【行业观察】西门子大型燃气轮机的测试和验证
导读：作为世界燃气轮机制造商之一的西门子公司，为了确保其发展的新技术能够在全面商用之前得到充分的测试和验证，不仅自己建设有测试中心，包括柏林（德国）的燃气轮机工厂、美国卡塞尔伯里的燃气轮机工厂、德国路德维希斯菲尔德的清洁能源中心，同时也与相关电厂用户进行战略合作，通过在电厂进行试运行测试，来确保大型燃气轮机所有功能的全面测试和验证，西门子由此赢得了对其自身技术，保险公司以及客户的信任。本文介绍了西门子如何在市场推出之前使每台新型燃气轮机和技术变得可靠，并介绍了西门子各个自有测试设施的功能和技术细节，以及为电厂运营商带来的好处。
所有测试中心都已完全集成到西门子全球研发机构的组件和完整发动机测试流程中。新设计经过快速验证，可以为新客户以及现有客户提供最先进的技术，以支持他们以最有利可图的方式运营资产，同时考虑到广泛的地方政府要求。新技术将通过以下方式提供：灵活性的提高，效率的提高和减排。
1.简介
西门子燃气轮机高效，可靠，环境可持续，其秘诀就是通过自己的测试中心对这些新技术进行了快速有效的验证，例如在柏林附近的路德维希斯菲尔德的清洁能源中心和柏林燃气轮机厂的内部大型燃气轮机测试设施。这些测试中心在设计和开发，过程工程，材料和制造以及装配过程中的技术创新共同支持西门子不断将新的客户需求转化为现实。
西门子一直在不断开发针对市场需求的技术，例如提高基本负荷和部分负荷效率、减少排放、增加燃气轮机以及联合循环的灵活性，从而实现最高的可靠性和可用性。这些包括超低NOx预混燃烧系统的发展；利用SAMS（西门子先进维护服务）技术和数字技术来提升对各种运行条件下零件寿命的预测；改进了热障涂层（TBC）技术以及创新的“增材制造”技术，例如选择性激光熔化SLM。
西门子拥有全面而有效的验证方法，例如在以下地点成功引入了新技术和解决方案，包括佛罗里达电力和照明公司的1,200MW清洁能源中心，GS EPS公司410 MW的Dangjin III机组（韩国首尔）和600MW Stadtwerke AG的Fort Fortuna电厂（德国杜塞尔多夫）（图1）。全面的现场测试为成功将商用燃气轮机升级到最新技术奠定了基础，例如在Vuosaari的热电联产发电厂（芬兰赫尔辛基）和曼彻斯特街发电厂的联合循环发电厂（美国普罗维登斯（Providence）和菲律宾圣塔里塔（Santa Rita）。
2.西门子产品组合概述
西门子的燃气轮机系列产品经过精心设计和量身定制，可帮助客户在动态的市场环境中应对挑战。型号范围覆盖4~400MW，在效率、可靠性、灵活性和环境兼容性方面满足了各种应用的要求，如图2所示：航改燃气轮机非常适合发电、石油和天然气工业中的机械驱动、工业燃气轮机也是工业发电和机械驱动应用的理想选择，重型燃气轮机则适用于大型简单和联合循环发电厂以及热电联产。
图2：西门子燃气轮机产品组合
西门子燃气轮机提供了优化的平均电力成本指数（CAPEX和OPEX），并获得了可观的投资回报，从而确保了最大的客户价值。
3.西门子进化设计圈
西门子的进化设计圈可确保为新设备和服务业务提供具有竞争力的产品。这种发展理念基于经过验证的设计和在全球60多个国家/地区安装的6,750多台重型、工业和航改燃气轮机的机队经验。
西门子利用设计圈（图3）以经过验证的三步测试方法验证了新技术的发展，该方法与产品开发过程（PDP）完全一致。
图3：西门子进化设计圈
4.三步测试方法：从原型到生产
原型组件，西门子燃气轮机和技术解决方案通过了一系列旨在满足客户精确需求的测试。
·材料和组件测试，例如在德国路德维希斯菲尔德的清洁能源中心（CEC）；
·全尺寸整机测试，在德国柏林的燃气轮机工厂的测试工厂进行内部全尺寸发动机测试；
·现场测试，一般在电厂用户现场进行相对长期的运行测试验证。
