中国航发燃机:双碳背景下燃气轮机在能源系统中的重要作用

前言：

"碳中和"是应对全球气候变化的必然选择，未来可再生能源在能源系统占主导地位是当今世界的共识，在氢能尚未大规模普及情况下，可再生能源主要为太阳能和风能。过去3年，全球风能的年发电量增长约为12%，其中2019年全球的风能发电量约为1400TWh；全球光伏的年发电量增长约为24%，2019年全球的光伏发电量约为720TWh。预计到2025年，可再生能源将成为全球最大电力来源，供应世界三分之一的电力。为保障电网稳定，需要灵活的备用电源解决方案。大规模应用储能应是解决方案之一，但目前储能在商业运行上的成本过高。随着一些燃煤电厂被逐步淘汰，燃气轮机联合循环发电将是最适合的选择，因燃气轮机具有占地面积小、可靠性好、效率高、能够快速启停等优点，其发电、调峰、备用电源更适合工业化发展。

中国航发燃机瞄准联合循环、多能互补技术发展方向，充分发挥燃气轮机在能源系统中的战略作用，对世界燃气轮机技术进行了深入研究，并编译了本文，以期对燃气轮机在能源转型中所发挥的作用提供可靠的实践依据。

快速负载变化

在未来的能源市场中，发电设备需要支持的关键特性之一是能够根据能源需求对负载变化做出快速反应。

网格作为RES部分的可调度性，基于GT衍生技术的电厂将需要快速启动和关闭（最近建成的联合循环电厂具有15-30分钟热启动，60 分钟热启动），反映负载变化（一些案例研究建议高达40-50MW/分钟），同时最大限度地减少对组件寿命消耗和排放的影响。后者可以通过查看组件级别（"设计寿命"）和系统级别例如，与电池组混合以实现快速启动。

操作范围广

除了快速适应负载的能力外，未来能源市场的成功整合还将取决于整个运营范围内的效率和排放。

随着传统电厂未来将向电网平衡发展，它们在部分负荷下运行的小时数势必会增加，这将需要系统级的研究工作，发电厂够减轻这一方面的功能相结合，通过使用以不同方式产生的能量或减少部分负载条件下的效率损失。

在热电厂中集成储能解决方案非常适合提高爬坡能力，并允许在额定最大和最小负载下运行，同时保持提供辅助服务的可能性。可以集成许多不同的方案；包括压缩空气储能、液化空气储能、电池、（Power-to-X-to-power）方案。该集成系统将进一步改进调峰模式下的工厂操作，提高爬坡率/频率响应，并最大限度地减少整机停机，从而减少潜在地机械损坏。

通过用电动机取代传统的黑启动发动机，与电池的混合可以提供另一个有利的机会。

排放也将是需要重点考虑的因素。（扩展的）最低环境负荷（EMEL）将需要进一步降低，因为在不久的将来监管势必会变得更加严格（例如，当前的欧盟分类法表明100gCO2/kWh非常具有挑战性）。燃烧技术需要朝这个方向迈进，开发增量或破坏性的新技术（例如加压无焰燃烧）。存储系统的集成也将有利于减少峰值操作和部分负载操作中的EMEL。

启动快、可靠性好

燃气轮机的运行曲线向更快速循环运行的修改将增加材料和部件损坏的风险。因此，它会增加严重危害的可能性，例如热气路径部件上的损坏累积、热障涂层的退化、涡轮叶片的损坏、燃烧器的开裂和退化。

为了防止这种增加的故障风险，需要对关键部件进行进一步的设计开发。特别是，改进应解决流路优化、高级材料选择和维修选项方面的挑战。

此外，还需要考虑运营因素，以促进适应运营需求的变化。工厂运行和控制方案的未来优化可实现快速启动、关闭和循环运行，从而带来显著的可靠性优势。

此外，集成储热可以提供扩展热备或热备的解决方案。提高运营灵活性，同时降低成本（CAPEX和OPEX）

可再生能源的份额不断增加将进一步减少燃气轮机的运行时间。需要燃气轮机来按需提供热量和电力并且提供电网服务。为了实现合理的投资回报，必须降低资本支出 (CAPEX) 和运营支出 (OPEX)，同时提高可靠性、灵活性和使用寿命。

还需要研发解决整个工厂的问题，包括底部循环。在这方面，经典水蒸气底部循环的新兴竞争者是具有不同循环配置的有机朗肯循环（具有各种不同的流体）和基于CO2的循环（纯的或掺杂剂、朗肯和布雷顿）。由于它们正在解决潜在的不同温度范围，因此也可以设想这些的组合。

先进控制技术

研发的另一个领域是使用先进的仪器和新的传感器技术来监测和改进发电厂的控制和运行（例如，具有更高的瞬态时间分辨率）。这包括这些传感器阵列产生的大型数据集的处理和可视化方面的发展。

自动调谐系统可以实现进一步的改进潜力，例如基于先进IT/人工智能技术的自学习或自适应控制系统。

这对于灵活的燃料成分变化很重要，相对于氢或其他碳中性燃料成分的含量份额。

燃烧这些可持续但也更具挑战性的燃烧动态燃料 - 例如燃气轮机中H2的火焰速度提高了7倍，并且发生回火事件的可能性更高 - 将大大受益于燃烧压力和火焰监测的改进。燃烧器的改进已经并将继续利用增材制造等新制造方法，从而实现优化燃料流均质化的复杂设计。这些复杂的设计将需要超越目前使用的热电偶的新的闪回和其他燃烧动态检测方法。