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    中國航發燃機:“雙碳”背景下燃氣輪機在能源系統中的重要作用
    2021-12-30 08:08:53

    前言:

    “碳中和”是應對全球氣候變化的必然選擇,未來可再生能源在能源系統占主導地位是當今世界的共識,在氫能尚未大規模普及情況下,可再生能源主要為太陽能和風能。過去3年,全球風能的年發電量增長約為12%,其中2019年全球的風能發電量約為1400TWh;全球光伏的年發電量增長約為24%,2019年全球的光伏發電量約為720TWh。預計到2025年,可再生能源將成為全球最大電力來源,供應世界三分之一的電力。為保障電網穩定,需要靈活的備用電源解決方案。大規模應用儲能應是解決方案之一,但目前儲能在商業運行上的成本過高。隨著一些燃煤電廠被逐步淘汰,燃氣輪機聯合循環發電將是最適合的選擇,因燃氣輪機具有占地面積小、可靠性好、效率高、能夠快速啟停等優點,其發電、調峰、備用電源更適合工業化發展。

    中國航發燃機瞄準聯合循環、多能互補技術發展方向,充分發揮燃氣輪機在能源系統中的戰略作用,對世界燃氣輪機技術進行了深入研究,并編譯了本文,以期對燃氣輪機在能源轉型中所發揮的作用提供可靠的實踐依據。

    快速負載變化

    在未來的能源市場中,發電設備需要支持的關鍵特性之一是能夠根據能源需求對負載變化做出快速反應。

    網格作為RES部分的可調度性,基于GT衍生技術的電廠將需要快速啟動和關閉(最近建成的聯合循環電廠具有15-30分鐘熱啟動,60分鐘熱啟動),反映負載變化(一些案例研究建議高達40-50MW/分鐘),同時最大限度地減少對組件壽命消耗和排放的影響。后者可以通過查看組件級別(“設計壽命”)和系統級別例如,與電池組混合以實現快速啟動。

    操作范圍廣

    除了快速適應負載的能力外,未來能源市場的成功整合還將取決于整個運營范圍內的效率和排放。

    隨著傳統電廠未來將向電網平衡發展,它們在部分負荷下運行的小時數勢必會增加,這將需要系統級的研究工作,發電廠夠減輕這一方面的功能相結合,通過使用以不同方式產生的能量或減少部分負載條件下的效率損失。

    在熱電廠中集成儲能解決方案非常適合提高爬坡能力,并允許在額定最大和最小負載下運行,同時保持提供輔助服務的可能性??梢约稍S多不同的方案;包括壓縮空氣儲能、液化空氣儲能、電池、(Power-to-X-to-power)方案。該集成系統將進一步改進調峰模式下的工廠操作,提高爬坡率/頻率響應,并最大限度地減少整機停機,從而減少潛在地機械損壞。

    通過用電動機取代傳統的黑啟動發動機,與電池的混合可以提供另一個有利的機會。

    排放也將是需要重點考慮的因素。(擴展的)最低環境負荷(EMEL)將需要進一步降低,因為在不久的將來監管勢必會變得更加嚴格(例如,當前的歐盟分類法表明100gCO2/kWh非常具有挑戰性)。燃燒技術需要朝這個方向邁進,開發增量或破壞性的新技術(例如加壓無焰燃燒)。存儲系統的集成也將有利于減少峰值操作和部分負載操作中的EMEL。

    啟動快、可靠性好

    燃氣輪機的運行曲線向更快速循環運行的修改將增加材料和部件損壞的風險。因此,它會增加嚴重危害的可能性,例如熱氣路徑部件上的損壞累積、熱障涂層的退化、渦輪葉片的損壞、燃燒器的開裂和退化。

    為了防止這種增加的故障風險,需要對關鍵部件進行進一步的設計開發。特別是,改進應解決流路優化、高級材料選擇和維修選項方面的挑戰。

    此外,還需要考慮運營因素,以促進適應運營需求的變化。工廠運行和控制方案的未來優化可實現快速啟動、關閉和循環運行,從而帶來顯著的可靠性優勢。

    此外,集成儲熱可以提供擴展熱備或熱備的解決方案。提高運營靈活性,同時降低成本(CAPEX和OPEX)

    可再生能源的份額不斷增加將進一步減少燃氣輪機的運行時間。需要燃氣輪機來按需提供熱量和電力并且提供電網服務。為了實現合理的投資回報,必須降低資本支出(CAPEX)和運營支出(OPEX),同時提高可靠性、靈活性和使用壽命。

    還需要研發解決整個工廠的問題,包括底部循環。在這方面,經典水蒸氣底部循環的新興競爭者是具有不同循環配置的有機朗肯循環(具有各種不同的流體)和基于CO2的循環(純的或摻雜劑、朗肯和布雷頓)。由于它們正在解決潛在的不同溫度范圍,因此也可以設想這些的組合。

    先進控制技術

    研發的另一個領域是使用先進的儀器和新的傳感器技術來監測和改進發電廠的控制和運行(例如,具有更高的瞬態時間分辨率)。這包括這些傳感器陣列產生的大型數據集的處理和可視化方面的發展。

    自動調諧系統可以實現進一步的改進潛力,例如基于先進IT/人工智能技術的自學習或自適應控制系統。

    這對于靈活的燃料成分變化很重要,相對于氫或其他碳中性燃料成分的含量份額。

    燃燒這些可持續但也更具挑戰性的燃燒動態燃料-例如燃氣輪機中H2的火焰速度提高了7倍,并且發生回火事件的可能性更高-將大大受益于燃燒壓力和火焰監測的改進。燃燒器的改進已經并將繼續利用增材制造等新制造方法,從而實現優化燃料流均質化的復雜設計。這些復雜的設計將需要超越目前使用的熱電偶的新的閃回和其他燃燒動態檢測方法。


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