通过集中的研究、制造和开发能力，进行快速工程设计和原型制作是这种测试方法的基础。西门子表示其测量和分析技术始终是最新技术，并且会不断得到进一步发展。柏林燃气轮机工厂和清洁能源中心之间的制造和测试距离很近，可确保快速进行原型设计并缩短产品上市时间。同时，西门子燃气轮机专家在全球范围内进行合作，根据用户目标群体和时间表（新的燃气轮机开发或服务升级）选择用于验证新开发，技术升级和升级后的单独测试程序。西门子的三步测试方法验证了最低的技术和商业风险，并被保险公司完全接受，从而支持了发电厂运营商的商业成功。
4.1组件测试
西门子于2015年成立了清洁能源中心（CEC），这是一家位于路德维希斯费尔德工厂的内部组件测试设施，距离柏林燃气轮机厂仅40分钟路程（图4）。内部组件测试中心的决定基于以下想法：将与研发相关的活动仅集中在一个位置，测试设施的高可用性和可访问性。与完全独立于外部的测试设施相比，这种方式也有利于西门子能够决定何时以及由谁来测试组件，同时也有利于西门子进行自主知识产权保护。结果，CEC不仅节省了时间，而且节省了金钱，同时有助于将快速原型开发提高到一个全新的水平。对于客户来说，这是一个巨大的利益，西门子帮助他们快速采用最新技术，在产生想法，验证新组件和引入技术解决方案之间的建立快速通道，从而缩短新技术的上市时间。
图4：清洁能源中心（CEC）
CEC拥有三个可用于燃烧系统测试且设备齐全的隔离测试室：两个可用于容量高达400 MW的“大型”燃气轮机发电厂，另一个可用于容量高达66 MW的“小型”工业燃气轮机。西门子专家可以准确地复制几乎所有客户规格，在实际的高压条件下进行测试，模拟特定的环境温度，或创建以后将要使用的精确燃料混合物。监控、测量和分析所有相关的关键参数，例如输出功率，效率，排放和火焰稳定性。
组件测试设施的特性和技术参数如下：
·三个测试单元，包括配备了多路数据采集连接的燃烧测试台
·最先进的测量设备
·高燃料灵活性
·高压燃料罐，可用于液态燃料（例如轻油和煤油）和燃料气体
·通过包括气压调节站的管道进行高压天然气供应
·天然气压缩机
·天然气预热系统
·三台空气压缩机，压力高达50 bar
·两个独立的空气预热系统，最高温度可达600°C
·现场多功能车间能力，可并行准备测试活动并即时适应变化的验证需求
·测试场景的最大灵活性
协作中的关键增强功能支持成功的组件验证。燃气轮机组件测试和验证专家必须处理大量数据流，以分析其行为。西门子专家使用工程生命可视化“ELVis”（Engineering Life Visualization）软件，这是一个基于Internet Web的大数据实时数据可视化系统，可为工程师提供实时数据访问，而无需亲临试验现场（图5）。ELVis由西门子公司自己的软件开发，包含最新的数据云技术，并获得五项专利保护。ELVis用于CEC和柏林测试设施的内部测试活动。ELVis软件的另一个增强功能是在主要工程地点（例如，奥兰多，夏洛特，米尔海姆和柏林）实现了协作功能。通过使用实时音频和高清视频提要，来自所有位置的工程师都可以交互地支持测试阶段，而不必离开他们原来的工作地点。在如此紧密的会议室环境中工作，使团队可以在测试期间和之后即时反馈和交换意见，有助于确保同时讨论和传输关键的测试数据和决策。ELVis和协作功能对支持快速原型开发和缩短上市时间帮助很大。
图5：实时在线监控和数据分析
4.2在柏林测试设施进行完整的燃气轮机测试
为了确保对重型燃气轮机进行全面的测试和验证，西门子在柏林的燃气轮机工厂还运营着一家大型燃气轮机测试设施。柏林的内部测试机构可以对大型燃气轮机进行验证，甚至可以在实际燃气轮机运行条件下进行验证。
柏林测试设施于1972年投入使用，容量为120兆瓦（图6）。
图6：柏林测试设施始建于1972年
