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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(jí)計(jì)算機(jī)上獲得前所未有的技術(shù)突破，一種先進(jìn)的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室建模和仿真技術(shù)正在研發(fā)出來，它可以模擬兩個(gè)相鄰的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室，以及它們?cè)谌紵^程中的相互作用，以用于真實(shí)的物理測(cè)試，這種先進(jìn)的仿真方式可以整整提高燃?xì)廨啓C(jī)1%的效率。

在美國，用于發(fā)電的天然氣使用量正在持續(xù)增長(zhǎng)。這種發(fā)展背后的驅(qū)動(dòng)力是什么？美國國內(nèi)天然氣（包括頁巖氣）的生產(chǎn)繁榮，天然氣處在歷史性的低價(jià)位，和對(duì)化石燃料排放越來越嚴(yán)格的審查。雖然煤炭仍然占大約三分之一的美國發(fā)電，但清潔的天然氣發(fā)電取代退役的燃煤電廠已經(jīng)成為了不可逆轉(zhuǎn)的發(fā)展趨勢(shì)。

低維護(hù)，高效率的燃?xì)廨啓C(jī)正在這一轉(zhuǎn)型過程中扮演著一個(gè)重要的作用，有利于提高天然氣發(fā)電的吸引力。通用電氣，這個(gè)全球最大的燃?xì)廨啓C(jī)供應(yīng)商認(rèn)為，燃?xì)獍l(fā)電業(yè)務(wù)的增長(zhǎng)，對(duì)減少全球溫室氣體排放的具有實(shí)際作用，因?yàn)樗欧诺亩趸贾挥腥济喊l(fā)電的一半。

通用電氣電力項(xiàng)目經(jīng)理Joe Citeno表示：“先進(jìn)的燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)為客戶提供了一種最低的每千瓦安裝成本，我們認(rèn)為這將成為世界各地增加發(fā)電的主力。”

通用電氣和西門子一樣，都宣稱自家的H級(jí)重型燃?xì)廨啓C(jī)是目前世界上規(guī)模最大，效率最高的燃機(jī)，聯(lián)合循環(huán)的發(fā)電效率能高達(dá)62%。而今天的簡(jiǎn)單循環(huán)電廠，根據(jù)大小和型號(hào)的不同，發(fā)電效率（簡(jiǎn)單循環(huán)）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(jī)的性能和整個(gè)產(chǎn)品的市場(chǎng)價(jià)值，因?yàn)閷?duì)燃?xì)廨啓C(jī)來說，在燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電效率上一個(gè)百分點(diǎn)的提高，就將意味著客戶數(shù)百萬美元的燃料費(fèi)用節(jié)省，以及數(shù)以噸論的碳排放節(jié)省，例如，對(duì)一個(gè)1吉瓦的電廠，效率提高1%，就意味著每年節(jié)省17000噸二氧化碳排放量，相當(dāng)于公路上減少3500多輛汽車。如果把這一技術(shù)應(yīng)用在美國聯(lián)合艦隊(duì)上（約200 吉瓦），將節(jié)約大約每年350萬噸的二氧化碳排放。

2015年，為提高燃機(jī)的效率，通用電氣瞄準(zhǔn)了科學(xué)和工程上最復(fù)雜的問題之一：燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室的燃燒不穩(wěn)定性問題。而解決這一問題的起點(diǎn)就選在了橡樹嶺領(lǐng)導(dǎo)計(jì)算設(shè)施OLCF的泰坦超級(jí)計(jì)算機(jī)，該設(shè)施隸屬于美國美國能源部國家實(shí)驗(yàn)室。

然而，提高效率的同時(shí)，減少天然氣排放對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)來說是一個(gè)微妙的平衡，它要求設(shè)計(jì)者對(duì)這個(gè)龐大能源轉(zhuǎn)換機(jī)器有著非常深入的理解，包括它的材料、空氣動(dòng)力學(xué)、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(gè)物理過程變得非常復(fù)雜。

在H級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)中，高溫和高壓的燃燒過程發(fā)生在多個(gè)6英尺長(zhǎng)的腔室內(nèi)，很像一個(gè)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)具有多個(gè)氣缸，通用電氣公司的H級(jí)燃機(jī)具有12或16個(gè)這樣的燃燒器，每一個(gè)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(shè)了專門的測(cè)試平臺(tái)。

燃燒溫度越高，燃?xì)廨啓C(jī)就能產(chǎn)生更多的電力，但同時(shí)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(fā)了干式低NOx燃燒技術(shù)，融合了空氣和燃料在燃燒之前完全預(yù)混。

通用電氣全球研究中心的燃燒計(jì)算實(shí)驗(yàn)室經(jīng)理金燕表示：“當(dāng)燃料和空氣幾乎完全混合時(shí)，你就可以獲得最低的排放量。想象一下，一個(gè)燃燒器燃燒將近20臺(tái)氣罐車的燃料，而只產(chǎn)生不到一杯茶的NOx排放?！?/font>

