Низкие эксплуатационные расходы, высокоэффективные газовые турбины играют важную роль в этом переходе, повышая экономическую привлекательность полученного из природного газа электричества. General Electric (GE), мировой лидер в промышленной технологии производства электроэнергии и крупнейший поставщик в мире газовых турбин, считает газовое производство электроэнергии ключевым сектором роста его бизнеса и практического шага к сокращению глобальных выбросов парниковых газов. Когда сожжено для электричества, природный газ испускает половину углекислого газа, который делает уголь.
Также требуется меньше контроля за состоянием окружающей среды.«Передовая технология газовой турбины дает клиентам одни из самых низких установленных затрат за киловатт», сказал Джо Ситено, технический руководитель сгорания GE Power. «Мы рассматриваем его как главный продукт для увеличенного производства электроэнергии во всем мире».H-класс Дженерал Электрик мощные газовые турбины в настоящее время является самыми большими и самыми эффективными газовыми турбинами в мире, способными к преобразованию топлива и воздуха в электричество больше чем в 62-процентной эффективности силовой установки, когда подобрано паровому турбинному генератору, установка, известная как комбинированный цикл.
Для сравнения сегодняшние простые электростанции цикла (только генератор газовой турбины) работают с полезными действиями, располагающимися между 33 и 44 процента в зависимости от размера и модели.Дженерал Электрик постоянно ищет способы улучшить работу и общую стоимость ее продуктов.
Единственное увеличение процента эффективности газовой турбины равняется миллионам долларов в сэкономленной стоимости топлива для клиентов Дженерал Электрик и тонн углекислого газа, спасенного от атмосферы. Для электростанции на 1 гигаватт 1-процентное улучшение эффективности экономит 17 000 метрических тонн выделений углекислого газа год, эквивалентный удалению больше чем 3 500 транспортных средств от дороги.
Применение такой выгоды эффективности через американский флот с комбинированным циклом (приблизительно 200 гигаватт) экономило бы приблизительно 3,5 миллиона метрических тонн углекислого газа каждый год.В 2015 поиск прибыли эффективности принудил Дженерал Электрик заниматься одной из самых сложных проблем в науке и разработке – нестабильность в камерах сгорания газовой турбины. Поездка привела компанию к суперкомпьютеру Титана на Средстве для Вычисления Лидерства Ок-Риджа (OLCF), американском Офисе Министерства энергетики (DOE) Научного Пользовательского Средства, расположенного в Окриджской национальной лаборатории САМКИ.
УравновешиваниеОдновременно увеличение эффективности и сокращение выбросов естественных бензиновых турбин являются тонким уравновешиванием. Это требует запутанного понимания этих крупных преобразовывающих энергию машин – их материалы, аэродинамика и теплопередача, а также как эффективно они воспламеняются, или ожог, топливо. Из всех этих факторов физика сгорания является, возможно, самой сложной.
В газовой турбине H-класса сгорание происходит в палатах 6 футов длиной при высокой температуре и давлении. Во многом как автомобиль у двигателя есть многократные цилиндры, турбины H-класса Дженерал Электрик обладают кольцом 12 или 16 камер сгорания, каждый способный к горящим почти трем тоннам топлива и воздуха в минуту при увольнении температур чрезмерные 1 500 градусов Цельсия.
Чрезвычайные условия делают его одним из самых трудных процессов, чтобы проверить на сооружении газовой турбины Дженерал Электрик в Гринвилле, Южная Каролина.При более высоких температурах газовые турбины вырабатывают больше электроэнергии. Они также производят больше эмиссии, такой как окиси азота (NOx), группа реактивных газов, которые отрегулированы на государственных и федеральных уровнях. Чтобы сократить выбросы, Сухая Низкая технология сгорания Дженерал Электрик NOx смешивает топливо с воздухом прежде, чем сжечь его в камере сгорания.
«Когда топливо и воздух почти отлично смешаны, у Вас есть самая низкая эмиссия», сказал Чжин Ян, менеджер вычислительной лаборатории сгорания в Глобальном Научно-исследовательском центре Дженерал Электрик. «Вообразите 20 тягачей полными горючей смеси топливного воздуха. Ожоги камеры сгорания та сумма каждую минуту. В процессе, это производит меньше, чем чашка чая (несколько унций) эмиссии NOx».Такое точное горение может привести к другим проблемам, определенно нестабильное пламя.
В камере сгорания нестабильность в пламени может вызвать оглушительные акустические пульсации – по существу вызванные шумом волны давления. Эти пульсации могут затронуть турбинную работу. В их худшем они могут стереть оборудование в течение минут. Поэтому каждый раз, когда новая пульсация обнаружена, поняв ее причину и предсказав, могла ли бы она затронуть будущие продукты, становится высоким приоритетом для коллектива дизайнеров.
Тестирование пределовВ 2014 одна такая пульсация привлекла внимание исследователей во время полномасштабного теста газовой турбины. Тест показал нестабильность сгорания, которая не наблюдалась во время тестирования развития камеры сгорания.