几项现代化改造使其测试设施当前的最大容量达到400 MW（图7）。单独的测试时，燃气轮机连接到水闸（利用水力测功机），这使西门子能够灵活地测试50Hz和60Hz燃气轮机，而不受电网频率的影响，该水闸也是世界上最大的水闸。测试设备的另一个重要特征是空气预热系统，它通过使用水闸中的热水和滤房/进气口中的特殊热交换器，能将环境空气增加30K。这有助于模拟不同的气候条件，例如炎热的环境条件，或在冬季仍能在ISO条件下支持燃气轮机测试。
图7：查看带有进气道和烟囱以及测试室的柏林测试设施
多亏了水力测功机，大型燃气轮机才能进行变速测试。可编程控制器为控制参数优化，设计外操作和喘振测试提供了灵活性。
完整的燃气轮机测试设施的特性和技术参数如下：
·400 MW的能力，可独立于电网运行50和60 Hz的燃气轮机
·持续进行燃气和燃油操作
·燃料预热和湿压缩
·燃机重建期间的现场服务培训
·标准仪表和I&C与电厂相似
·测试仪器：超过12,000个测量通道
·流向全球工程中心实时数据
此外，燃气轮机的废气能量可用于燃气预热，发电机可以在起动用的电动机和发电机模式之间切换，为整个测试间提供电能。例如燃料压缩机的需求为8MW，还有用于水力测功机冷却回路的大型水泵，四个冷却塔和几个燃油橇在运行期间也需要大量电力。湿压缩还可用于验证燃气轮机的扩展极限，以实现峰值负载运行。
图8：测试设备配置
要测试的燃气轮机最多可测量6,000个测量点，以记录所有相关的运行参数，以及在测试运行期间要验证的所有设计参数。
在原型测试过程中，正在分析以下技术主题：
·热力学：功率输出，效率，透平出口温度，质量流量
·有水喷射和无水喷射时不同燃料的燃烧稳定性
·冷却空气消耗
·热气路径组件的表面温度
·压气机和透平叶片的振动特性
·压气机和透平的空气热力学
·不同工作模式下的叶尖间隙和应变
协作中的关键增强功能也很好的支持着验证测试。燃气轮机测试和验证专家必须处理大量数据流，才能分析燃气轮机的性能。最新的西门子测试台配备了将近12,000个通道，每八小时可产生惊人的12 TB数据（图9）。使用“ ELVis”软件，可以为工程师提供实时数据访问，而不受工程师在奥兰多，夏洛特，米尔海姆和柏林物理位置的影响。
图9：SGT6-8000H将于2015年进行测试
4.3完整的燃气轮机现场测试
在CEC和柏林测试机构对材料、组件和完整的燃气轮机进行了严格的测试之后，新技术的全部功能将得到全面展示。西门子已与全球客户建立了合作关系，以进行长期验证（图10）。通过在发电厂商业运营中进行进一步验证，西门子可确保单个组件的承诺寿命以及在运行模式下整个电厂在实际条件下技术解决方案的全部功能。
但是，为什么客户对新技术的首次应用感兴趣？答案很简单。客户始终对自己的发电厂有特殊的要求，以使其所在地区最具竞争力。借助经过预先测试的首次应用，客户将首先获得最新技术，从而提高电厂的盈利能力。
同时，西门子有可能在很长一段时间内在实际条件下强调新实施的组件和解决方案。在长期验证中，燃气轮机配备了额外的测量设备。长期以来，这使西门子能够分析新组件的行为和相互作用，从而验证新技术和解决方案。附加的测量设备使西门子公司能够根据请求的运行方式对客户的燃气轮机和发电厂进行高级优化。最后，对于客户和西门子来说，这是双赢的局面。
图10：在现场定期维修措施中实施新技术
5.结论
西门子以其自身产品和开发过程的演进设计圈为基础，包括全面的测试程序以及与设计预测相比较的详细测试数据评估，西门子继续提供世界一流的最新产品和解决方案支持我们的客户以最有利可图的方式运营其资产，以确保其成功和竞争力。
通过集中的研究，制造和开发能力进行快速的工程和原型制作，使测量和分析技术与内部和现场测试设施的最新技术水平相吻合。西门子燃气轮机专家在全球范围内合作，并通过出色的协作来满足各种苛刻的客户需求。
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