备好迎接这些新的制造技术。“
Schuld进一步解释道：“我们考虑了这个市场发展的难度，所以我们的战略部门开始考虑未来如何发展。除此之外，我们还研究了新的制造方法，例如3D打印技术，当然还有一些燃机的零部件还没有准备好，比如涡轮叶片仍然以传统方式制造。我们正在考虑三四年后可能会有哪些制造技术可用，而HL级重型燃机的架构将允许采用这种新的制造方法。“
Schuld还详细介绍了HL级重型燃机的组成以及如何实现发电效率提高的。他表示：“如果只是一个简单的改进，你如何达到63％以上的联合循环发电效率？ “
因此，西门子的HL级重型燃机在压气机、燃烧室和涡轮三大部件上都进行了创新性的改进升级。
在压气机方面，西门子表示，HL级重型燃机已经采用的是第三代压气机技术：第一代为SGT6-5000F燃机所用压气机，第二代为H级重型燃机的压气机，到了HL级重型燃机的第三代压气机，西门子采用了先进的3D压气机叶片，可以很好的提高整个压气机的效率，从8000H重型燃机的增压比20提高到24，但压气机的级数却实现了减少，降低了复杂度。
HL级重型燃机有12级压气机，而8000H级重型燃机有13级压气机。为了进一步降低复杂性，HL级重型燃机只有一个入口导叶和两个可调压气机静叶，而8000H重型燃机有一个入口导叶和三个可调压气机静叶。这意味HL重型燃机复杂性更低，但效率更高。
当然，效率的提高也意味着，重型燃机必须在更高的燃烧温度下运行。为此，西门子的工程师们研发了先进的燃烧技术，西门子提到了ACE（高效燃烧室）的概念，这是基于H级重型燃机的平台燃烧系统(Platform Combustion System，简称 PCS)而研发。
8000H级重型燃机有8个预混火焰。
Schuld解释说：“从概念上讲，我们在中间有一个引燃器，由许多预混火焰包围着，与8000H重型燃机相比，我们增加了预混火焰的数量。H级重型燃机有8个预混火焰，而HL级重型燃机有25个，这些预混火焰可以有效得帮助我们减少NOx的排放。“
同时，HL级重型燃机的高效燃烧室ACE可以在30%负荷的时候仍然保持低排放，这也将使得它可以更好的适应可再生能源市场。西门子表示，为了验证部分燃烧概念，HL级的部分低污染燃烧室已经安装在柏林的8000H重型燃机上运行和测试了一年，目前计划采用新的燃烧室在8000H重型燃机上进行测试运行。
Schuld表示： “我们看到一个新的概念：更多的预混燃烧器和预混火焰、全氧混合、过渡段缩短以减少在燃烧室本身的燃烧气体的停留时间。”
不过，空冷燃气轮机来说，涡轮叶片才是真正的挑战。Schuld表示：“为了提高燃烧效率，你就必须得提高燃烧温度，我们的竞争对手已经在几年前尝试过使用蒸汽冷却来避免这个挑战。“
为了抵抗燃气的高温，目前有两种方法来保护涡轮叶片：一种是改进叶片冷却方式，另一种是改进叶片保护方式。
Schuld认为：“只要使用更多的冷却空气，一定程度上的改善涡轮叶片冷却是容易的。但是当你使用更多的冷却空气时，燃气轮机的发电效率就会下降，因为这部分空气将不能参与做工。这使得我们意识到热障涂层对涡轮叶片的重要性。热障涂层具有比实际涡轮叶片的基础材料更高的耐高温能力。这是一种陶瓷材料，能有效的抵抗燃气轮机启动和停机时产生的热应力。”
西门子提出了一项技术，通过所谓的激光雕刻技术来增强热障涂层，在热障涂层中进行薄切割，这有助于减少热应力对涂层的脱落，而脱落是热障涂层损坏的最大风险。“
他们还发现了第二个造成热障涂层脱落的原因，在重型燃机调试期间，对于在压气机侧进行密封时，会有一些金属粉末的存在。
Schuld解释道：“即使你试图清理所有的东西，燃气轮机内总会留下一些金属粉尘。第一次尝试启动燃气轮机时，这些金属粉尘就会融化，进入涡轮区域，在涡轮的热障涂层上造成金属沉积物，从而改变热障涂层的特性，导致热障涂层脱落。“
Schuld表示：“我们注意到这一点，是因为在燃气轮机开始运行的几百个工作小时内，你看到的热障涂层的裂缝已经很多，而之后你却观测不到这一现象。因此我们提出的是一个非常简单的概念：即我们在涡轮部件的涂层上本身就加一个可以牺牲脱落的涂层，允许其在开始运行几百小时后消失，而在这个涂层下，才是真正用来保护涡轮的热障涂层。”
除了热障涂层，HL型重型燃机还改进了涡轮的二次空气系统，西门子表示已经从美国一家名为Microsystems的公司购买了一项制造技术，这项技术使得能够在叶片内部制造非常复杂的冷却通道。
HL级重型燃机的另外一个重要的变化就是前7级（动叶+静叶）都采用了气膜冷却，而8000H级重型燃机仅在前6级（即前3级动叶和静叶）采用了气膜冷却，HL级重型燃机有一个独立的自由叶片，用来减少能量损失，并提高整体的联合循环效率。
