GE燃气发电首席技术官讲述：哪些才是真正颠覆燃气轮机发展的技术？

1949年7月29日下午2点15分，GE位于美国俄克拉荷马州贝尔岛的电站的一台燃气轮机开始向俄克拉荷马州天然气和电力公司供电。这是世界上第一台用于发电的燃气轮机。

自此，燃气发电技术发展掀开了新的篇章，并进入快速发展期。近期，为纪念世界上第一台工业燃气轮机投入商业运行80周年，以及世界上第一台用于发电的燃气轮机投入商业运行70周年，GE燃气发电副总裁兼首席技术官约翰·拉马斯接受了记者的专访，以他的独到视角回顾了过去几十年间，那些由GE创造的，真正驱动和引领燃气轮机发展的技术。

在七十多年的发展过程中，燃机的设计经历过很多改进。在您看来，哪些重大技术进步是特别重要的？

拉马斯：燃气轮机是在第二次世界大战期间设计的，最初应用于航空领域。GE是世界上唯一一家同时独立研发并生产航空发动机和燃气轮机的工业巨人，可以不断把航空领域的先进技术、材料和生产工艺用于燃机。因此，将航空发动机技术引入燃气轮机是具有深远影响的一步。第二个重要的里程碑事件是1949年，也就是70年前，世界上第一台用于发电的燃气轮机在贝尔岛投入商业运行。该燃机的额定出力为3.5兆瓦，效率约为17％。当时燃机的效率显然是很低的。另外一个划时代的进步是联合循环的应用，通过联合循环，我们得以将燃气轮机的排气作为蒸汽轮机装置循环的加热源。1967年，第一座采用GE燃机的联合循环电站投入商用。GE在航空领域的一些技术也开始为我们所用，例如我们由CF6航空发动机技术研发了LM2500燃机，这款燃机最初用于船舶动力，不久后，在1969年，这款航改型燃机就开始用于发电。

刚才提到的都是比较早期的里程碑事件。另一个关键节点是F级燃机的诞生。我们洞察到市场需要更大、更高效的燃机，F级燃机由此应运而生。在GE的历史上，我们不止一次像这样引领着技术的创新迭代。

第一台F级燃机在1990年之前已经投入使用。更大、更高效的燃机的出现对燃气发电行业的意义非同寻常，F级燃机的发展让新一代燃机登上历史舞台。尽管GE最初的蒸汽冷却H级燃机将燃烧温度提高到2,600华氏度（1427摄氏度）以上，但F级燃机的诞生仍是一个里程碑，我们得以在此之上不断进步并成功开发出了HA级燃机。所以，这是一个渐进式的发展过程，早期始于飞机发动机技术在工业领域的应用，然后是联合循环应用，再然后就是F级和H级燃机的出现。

H级燃机是如何发展演化的？

拉马斯：蒸汽冷却燃机技术实际上在20世纪90年代末期才开始发展的。第一台蒸汽冷却燃机（也就是最初的9H）是2003年在白歌兰湾电站投入使用的。GE是第一个把蒸汽冷却技术应用于工业燃气轮机的公司，随后市场上开始有更多对于蒸汽冷却技术的研究和应用。但是，于此期间，空气冷却技术已经实现了蒸汽冷却能达到的同等水平的燃烧温度，蒸汽冷却技术逐渐被替代。随后，我们成功开发了HA级燃机，A就代表着空气冷却。不过，我认为，如果没有最初的H燃机，就不会出现后来更大、效率更高的HA。就像我们从E级到F级，再从F级到H级一样。

在燃气轮机技术发展的同时，GE还一直处于降低燃气发电的污染排放技术前沿。您能谈一下在这方面的发展吗？

拉马斯：GE在这方面确实取得了一系列新进展。我认为，F级燃机使用的干式低氮（DLN）燃烧室代表着燃烧技术的一个重大进步；这一技术使燃机能够在较高燃烧温度下实现低排放。自开发DLN燃烧技术后，我们不断整合新的功能，持续优化燃烧系统。在HA燃机上，我们引入了一种两级燃烧系统——轴向燃料分级技术。接下来，我们又开发出应用在9HA上的下一代燃烧系统，我们称之为微孔预混燃烧系统。该系统能实现更低的NOx排放。同时，还使我们的燃机能够燃烧更高百分比的氢气，氢能的应用可以让燃气发电更加环保和可持续。实际上，GE在美国、亚洲及欧洲运行的70多台燃机机组都已经有着应用氢气作为混合燃料的运行经验，并已累计运行四百万小时。 

许多进展，都是受到市场需求的驱动。例如，20世纪50年代，燃气轮机主要用于调峰；而1965年美国东北地区大停电后，黑启动成了电厂的重要功能需求。GE在开发新的燃气轮机技术时，它所关注的是哪些市场驱动因素？或者说，市场有哪些需求？

拉马斯：是的，市场需求确实是推动我们取得进展的动力。一年前，我们推出的LM6000混合发电燃气轮机系统已经应用在美国南加州，这是全球首个电池-燃气轮机混合发电系统，它可以根据电网需求从电池供电切换到燃机供电。我们通过把电池技术与航改燃机结合在一起，可以为加利福尼亚的用电需求提供即时响应。

