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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(shù)突破，一種先進的燃氣輪機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(fā)電的天然氣使用量正在持續(xù)增長。這種發(fā)展背后的驅(qū)動力是什么？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(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。 低維護，高效率的燃氣輪機正在這一轉(zhuǎn)型過程中扮演著一個重要的作用，有利于提高天然氣發(fā)電的吸引力。通用電氣，這個全球最大的燃氣輪機供應(yīng)商認為，燃氣發(fā)電業(yè)務(wù)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(fā)電的一半。 通用電氣電力項目經(jīng)理Joe Citeno表示：“先進的燃氣輪機技術(shù)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(fā)電的主力。” 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(guī)模最大，效率最高的燃機，聯(lián)合循環(huán)的發(fā)電效率能高達62%。而今天的簡單循環(huán)電廠，根據(jù)大小和型號的不同，發(fā)電效率（簡單循環(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的性能和整個產(chǎn)品的市場價值，因為對燃氣輪機來說，在燃氣輪機發(fā)電效率上一個百分點的提高，就將意味著客戶數(shù)百萬美元的燃料費用節(jié)省，以及數(shù)以噸論的碳排放節(jié)省，例如，對一個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，為提高燃機的效率，通用電氣瞄準了科學(xué)和工程上最復(fù)雜的問題之一：燃氣輪機燃燒室的燃燒不穩(wěn)定性問題。而解決這一問題的起點就選在了橡樹嶺領(lǐng)導(dǎo)計算設(shè)施OLCF的泰坦超級計算機，該設(shè)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(shè)計者對這個龐大能源轉(zhuǎn)換機器有著非常深入的理解，包括它的材料、空氣動力學(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，讓整個物理過程變得非常復(fù)雜。 在H級燃氣輪機中，高溫和高壓的燃燒過程發(fā)生在多個6英尺長的腔室內(nèi)，很像一個汽車發(fā)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(shè)了專門的測試平臺。 燃燒溫度越高，燃氣輪機就能產(chǎn)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(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算實驗室經(jīng)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(chǎn)生不到一杯茶的NOx排放?！?/font> 當然，這種精確的燃燒方式會導(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)定性可能會導(dǎo)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(nèi)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(shè)計團隊高度重視，增加了新的檢測設(shè)備，來研究它對未來產(chǎn)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(fā)生了一個這樣的脈動，引起了研究者的關(guān)注。試驗表明，這是一個在燃燒室設(shè)計測試中沒有觀測到的燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象。雖然通用電氣公司最終確定該燃燒不穩(wěn)定水平對燃機后續(xù)的持續(xù)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(diào)查能夠幫助他們在未來設(shè)計中預(yù)測燃燒脈動的影響。 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中證明這一假設(shè)是否成立。由于試驗設(shè)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(wěn)定原因發(fā)生的過程。 對此，通用電氣公司咨詢了內(nèi)部的計算機科學(xué)家團隊，看是否能在高性能計算機上復(fù)現(xiàn)這個燃燒動蕩的過程。最終通用電氣的計算機科學(xué)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(shù)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(yù)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(fù)現(xiàn)在2014年出現(xiàn)的不穩(wěn)定性現(xiàn)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(yù)測新設(shè)計的發(fā)電機組是否會發(fā)生燃燒不穩(wěn)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(chǎn)品開發(fā)周期，并能在通用電氣新燃機設(shè)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(xué)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(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(shù)密切合作，一個總部設(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(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)級的超級計算機來產(chǎn)生模擬PB級數(shù)據(jù)。 憑借先進的模型、新的模擬方法，燕的隊伍最終接近了預(yù)設(shè)的目標，通過應(yīng)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(yù)測結(jié)果被一一證實，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，先進的模型還允許設(shè)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(shè)計等方面本身的進步，最終的結(jié)果就是燃氣輪機發(fā)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(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，對于美國聯(lián)合循環(huán)艦隊來說，1%的效率提升，估計在未來20年將節(jié)省燃料將超過110億美元。 3 E- J& e; b6 _9 A: ]1 |' _+ R
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發(fā)表于 2016-6-12 19:30:06
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受教了，謝謝！