还有一项与8000H级重型燃机大不一样的是燃气轮机排气温度，HL级重型燃机的排气温度在680摄氏度左右，而8000H级重型燃机的排气温度在630~640摄氏度之间。
不过抛开上述的技术因素，最能让客户动心的可能属西门子在燃气轮机MRO（维修、维护和大修）方面的改进，西门子承诺在HL重型燃机上提供更加灵活的备件服务，可以让电厂业主更快的获得相关备件。
HL重型燃机在维修上也提出了一种新的概念：通过蓄电池带动转子旋转，在大修过程中，无需将燃机转子吊出就可以更换所有的叶片。
尽管维修维护方面进行了很大的改进，但西门子表示HL级重型燃机具有很长的使用寿命，只有在运行到33,000个基本运行小时（大约6-10年）才需要对燃烧室和一级涡轮进行检查。
Schuld特别强调西门子的研发工程师考虑到了目前燃机电厂运营体制的变化，5年前，许多燃气轮机电厂都是作为基础电站，长期运行在基本负荷，而现在很多燃气轮机电厂却是作为调峰机组，每天启动2次，因此HL重型燃气轮机对它的启动过程进行了很大的改变。
Schuld说：“对于8000H重型燃机来说，900次启动后就必须进行燃烧器进行检查，但是HL重型燃机将这一指标延长到1250个启动，真正满足了客户根据市场变化的要求。”
而对于冷端部件，HL型重型燃气轮机可以运行6.6万个基本的运行小时，才需要对压气机和机匣进行大修。
西门子还特别强调了HL型重型燃机的可靠性，在研发新产品时，就特别注重测试和验证服务，已经投资1亿欧元建立了一个清洁能源中心，该中心侧重于燃烧和部件测试，并允许西门子在真实的燃气轮机运行条件下测试热端部件。
Schuld认为:“这种不仅仅是给客户提供了一个产品耐久性的证明，最重要的是，对于保险公司来说，它也提供了更高的可保性，那么客户在他们的项目实施中实现融资和银行业务要容易得多。“
HL级重型燃气轮机最突出的一个动机，那就是希望采用更多的新技术来适应可再生能源对发电市场越来越强烈的冲击。
Schuld表示：“我们相信，虽然有更多的可再生能源正在进入市场，但是我们的HL重型燃机可以适应这种新的市场需要。你需要快速的发展新型燃气轮机，以便和可再生能源发电更好的结合。另一方面，高效率还可以使得基本负荷电厂业主可以大幅度的提高重型燃机的使用寿命、服务理念和数字化。HL重型燃机是一种未来发电技术的证明，它被设计成可以接入西门子的工业云MindSphere，随着越来越多的应用程序在云端可获得，这将为客户带来更多的改进，带来工业操作灵活性上的巨大变革。“
Schuld表示，总体来看，英国和德国对HL级重型燃机仍有一定的市场需求。他承认，欧盟市场已经停滞了相当长的一段时间，现在很多都要看后续政策的发展方向。但他坚持西门子将在未来的24个月内，将在德国和英国获得订单。
Amin则更加看好欧洲以外的市场。Amin认为：“一些亚洲和中东地区的国家例如巴基斯坦和沙特阿拉伯，现在是世界上最大的重型燃气轮机市场之一，H级重型燃机在这些国家不断获得新的订单，并且他们已经表示对F级重型燃机已经不再感兴趣，就连中国现在都表示未来将更青睐H级以上重型燃机。”
Amin表示：“我们预计未来全球的发电用燃气轮机需求为120~130台，并会在未来几年保持这一范围。但一个明显的变化就是：中间功率级的机组将减少，而大功率的H级重型燃机和用于分布式发电的小型燃气轮机将增多。在欧洲，我估计HL级重型燃机作为长期基础电厂更为合适，因为她的高效率，低资本支出。“
他还强调：”天然气是可再生能源的良好合作伙伴，可再生能源目前在全球发电市场已经扎根，并将继续发展，我们的立场是，天然气发电仍然可以搭配发展，因为您从EPC的角度来看，它具有高效率和更快的安装速度。与所有其他方案相比，它更便宜，更灵活。“
那是什么促使西门子决定加快HL型重型燃机的研发，毕竟它之前花费了如此长的时间才实现60%的发电效率？
在这个问题上，Amin回答得干净利落：“钱！从商业角度来看，客户其实并不在意燃机的本身价格和关税，在价格谈判中，他们更多的是关心每千瓦多少美元这一成本。随着天然气价格的走高，他们非常关心燃机的效率，因此这是一场高效率的比赛 - 你需要在比赛中领先，否则你将无法生存。“
同时，Amin和他的同事们也花了一年时间分析燃气轮机在电力行业潜在的发展方向，包括与燃气轮机结合的储能技术。Amin表示，他们非常关注竞争对手（美国通用电气）在燃气轮机+电池储能技术方面取得得进展，他们也在寻找一种更加应用广泛得储能技术。
他认为一旦一种高效而又经济性的储能解决方案出现，储能和可再生能源将会再次改变发电行业。