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近日，通用電氣宣布該公司的研究人員在OLCF（Oak Rid通用電氣 Leadership Computing Facility）的Titan超級計算機上獲得前所未有的技術突破，一種先進的燃氣輪機燃燒室建模和仿真技術正在研發出來，它可以模擬兩個相鄰的燃氣輪機燃燒室，以及它們在燃燒過程中的相互作用，以用于真實的物理測試，這種先進的仿真方式可以整整提高燃氣輪機1%的效率。 在美國，用于發電的天然氣使用量正在持續增長。這種發展背后的驅動力是什么？美國國內天然氣（包括頁巖氣）的生產繁榮，天然氣處在歷史性的低價位，和對化石燃料排放越來越嚴格的審查。雖然煤炭仍然占大約三分之一的美國發電，但清潔的天然氣發電取代退役的燃煤電廠已經成為了不可逆轉的發展趨勢。 低維護，高效率的燃氣輪機正在這一轉型過程中扮演著一個重要的作用，有利于提高天然氣發電的吸引力。通用電氣，這個全球最大的燃氣輪機供應商認為，燃氣發電業務的增長，對減少全球溫室氣體排放的具有實際作用，因為它排放的二氧化碳只有燃煤發電的一半。 通用電氣電力項目經理Joe Citeno表示：“先進的燃氣輪機技術為客戶提供了一種最低的每千瓦安裝成本，我們認為這將成為世界各地增加發電的主力?！?/font> 通用電氣和西門子一樣，都宣稱自家的H級重型燃氣輪機是目前世界上規模最大，效率最高的燃機，聯合循環的發電效率能高達62%。而今天的簡單循環電廠，根據大小和型號的不同，發電效率（簡單循環）基本都在33%~44%之間。 通用電氣公司正在不斷尋找方法來提高燃機的性能和整個產品的市場價值，因為對燃氣輪機來說，在燃氣輪機發電效率上一個百分點的提高，就將意味著客戶數百萬美元的燃料費用節省，以及數以噸論的碳排放節省，例如，對一個1吉瓦的電廠，效率提高1%，就意味著每年節省17000噸二氧化碳排放量，相當于公路上減少3500多輛汽車。如果把這一技術應用在美國聯合艦隊上（約200 吉瓦），將節約大約每年350萬噸的二氧化碳排放。 2015年，為提高燃機的效率，通用電氣瞄準了科學和工程上最復雜的問題之一：燃氣輪機燃燒室的燃燒不穩定性問題。而解決這一問題的起點就選在了橡樹嶺領導計算設施OLCF的泰坦超級計算機，該設施隸屬于美國美國能源部國家實驗室。 然而，提高效率的同時，減少天然氣排放對于燃氣輪機來說是一個微妙的平衡，它要求設計者對這個龐大能源轉換機器有著非常深入的理解，包括它的材料、空氣動力學、傳熱、以及如何有效的燃燒等，所有的這些因素交織在一起，讓整個物理過程變得非常復雜。 在H級燃氣輪機中，高溫和高壓的燃燒過程發生在多個6英尺長的腔室內，很像一個汽車發動機具有多個氣缸，通用電氣公司的H級燃機具有12或16個這樣的燃燒器，每一個燃燒器每分鐘將燃燒將近3噸燃料和空氣，燃燒溫度超過1500攝氏度。它的工作條件如此極端，使得通用電氣投入不少，在美國南卡羅來納州的格林維爾建設了專門的測試平臺。 燃燒溫度越高，燃氣輪機就能產生更多的電力，但同時它也帶來了更多的排放，特別是氮氧化物（NOx），為了減少排放，通用電氣研發了干式低NOx燃燒技術，融合了空氣和燃料在燃燒之前完全預混。 通用電氣全球研究中心的燃燒計算實驗室經理金燕表示：“當燃料和空氣幾乎完全混合時，你就可以獲得最低的排放量。想象一下，一個燃燒器燃燒將近20臺氣罐車的燃料，而只產生不到一杯茶的NOx排放?！?/font> 當然，這種精確的燃燒方式會導致一些其他問題，特別是火焰的不穩定。在燃燒室內部，火焰不穩定性可能會導致震耳欲聾的脈動聲，包括由噪音引起的壓力波，這些波動會影響燃機的性能。