西門子*新的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置將天然氣中60.75%的能源轉(zhuǎn)化成為電力——創(chuàng)下了世界紀錄。該裝置可以在30分鐘內(nèi)開機、關機，這對彌補可再生能源發(fā)電的供電量波動是很有必要的。
2011年5月一座發(fā)電裝置創(chuàng)下了世界紀錄。該發(fā)電裝置的一個輪機被載入了吉尼斯世界紀錄，并榮獲了無數(shù)環(huán)境獎和創(chuàng)新獎。聯(lián)合循環(huán)燃氣輪機——世界上同類產(chǎn)品中*大、效率*高的系統(tǒng)——是德國伊士爾京發(fā)電廠第4區(qū)的中央組件。在經(jīng)過數(shù)年測試后，2011年7月22日，這個13米高、444公噸重的輪機開始在E.ON電力公司被用于商業(yè)發(fā)電。
該發(fā)電裝置的輸出功率達375 兆瓦（MW），發(fā)電效率40%。它使用蒸汽輪機和西門子特別研發(fā)的熱量回收蒸汽發(fā)電機，曾創(chuàng)下了60.75%的世界效率紀錄，凈輸出功率達578兆瓦，這一數(shù)字甚至高于*初設計的輸出功率。因此，這個發(fā)電裝置的產(chǎn)電量可以滿足像柏林這樣擁有340萬人口的城市的用電需求。與以前*先進的發(fā)電裝置相比，這個發(fā)電裝置的效率要高出2.0%，因此每年可減排4.3萬公噸二氧化碳，這相當于1萬輛中型轎車運行2萬公里產(chǎn)生的排放量。與全球所有聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置的平均值相比，新發(fā)電裝置消耗的天然氣要少三分之一，產(chǎn)出每度電時排放的二氧化碳也減少了三分之一。
該燃氣輪機的啟動和關機速度也是無與倫比的。關機幾小時后，輪機能夠在重新開機后大約30分鐘的時間內(nèi)達到全功率運行。除了其環(huán)境兼容性，這一靈活性是該聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置的第二張王牌。燃氣輪機產(chǎn)品經(jīng)理Willibald Fischer說：“可再生能源發(fā)電設備正逐漸被廣泛應用，但如果風中有一朵云或風力略微減弱就足以引起電網(wǎng)的波動。未來，這種波動很快就會被抵消，比如，可以使用聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置作備份。快速啟動很必要，可以防止發(fā)電裝置在備用狀態(tài)下不斷被閑置?！?
可再生能源的堅強后盾。Fischer的部分展望現(xiàn)在已經(jīng)成真。天晴日麗時，巴伐利亞的光伏系統(tǒng)已經(jīng)能夠提供當?shù)厮枰话胍陨系碾娏?，預計在未來的幾年內(nèi)，可再生能源發(fā)電設施將大幅增加。
根據(jù)Fischer所說，到2020年，在夏天有風的日子里，僅可再生能源發(fā)電便能夠滿足全德國的電力需求達數(shù)小時。
但是如果天氣驟變，要盡快啟動礦物燃料發(fā)電裝置。天然氣發(fā)電裝置總經(jīng)理Lothar Balling說：“到2020年，我們需要增加發(fā)電量大約為3萬至5萬兆瓦的發(fā)電裝置儲備，或者德國已裝機發(fā)電裝置發(fā)電量的20%至30%。靈活的天然氣發(fā)電裝置恰好可以滿足這一目標。不僅基建費用低，而且在礦物燃料中，天然氣產(chǎn)生的二氧化碳*少?！?