我们认为燃机要更具灵活性：根据电网需求灵活启动，且能适应多种燃料。最近的一个案例很好的证明了GE燃机极佳的灵活性：在冶炼厂里的一台设备突然停机，引起用电负荷大幅波动，我们的HA燃机在12秒内出力从120MW下降到0MW又恢复到120MW。随着越来越多的可再生能源的接入，电网变得不那么稳定，而我们的燃机却有能力对电网提供灵活有力的支持，这正是市场的需求。

展望未来，还有几个重要的驱动因素不可忽视：高效率和机组可靠性；适应未来的能源结构，与太阳能和风能实现互补的能力；提高燃料适应性以应对全世界对燃料多样化的需求。天然气在未来能源组合中是不可或缺的。而为未来的能源市场提供领先的、高灵活性的燃机是GE一直所致力的。

2017年，GE推出了65兆瓦的航改型燃气轮机（LM9000）。您是否希望继续提高航改燃机的出力？您在航改型燃气轮机领域正在开展哪些工作？

拉马斯：这个问题很有趣。我曾经在GE航空部门工作过，而后进入了发电部门，所以我对航空发动机和航改燃机都有所涉猎。GE的LM2500和LM6000系列航改燃机都来自CF6系列发动机。我们会继续投入开发和改进航改型燃机。例如，LM6000-PF +就是我们目前正在开发的6000系列最新产品，今年晚些时候会投入市场。而我们也正在研发更先进的LM2500燃机。

目前GE航空部门正在开发基于G90航空发动机（1995年投入市场）的航改型燃气轮机，这将是应用于发电领域的下一代航改燃机。我们两条产品线将持续合作。在很大程度上，GE在航空领域的产品量产可以降低产品成本，由此为这些技术以发电领域的应用带来成本优势。而通常，从一款新的航空发动机诞生到其发展为能在发电领域应用的航改燃机也需要一定周期。

回顾历史，您认为，哪些技术进步对航空发动机向发电设备的转化最为关键？

拉马斯：从根本上来说，我们和航空部门同根同源，我们共享空气动力学和传热学的工具和开发团队。我认为，这些工具都直接适用于两个业务部门。如果要提高燃气轮机效率，必须要考虑部件的效率-——这实际上就是要仰仗空气动力学的。多年来，我们已经进行了多项空气动力学测试，并用通过测试习得的经验优化我们的开发工具，应用在航空和发电部门。另外，研发更好的材料也非常重要，更好的材料可以让燃烧室和轮机在温度更高的环境下运行。材料的开发往往由GE航空部门主导，随后在发电业务中得到广泛应用。

同样，有时GE发电部门研发的新材料也供给航空部门使用。一个很好的例子是陶瓷基复合材料。GE起初生产陶瓷材料零件用于工业设备，现在，这些材料也用在了航空发动机上， LEAP-X （2008年推出的革命性涡轮风扇发动机设计）就在实验性地采用陶瓷基复合材料。我们相信，在未来，随着这些材料更多的被应用，其价格可能会下降，它们将成为发电部门使用的下一代材料。总之，我们两个部门互相交流，共享一些通用的传热学、空气动力学和材料技术。

近来，增材制造技术也成为航空和发电业务集团重点应用的技术。将增材制造用于材料生产可以使部件的体积更小，重量更轻。这不仅符合航空部门对材料的需求，在发电设备上应用范围也很广，价值也很大。

自八十年前第一台工业燃气轮机投运以来，工程和制造领域都发生了巨大变化。您认为最显著的变化是什么？

拉马斯：我们的分析方法从二维发展到三维，这让我们能够设计开发计算机流场分析（CFD），并将其陆续应用于空气动力学和燃烧。从燃烧流场分析中的非稳态计算，到实现燃机建模并提升其性能，这些先进技术使我们实现了跨越式发展。

我认为制造领域的很多进步都是围绕材料进行的，能够进行精密铸造、能够开发单晶材料、突破边界条件制造更大的燃机叶片——所有这些制造技术，都从根本上推动了行业发展。

显然，增材制造技术的应用是近期最具颠覆性的技术。而GE航空与发电部门之间的人员交流也十分重要，这也是航空技术和发电技术之间交流的一个重要途径。

最后不得不提到一位名叫唐·勃兰特的前辈，他是F级燃机之父，25年前，他担任我现在的职位。如今他已八十多岁高龄。我们邀请他重回工厂参观HA燃机。他站在燃机前面端详良久，这台燃机的出力已是他当年开发的燃机的两倍。想想看，从当年的F级到如今的H级，机组联合循环效率提高了10％，从52％~53％到超过64％。从代际发展的角度看，这些变化简直是令人难以置信的。燃烧温度也上升了，从当年的2,300华氏度（1,260摄氏度）~2,400华氏度（1,316摄氏度）提高到现在的2,800华氏度（1,538摄氏度）以上，提高了500华氏度（278摄氏度）。所以，当他站在那里看着这台燃机，感慨万千。这不过才是一代产品的进步。（本文节选自POWER Magazine杂志专访GE燃气发电副总裁兼首席技术官约翰·拉马斯）