Компания решила, что уровни нестабильности были приемлемы для длительной операции и не затронут работу газовой турбины. Но исследователи Дженерал Электрик хотели понять ее причину, расследование, которое могло помочь им предсказать, как пульсации могли проявить в будущих проектах.Компания подозревала, что пульсации произошли от взаимодействия между смежными камерами сгорания, но у них не было физического теста, способного к подтверждению этой гипотезы. Из-за пределов потока воздуха средства Дженерал Электрик в состоянии проверить только одну камеру сгорания за один раз.
Даже если компания могла бы проверить многократные камеры сгорания, видимость доступа и технология камеры в настоящее время ограничивают способность исследователей понять и визуализировать причины высокочастотной нестабильности пламени. Таким образом, Дженерал Электрик сделала ставку на высокочастотное моделирование и моделирование, чтобы показать то, что не могли физические тесты.Компания попросила, чтобы ее команда вычислительных ученых, во главе с Яном, видела, могла ли бы она воспроизвести нестабильность, фактически используя высокоэффективные компьютеры. Дженерал Электрик также попросила, чтобы команда Яна использовала получающуюся модель, чтобы определить, могли ли бы пульсации проявить в новом двигателе Дженерал Электрик, включающем финансируемую САМКОЙ технологию и должный быть проверенными в конце 2015, на расстоянии меньше чем в один год.
Дженерал Электрик тогда бросила вызов команде Яна в сотрудничестве с компанией-разработчиком программного обеспечения Cascade Technologies, поставить их сначала вида заканчивается перед тестом 2015 года, чтобы продемонстрировать действительно прогнозирующую способность.«Мы не знали, могли ли бы мы сделать это», сказал Ян. «Сначала, мы должны были копировать нестабильность, которая появилась в тесте 2014 года.
Это необходимое моделирующее кратное число камеры сгорания, что-то мы никогда не делали. Тогда мы должны были предсказать посредством моделирования, появится ли та нестабильность в новом турбинном дизайне и в какой уровень».Такие расширенные возможности моделирования и моделирования поддержали потенциал, чтобы существенно ускорить будущие циклы разработки нового продукта и могли предоставить Дженерал Электрик новое понимание турбинной работы двигателя ранее в процессе проектирования вместо после тестирования физических прототипов.Но Дженерал Электрик столкнулась с другим препятствием.
Чтобы встретить период времени проблемы, Яну и его команде была нужна вычислительная мощность, которая далеко превысила внутренние возможности Дженерал Электрик.Вычислительный прорывВесной 2015 года Дженерал Электрик обратилась к OLCF для помощи.
Через Ускоряющуюся Конкурентоспособность OLCF через Вычислительное Превосходство (ACCEL) промышленная программа сотрудничества команда Яна получила Контролируемое распределение директора на Титане, система Cray XK7, способная к 27 petaflops или 27 квадрильонам вычислений в секунду.Команда Яна начала работать в тесном сотрудничестве с Cascade Technologies, базирующейся в Пало-Альто, Калифорния, чтобы увеличить кодекс CHARLES Каскада. CHARLES – высокочастотное решающее устройство потока для большого моделирования вихря, математическая модель, основанная в уравнениях потока жидкости, известных, как Navier-топит уравнения. Используя эту структуру, CHARLES способен к завоеванию быстродействующего смешивания и сложных конфигураций воздуха и топлива во время сгорания.
Эффективные алгоритмы кодекса делают его идеально подходящий для суперкомпьютеров класса лидерства рычагов, чтобы произвести петабайты данных о моделировании.Решающее устройство каскада CHARLES может проследить свои технические корни до Центра Стэнфордского университета Турбулентности Научно-исследовательские и научно-исследовательские работы, финансируемые посредством Передового Моделирования САМКИ и Вычислительной программы.
Многие технические команды Каскада – выпускники этих программ. Хотя решающее устройство CHARLES было разработано, чтобы заняться проблемами как высокочастотное моделирование реактивного двигателя и сверхзвуковое реактивное шумовое предсказание, это никогда не применялось, чтобы предсказать динамику сгорания в конфигурации, столь же сложной как система сгорания газовой турбины Дженерал Электрик.Используя 11,2 миллионов часов на Титане, члены команды Яна и технической команды Каскада выполнили пробеги моделирования, которые использовали 8 000 и 16 000 ядер за один раз, достигая ускорения в кодовой работе, в 30 раз больше, чем оригинальный кодекс.
Сэнджиб Боз каскада, выпускник Вычислительной Научной Программы Товарищества Выпускника САМКИ, предоставил значительные вклады в усилие по разработке приложений, модернизировав CHARLES’, реагирующие решающее устройство потока, чтобы работать в пять раз быстрее над центральными процессорами Титана.Усиление CHARLES’ в широком масштабе параллельно возможностям поколения сетки – новой программной функции, развитой Каскадом – команда Яна произвела сетку с мелкими отверстиями, состоявшую почти из 1 миллиарда клеток. Каждая клетка захватила снимки масштаба микросекунды топливовоздушной смеси во время бурного сгорания, включая распространение частицы, химические реакции, теплопередачу и энергетический обмен.