當(dāng)然，這種精確的燃燒方式會(huì)導(dǎo)致一些其他問題，特別是火焰的不穩(wěn)定。在燃燒室內(nèi)部，火焰不穩(wěn)定性可能會(huì)導(dǎo)致震耳欲聾的脈動(dòng)聲，包括由噪音引起的壓力波，這些波動(dòng)會(huì)影響燃機(jī)的性能。在最糟糕的情況下，他們可以在幾分鐘內(nèi)燒穿燃燒室。為了完全弄清這些脈動(dòng)形成的原因，通用電氣設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)高度重視，增加了新的檢測(cè)設(shè)備，來研究它對(duì)未來產(chǎn)品的影響。

在2014年，通用電氣的新燃?xì)廨啓C(jī)在全尺寸試驗(yàn)時(shí)發(fā)生了一個(gè)這樣的脈動(dòng)，引起了研究者的關(guān)注。試驗(yàn)表明，這是一個(gè)在燃燒室設(shè)計(jì)測(cè)試中沒有觀測(cè)到的燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象。雖然通用電氣公司最終確定該燃燒不穩(wěn)定水平對(duì)燃機(jī)后續(xù)的持續(xù)運(yùn)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(diào)查能夠幫助他們?cè)谖磥碓O(shè)計(jì)中預(yù)測(cè)燃燒脈動(dòng)的影響。

經(jīng)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(yàn)中證明這一假設(shè)是否成立。由于試驗(yàn)設(shè)施氣體流量的限制，通用電氣在燃燒室的全溫全壓測(cè)試中只能一次安裝一個(gè)燃燒器。即使公司可以測(cè)試多個(gè)燃燒器，燃燒器上測(cè)量手段有限，也限制了研究人員觀測(cè)和理解火焰不穩(wěn)定原因發(fā)生的過程。

對(duì)此，通用電氣公司咨詢了內(nèi)部的計(jì)算機(jī)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)，看是否能在高性能計(jì)算機(jī)上復(fù)現(xiàn)這個(gè)燃燒動(dòng)蕩的過程。最終通用電氣的計(jì)算機(jī)科學(xué)團(tuán)隊(duì)，只用了不到一年的時(shí)間，利用美國能源部之前資助的部分技術(shù)儲(chǔ)備，在2015年底就完成了一臺(tái)新燃機(jī)的測(cè)試模型，并且證明了這個(gè)模型具有真正的預(yù)測(cè)能力。

該計(jì)算團(tuán)隊(duì)的帶頭人燕表示：“我們不知道我們是否能做到這一點(diǎn)。首先，我們需要復(fù)現(xiàn)在2014年出現(xiàn)的不穩(wěn)定性現(xiàn)象，這就要求多個(gè)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(cè)試來預(yù)測(cè)新設(shè)計(jì)的發(fā)電機(jī)組是否會(huì)發(fā)生燃燒不穩(wěn)定，并處于一個(gè)怎樣的水平?！?/font>

一旦這個(gè)項(xiàng)目成功，這種增強(qiáng)型的建模和仿真能力，可以加快了今后的產(chǎn)品開發(fā)周期，并能在通用電氣新燃機(jī)設(shè)計(jì)早期就提供不少新的見解，而無需等到樣機(jī)的物理測(cè)試后。然而通用電氣的計(jì)算機(jī)科學(xué)團(tuán)隊(duì)很快面臨了另一個(gè)障礙，燕和他的團(tuán)隊(duì)所需要的計(jì)算，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了通用電氣的內(nèi)部能力。

2015年春，通用電氣開始轉(zhuǎn)向OLCF求助。最終，通過OLCF的超級(jí)計(jì)算機(jī)，燕和他的團(tuán)隊(duì)獲得了一個(gè)每秒計(jì)算每秒2.7億億次的能力。

燕的團(tuán)隊(duì)還開始與Cascade技術(shù)密切合作，一個(gè)總部設(shè)在加利福尼亞州帕洛阿爾托的公司。 Cascade旗下的CHARLES是一個(gè)高保真的流動(dòng)求解器大渦模擬，在被稱為Navier-Stokes方程的流體流動(dòng)方程接地的數(shù)學(xué)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(fù)雜幾何形狀。該代碼的高效算法，使其非常適合利用領(lǐng)導(dǎo)級(jí)的超級(jí)計(jì)算機(jī)來產(chǎn)生模擬PB級(jí)數(shù)據(jù)。

憑借先進(jìn)的模型、新的模擬方法，燕的隊(duì)伍最終接近了預(yù)設(shè)的目標(biāo)，通過應(yīng)用其方法，2015年的全尺寸燃?xì)廨啓C(jī)試驗(yàn)測(cè)試過程中，模型的預(yù)測(cè)結(jié)果被一一證實(shí)，燕興奮的表示：“結(jié)果令人振奮，通用電氣的領(lǐng)導(dǎo)層現(xiàn)在對(duì)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(wěn)定性上提供了更加清晰的畫面，除了再現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定外，先進(jìn)的模型還允許設(shè)計(jì)者放慢、放大燃燒物理過程到亞毫秒級(jí)。

再加上燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)等方面本身的進(jìn)步，最終的結(jié)果就是燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電效率得到了超過1個(gè)百分點(diǎn)的漲幅，這也是通用電氣和DOE的目標(biāo)，即最終實(shí)現(xiàn)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率超過65%，這也將為客戶每年節(jié)省數(shù)十億美元，這是一次飛躍。此外，對(duì)于美國聯(lián)合循環(huán)艦隊(duì)來說，1%的效率提升，估計(jì)在未來20年將節(jié)省燃料將超過110億美元。

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