汽轮机技术创新推动效率提升与脱碳

汽轮机技术并非停滞不前。先进设计正在融合叶片设计、先进材料、精密制造和高能蒸汽循环方面的创新，带来显著的效率提升。

随着世界加速奔向脱碳化和可再生能源渗透率提高，关注重点已很大程度上从朗肯循环电站转移。然而，随着挑战的出现——从燃气轮机供应链问题到可再生能源并网的电网稳定性担忧——汽轮机仍作为稳定的大功率生产者占据主导地位。随着电网需求预计在未来十年激增，汽轮机将发挥日益重要的作用。新技术正在突破汽轮机效率的边界，以降低成本并支持脱碳努力。

效率与脱碳

提高汽轮机效率直接影响设施循环中使用的燃料量，从而减少排放并为运营商节省资金。根据电站设计和运行温度，汽轮机效率提高2%至3%可使电站效率提高1%。国际能源署建议，效率提高1%可使二氧化碳排放减少2%至3%。考虑到2023年全球煤炭排放量为150亿吨二氧化碳(GtCO2)，将平均电站效率提高1%可导致排放减少高达4.5亿公吨(mt)。

除了减少排放外，运营费用(OpEx)的降低也可能相当显著。以一个1000兆瓦的燃煤电站效率提高1%为例。效率从33%提高到34%可使热耗率改善约3%。例如，在能力因子为42%的情况下，由此产生的煤炭消耗减少量约为每年51,000公吨。按平均成本48.50美元/公吨计算，年燃料节省将达到250万美元，按209磅二氧化碳/百万英热单位计算，排放节省将达到14万吨二氧化碳(图1)。

[图片：1. 效率的小幅提高可在投资回报和排放回收时间方面产生巨大影响。来源：Fossil Consulting Services]

对于类似的天然气锅炉，燃料减少量可能高达每年5.1亿立方英尺(MMcf)。按平均价格4.35美元/千立方英尺计算，燃料节省可能高达每年220万美元(假设能力因子为20%)。

设计效率

汽轮机级别的设计效率侧重于优化能量转换效率并减少汽轮机本身的损失。许多制造商在叶片设计方面取得了巨大进步，改进了涡轮叶片的气动性能，找到了增加各级叶片表面积以提高能源利用的方法，并最大限度地减少了振动和温度分布引起的变形和应力。

这种方法的一个好处是能够对现有机组进行改造。这不是一个新想法；2000年代初，许多燃煤电站用改进的部件改造汽轮机以减少排放和成本。2005年J.P. Madgett电站汽轮机升级涉及用西门子设计的新型低压(LP)汽轮机升级原始通用电气汽轮机，采用先进的叶片设计和更大的末级叶片。该升级使LP汽轮机效率提高了10%，高压(HP)和中压(IP)汽轮机效率分别提高了8%和2%。

像通用电气日立核能公司、西门子能源和三菱动力等公司已经开发了叶片气动、冷却、级间泄漏减少和湿度控制方面的设计改进，以提高大型汽轮机的整体性能，适用于新建和改造安装。像德国工程公司B&B-AGEMA这样的公司继续应用计算流体动力学(CFD)和有限元分析(FEA)到现有汽轮机，以开发流动稳定性、振动、机械和热应力以及密封方面的设计改进。利用先进软件，如B&B-AGEMA的Simcenter STAR-CCM+，多级流动剖面的高分辨率仿真已成为标准(图2)。

[图片：2. B&B-AGEMA的Simcenter STAR-CCM+软件允许对汽轮机级进行计算流体动力学(CFD)分析，提供高分辨率、多级流动仿真作为标准实践。来源：B&B-AGEMA]

级设计方面的改进，特别是在泄漏流动的损失机制方面，已在多份研究文件中提出。一个值得注意的概念侧重于在转子护罩的泄漏流动路径中安装"小叶片"，以将泄漏流动以相同角度重新引导回主流流动路径。另一项设计增强包括引入"旋流破碎器"，在测试模型中显示通过减少转子护罩泄漏流动和主流流动的混合损失提高了各级效率。

材料与制造效率

除了设计改进外，材料和制造方法的进步通过减少部件缺陷和改进应力分布提高了效率。这些进步允许通过多种方式直接提高效率，包括：

此外，制造方面的进步可以缩短维修和制造时间，即使是复杂的设计。2023年，Oak Ridge美国国家实验室和西门子技术首次使用称为电弧增材制造的过程"3D打印"了公用事业规模的汽轮机叶片。使用电弧熔化金属丝，该过程由机械臂控制(图3)。打印后，零件可以加工到最终公差。最初是为了解决海外铸造零件的供应链延迟问题而追求的，这个过程有潜力改善生产和维修能力。3D打印可能对改造过程具有无价的价值，将先进的设计技术与汽轮机特定制造相结合，以降低成本和时间表改善改造能力。

[图片：3. 3D打印汽轮机叶片。来源：Carlos Jones/Oak Ridge美国国家实验室，美国能源部]

虽然3D打印不是汽轮机叶片大规模生产的常用方法，但像选择性激光熔化(SLM)和电子束熔化(EBM)这样的方法允许制造具有复杂内部结构(如内部冷却通道)、复杂几何形状和减轻重量的叶片。单晶铸造和先进加工，如五轴CNC(计算机数控)和电化学加工(ECM)，可以实现公差小于0.1毫米的超精密表面和结构。

先进循环效率

材料和设计进步通常是提高效率过程的一步，通过增加汽轮机用于执行实际工作的能量。效率也可以通过增加施加到汽轮机的能量来提高。通过提高运行温度和压力(超临界或超超临界)，卡诺效率可以提高。这些进步需要对电站本身的设计进行更改，而不仅仅是汽轮机。通过提高蒸汽温度，循环的卡诺效率增加(发动机热侧和冷侧之间的温差更大)，净效率可以接近50%。作为这些升级的一部分，可以利用汽轮机复合体中的先进控制和再热系统进一步提高汽轮机效率。