Работая со специалистом по визуализации OLCF Майком Мэтисоном, команда Яна развивала технологический процесс, чтобы проанализировать его данные о моделировании и рассмотреть структуру пламени в высоком разрешении. К началу лета команда сделала достаточно успехов, чтобы рассмотреть результаты: самая первая мультикамера сгорания динамическое моделирование нестабильности газовой турбины Дженерал Электрик. «Это был прорыв для нас», сказал Ян. «Мы успешно разработали модель, которая смогла повторить то, что мы наблюдали в тесте 2014 года».Новая способность дала исследователям Дженерал Электрик более четкую картину нестабильности и ее причин, которые не могли быть получены иначе.
Вне репродуцирования нестабильности продвинутая модель позволила команде замедляться, увеличивать масштаб, и наблюдать физику сгорания на уровне подмиллисекунды, что-то, чему никакой эмпирический метод не может соответствовать.«Эти моделирования – на самом деле больше, чем эксперимент», сказал Ситено. «Они обеспечивают новое понимание, которое, объединенный с человеческой креативностью, допускает возможности улучшить проекты в практическом цикле продукта».
С продвинутыми образцовыми и новыми методами моделирования в руке команда Яна приблизилась к финишной черте своей цели. Применяя ее новые методы к газовой турбине 2015, команда предсказала низкий уровень нестабильности в последней модели, которая была приемлема для операции и не затронет работу. Эти результаты были подтверждены во время полномасштабного теста газовой турбины, утвердив прогнозирующую точность новых методов моделирования, разработанных на Титане. «Это было очень захватывающе», сказал Ян. «Лидерство Дженерал Электрик поместило большое доверие к нам».
С сомнениями начальной буквы вычислительной команды теперь отдаленная память, Дженерал Электрик вошла в мир новых возможностей для оценки газотурбинных двигателей.Путь впередПроверка его высокочастотной модели и прогнозирующая точность его новых методов моделирования дают Дженерал Электрик способность лучше интегрировать моделирование непосредственно в его цикл дизайна продукта. «Это открыто наше пространство дизайна», сказал Ян. «Мы можем посмотреть на все виды идей, о которых мы никогда не думали прежде.
Количество проектов, которые мы можем оценить, выросло существенно».Вместе с продвижениями в других аспектах дизайна газовой турбины Citeno предполагает, что конечным результатом будет выгода полного процентного пункта в эффективности.
Это важно для цели Дженерал Электрик и САМКИ произвести электростанцию с комбинированным циклом, которая работает в 65-процентной эффективности, прыжок, который переводит к миллиардам долларов в год в экономии топлива для клиентов. 1-процентная выгода эффективности через американский флот с комбинированным циклом, как оценивается, экономит больше чем $11 миллиардов в топливе за следующие 20 лет.«Миру отчаянно нужны газовые турбины более высокой эффективности, потому что конечный результат – миллионы тонн углекислого газа, это не входит в атмосферу», сказал Ситено, отметив, что за прошлые 2 года, больше чем 50 процентов газовых турбин, произведенных на Гринвильском заводе Дженерал Электрик, экспортировались в другие страны. «Чем более эффективный технология становится, тем быстрее она принята глобально, который далее помогает улучшить углеродный след в мире».Внутренне, опыт Дженерал Электрик с вычислительными ресурсами и экспертными знаниями OLCF мирового класса помогает компании понять и оценить ценность более широкого масштаба высокоэффективное вычисление, поддерживая случай для будущих инвестиций во внутренние возможности Дженерал Электрик. «Доступ к системам OLCF позволяет нам видеть то, что возможно, и снизьте риск наших внутренних вычислительных инвестиционных решений», сказал Ситено. «Мы можем показать конкретные примеры нашему лидерству того, как передовое моделирование и моделирование стимулируют разработку нового продукта вместо гипотетических диаграмм».
Основываясь на ее успехе, используя Титана, Дженерал Электрик продолжает развивать свои возможности моделирования сгорания при распределении 2016 года, награжденном через Офис САМКИ Лидерства Advanced Scientific Computing Research (ASCR) Вычислительная проблема, или ALCC, программа. Как часть проекта, Каскад партнера продавца Дженерал Электрик продолжает увеличивать свой кодекс CHARLES так, чтобы это могло использовать в своих интересах акселераторы Титана GPU.«Год назад они были светом в глазных вычислениях», сказал Ситено. «Мы не сделали бы их, потому что мы не могли сделать их в течение соответствующего времени, чтобы затронуть дизайн продукта.
Титан упал в обморок, на который, сжимая наше приобретение знаний цикла фактором 10 – плюс и предоставление нас отвечает за месяц, который занял бы год с нашими собственными ресурсами».