通用电气研制出一种新的燃烧过程建模方法

寂静天花板 · 发表于 2016-6-12 19:30:06

近日，通用电气宣布该公司的研究人员在OLCF（Oak Rid通用电气 Leadership Computing Facility）的Titan超级计算机上获得前所未有的技术突破，一种先进的燃气轮机燃烧室建模和仿真技术正在研发出来，它可以模拟两个相邻的燃气轮机燃烧室，以及它们在燃烧过程中的相互作用，以用于真实的物理测试，这种先进的仿真方式可以整整提高燃气轮机1%的效率。

在美国，用于发电的天然气使用量正在持续增长。这种发展背后的驱动力是什么？美国国内天然气（包括页岩气）的生产繁荣，天然气处在历史性的低价位，和对化石燃料排放越来越严格的审查。虽然煤炭仍然占大约三分之一的美国发电，但清洁的天然气发电取代退役的燃煤电厂已经成为了不可逆转的发展趋势。

低维护，高效率的燃气轮机正在这一转型过程中扮演着一个重要的作用，有利于提高天然气发电的吸引力。通用电气，这个全球最大的燃气轮机供应商认为，燃气发电业务的增长，对减少全球温室气体排放的具有实际作用，因为它排放的二氧化碳只有燃煤发电的一半。

通用电气电力项目经理Joe Citeno表示：“先进的燃气轮机技术为客户提供了一种最低的每千瓦安装成本，我们认为这将成为世界各地增加发电的主力。”

通用电气和西门子一样，都宣称自家的H级重型燃气轮机是目前世界上规模最大，效率最高的燃机，联合循环的发电效率能高达62%。而今天的简单循环电厂，根据大小和型号的不同，发电效率（简单循环）基本都在33%~44%之间。

通用电气公司正在不断寻找方法来提高燃机的性能和整个产品的市场价值，因为对燃气轮机来说，在燃气轮机发电效率上一个百分点的提高，就将意味着客户数百万美元的燃料费用节省，以及数以吨论的碳排放节省，例如，对一个1吉瓦的电厂，效率提高1%，就意味着每年节省17000吨二氧化碳排放量，相当于公路上减少3500多辆汽车。如果把这一技术应用在美国联合舰队上（约200 吉瓦），将节约大约每年350万吨的二氧化碳排放。

2015年，为提高燃机的效率，通用电气瞄准了科学和工程上最复杂的问题之一：燃气轮机燃烧室的燃烧不稳定性问题。而解决这一问题的起点就选在了橡树岭领导计算设施OLCF的泰坦超级计算机，该设施隶属于美国美国能源部国家实验室。

然而，提高效率的同时，减少天然气排放对于燃气轮机来说是一个微妙的平衡，它要求设计者对这个庞大能源转换机器有着非常深入的理解，包括它的材料、空气动力学、传热、以及如何有效的燃烧等，所有的这些因素交织在一起，让整个物理过程变得非常复杂。

在H级燃气轮机中，高温和高压的燃烧过程发生在多个6英尺长的腔室内，很像一个汽车发动机具有多个气缸，通用电气公司的H级燃机具有12或16个这样的燃烧器，每一个燃烧器每分钟将燃烧将近3吨燃料和空气，燃烧温度超过1500摄氏度。它的工作条件如此极端，使得通用电气投入不少，在美国南卡罗来纳州的格林维尔建设了专门的测试平台。

燃烧温度越高，燃气轮机就能产生更多的电力，但同时它也带来了更多的排放，特别是氮氧化物（NOx），为了减少排放，通用电气研发了干式低NOx燃烧技术，融合了空气和燃料在燃烧之前完全预混。

通用电气全球研究中心的燃烧计算实验室经理金燕表示：“当燃料和空气几乎完全混合时，你就可以获得最低的排放量。想象一下，一个燃烧器燃烧将近20台气罐车的燃料，而只产生不到一杯茶的NOx排放。”