包括250名工程師在內(nèi)的750多位員工，為SGT5-8000H燃氣輪機和其聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置的研發(fā)、組裝和測試付出了巨大的心血。在將之交付給E.ON之前，西門子斥資5億多歐元建造了一座發(fā)電裝置原型。
總之，該燃氣輪機是經(jīng)過全新設計，而不是對現(xiàn)有型號的改良。能夠使這座發(fā)電裝置取得突破性的發(fā)電效率和靈活性，主要得益于燃氣輪機和整體設計的改進。
工程師們提高了輪機的工作溫度，改進了壓縮機及輪機葉片的材料和幾何外形，減少了風冷損耗，改良了鍋爐、蒸汽輪機和發(fā)電機，以適應燃氣輪機的要求。但在實現(xiàn)該發(fā)電裝置破紀錄的發(fā)電效率方面，工程師所做的*大貢獻在于，將燃氣輪機的燃燒溫度從原來的1,400℃提高至現(xiàn)在的1,500℃左右。同時，輪機葉片的表面溫度相應提高了，因此，還需要更好的隔熱措施。
所以，使用鎳合金來制作輪機葉片，因為鎳合金能夠在負荷的方向上固化成單晶體，不易破裂。此外，有一個雙層阻熱涂層能夠起到隔熱作用。葉片的風冷特性也被優(yōu)化了。開發(fā)人員還優(yōu)化了葉片外形，減少了壓縮機葉片**端的渦流造成的損耗。為實現(xiàn)這點，他們模擬了壓縮機內(nèi)部的三維流體力學——對計算機模擬而言這是極具挑戰(zhàn)的。
要讓這臺燃氣輪機實現(xiàn)如此高的發(fā)電效率，還需要其所有零部件的*佳配合。例如，針對該輪機的廢氣溫度而專門設計的蒸汽輪機。
在蒸汽輪機和燃氣輪機之間有必要安裝一臺大型鍋爐，從而有效地將大量廢氣轉(zhuǎn)化為蒸汽。這臺鍋爐重達7,000公噸，有一個表面積達51萬平方米的熱交換器。Fischer說：“聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置必須在每一個細節(jié)上都實現(xiàn)*佳協(xié)調(diào)。就像一輛汽車——如果不配備*佳底盤，哪怕*上乘的引擎也只能被埋沒?！?
工程藝術。為實現(xiàn)該發(fā)電裝置的快速啟動和關機，開發(fā)人員一方面完全使用空氣來冷卻燃氣輪機，另一方面用液壓手段優(yōu)化旋轉(zhuǎn)葉片和汽缸之間的間隙。后者需要將轉(zhuǎn)子的位置調(diào)整3毫米，從而防止葉片和汽缸在快速啟動時相互碰撞。這種風冷技術比局部或完全蒸汽冷凝技術更適于實現(xiàn)所需的靈活性，因為在輪機啟動時省去了等待蒸汽產(chǎn)生的時間。該輪機成功的另一個秘訣是在技術上集西門子和美國西屋公司兩家之所長。西屋公司于1998年被西門子收購。在保留西門子輪機轉(zhuǎn)子設計優(yōu)點的同時，工程師們選擇使用西屋公司設計的燃燒室，因為相比于西門子的燃燒室，前者更容易在測試臺上進行測試。
細致的測試貫穿著SGT5-8000H燃氣輪機的整個研發(fā)過程。因為和E.ON合作，所以從2007年到2009年的測試都是在伊士爾京發(fā)電廠的真實條件下進行的。為了精確地分析該發(fā)電裝置的行為，試運行期間安裝了3,000個傳感器。它們測量各種參數(shù)，包括氣壓、溫度、旋轉(zhuǎn)葉片的震動、旋轉(zhuǎn)葉片**端的間距、氣流、機械應力以及轉(zhuǎn)速。這些結(jié)果被用來微調(diào)并優(yōu)化SGT5-8000H輪機。
全球需求。購買這臺創(chuàng)的燃氣輪機的客戶絡繹不絕。韓國的客戶訂購了一臺聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置，將于2012年初交貨。佛羅里達的一家發(fā)電企業(yè)訂購了6臺60赫茲的新版燃氣輪機。在該輪機的生命周期內(nèi)，在運行、維護和基本建設費用方面大概可以節(jié)約10億美元。
目前，美國的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置的平均發(fā)電效率低于40%。如果它們?nèi)慷加梦鏖T子的新型燃氣輪機，每年由此而額外產(chǎn)出的電力可以滿足2,500萬美國人的需求——同時還不會增加二氧化碳排放量。為了對60赫茲輪機進行細致的測試，西門子斥資1,700多萬歐元在柏林的燃氣輪機工廠升級并擴建了測試場地。自2011年7月起，為佛羅里達州一個客戶生產(chǎn)的輪機已經(jīng)開始在這里接受全面測試。西門子的記錄分析師認為，它們的輪機將繼續(xù)穩(wěn)踞冠軍寶座?！邦A計在未來5年間，通過使用規(guī)模更大、工作溫度更高的燃氣輪機，我們還能夠?qū)⒙?lián)合循環(huán)發(fā)電裝置的發(fā)電效率再提高一個百分點。這將進一步提高這項技術的經(jīng)濟效益及環(huán)保性，”Balling如是道。
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