在最糟糕的情況下，他們可以在幾分鐘內燒穿燃燒室。為了完全弄清這些脈動形成的原因，通用電氣設計團隊高度重視，增加了新的檢測設備，來研究它對未來產品的影響。 在2014年，通用電氣的新燃氣輪機在全尺寸試驗時發生了一個這樣的脈動，引起了研究者的關注。試驗表明，這是一個在燃燒室設計測試中沒有觀測到的燃燒不穩定現象。雖然通用電氣公司最終確定該燃燒不穩定水平對燃機后續的持續運行是完全可以接受的，但通用電氣研究者希望了解其原因，調查能夠幫助他們在未來設計中預測燃燒脈動的影響。 經過一系列的研究，通用電氣工程師懷疑這是由于相鄰燃燒器之間的相互作用引起的，但他們沒法在物理試驗中證明這一假設是否成立。由于試驗設施氣體流量的限制，通用電氣在燃燒室的全溫全壓測試中只能一次安裝一個燃燒器。即使公司可以測試多個燃燒器，燃燒器上測量手段有限，也限制了研究人員觀測和理解火焰不穩定原因發生的過程。 對此，通用電氣公司咨詢了內部的計算機科學家團隊，看是否能在高性能計算機上復現這個燃燒動蕩的過程。最終通用電氣的計算機科學團隊，只用了不到一年的時間，利用美國能源部之前資助的部分技術儲備，在2015年底就完成了一臺新燃機的測試模型，并且證明了這個模型具有真正的預測能力。 該計算團隊的帶頭人燕表示：“我們不知道我們是否能做到這一點。首先，我們需要復現在2014年出現的不穩定性現象，這就要求多個燃燒器的建模，這是我們之前從來沒有做過的。然后，我們需要通過新模型的模擬測試來預測新設計的發電機組是否會發生燃燒不穩定，并處于一個怎樣的水平。” 一旦這個項目成功，這種增強型的建模和仿真能力，可以加快了今后的產品開發周期，并能在通用電氣新燃機設計早期就提供不少新的見解，而無需等到樣機的物理測試后。然而通用電氣的計算機科學團隊很快面臨了另一個障礙，燕和他的團隊所需要的計算，遠遠超出了通用電氣的內部能力。 2015年春，通用電氣開始轉向OLCF求助。最終，通過OLCF的超級計算機，燕和他的團隊獲得了一個每秒計算每秒2.7億億次的能力。 燕的團隊還開始與Cascade技術密切合作，一個總部設在加利福尼亞州帕洛阿爾托的公司。 Cascade旗下的CHARLES是一個高保真的流動求解器大渦模擬，在被稱為Navier-Stokes方程的流體流動方程接地的數學模型。使用該框架，CHARLES能夠捕獲燃燒過程中高速混合空氣和燃料的復雜幾何形狀。該代碼的高效算法，使其非常適合利用領導級的超級計算機來產生模擬PB級數據。 憑借先進的模型、新的模擬方法，燕的隊伍最終接近了預設的目標，通過應用其方法，2015年的全尺寸燃氣輪機試驗測試過程中，模型的預測結果被一一證實，燕興奮的表示：“結果令人振奮，通用電氣的領導層現在對我們非常信任?！?/font> 這一新的功能還給通用電氣在研究燃燒不穩定性上提供了更加清晰的畫面，除了再現燃燒不穩定外，先進的模型還允許設計者放慢、放大燃燒物理過程到亞毫秒級。 再加上燃氣輪機設計等方面本身的進步，最終的結果就是燃氣輪機發電效率得到了超過1個百分點的漲幅，這也是通用電氣和DOE的目標，即最終實現聯合循環發電效率超過65%，這也將為客戶每年節省數十億美元，這是一次飛躍。此外，對于美國聯合循環艦隊來說，1%的效率提升，估計在未來20年將節省燃料將超過110億美元。
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發表于 2016-6-12 19:30:06
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受教了，謝謝！9 z' w: N3 D( v3 c" M) f