当然，这种精确的燃烧方式会导致一些其他问题，特别是火焰的不稳定。在燃烧室内部，火焰不稳定性可能会导致震耳欲聋的脉动声，包括由噪音引起的压力波，这些波动会影响燃机的性能。在最糟糕的情况下，他们可以在几分钟内烧穿燃烧室。为了完全弄清这些脉动形成的原因，通用电气设计团队高度重视，增加了新的检测设备，来研究它对未来产品的影响。

在2014年，通用电气的新燃气轮机在全尺寸试验时发生了一个这样的脉动，引起了研究者的关注。试验表明，这是一个在燃烧室设计测试中没有观测到的燃烧不稳定现象。虽然通用电气公司最终确定该燃烧不稳定水平对燃机后续的持续运行是完全可以接受的，但通用电气研究者希望了解其原因，调查能够帮助他们在未来设计中预测燃烧脉动的影响。

经过一系列的研究，通用电气工程师怀疑这是由于相邻燃烧器之间的相互作用引起的，但他们没法在物理试验中证明这一假设是否成立。由于试验设施气体流量的限制，通用电气在燃烧室的全温全压测试中只能一次安装一个燃烧器。即使公司可以测试多个燃烧器，燃烧器上测量手段有限，也限制了研究人员观测和理解火焰不稳定原因发生的过程。

对此，通用电气公司咨询了内部的计算机科学家团队，看是否能在高性能计算机上复现这个燃烧动荡的过程。最终通用电气的计算机科学团队，只用了不到一年的时间，利用美国能源部之前资助的部分技术储备，在2015年底就完成了一台新燃机的测试模型，并且证明了这个模型具有真正的预测能力。

该计算团队的带头人燕表示：“我们不知道我们是否能做到这一点。首先，我们需要复现在2014年出现的不稳定性现象，这就要求多个燃烧器的建模，这是我们之前从来没有做过的。然后，我们需要通过新模型的模拟测试来预测新设计的发电机组是否会发生燃烧不稳定，并处于一个怎样的水平。”

一旦这个项目成功，这种增强型的建模和仿真能力，可以加快了今后的产品开发周期，并能在通用电气新燃机设计早期就提供不少新的见解，而无需等到样机的物理测试后。然而通用电气的计算机科学团队很快面临了另一个障碍，燕和他的团队所需要的计算，远远超出了通用电气的内部能力。

2015年春，通用电气开始转向OLCF求助。最终，通过OLCF的超级计算机，燕和他的团队获得了一个每秒计算每秒2.7亿亿次的能力。

燕的团队还开始与Cascade技术密切合作，一个总部设在加利福尼亚州帕洛阿尔托的公司。 Cascade旗下的CHARLES是一个高保真的流动求解器大涡模拟，在被称为Navier-Stokes方程的流体流动方程接地的数学模型。使用该框架，CHARLES能够捕获燃烧过程中高速混合空气和燃料的复杂几何形状。该代码的高效算法，使其非常适合利用领导级的超级计算机来产生模拟PB级数据。

凭借先进的模型、新的模拟方法，燕的队伍最终接近了预设的目标，通过应用其方法，2015年的全尺寸燃气轮机试验测试过程中，模型的预测结果被一一证实，燕兴奋的表示：“结果令人振奋，通用电气的领导层现在对我们非常信任。”

这一新的功能还给通用电气在研究燃烧不稳定性上提供了更加清晰的画面，除了再现燃烧不稳定外，先进的模型还允许设计者放慢、放大燃烧物理过程到亚毫秒级。

再加上燃气轮机设计等方面本身的进步，最终的结果就是燃气轮机发电效率得到了超过1个百分点的涨幅，这也是通用电气和DOE的目标，即最终实现联合循环发电效率超过65%，这也将为客户每年节省数十亿美元，这是一次飞跃。此外，对于美国联合循环舰队来说，1%的效率提升，估计在未来20年将节省燃料将超过110亿美元。