中國(guó)航發(fā)燃機(jī)：“雙碳”背景下燃?xì)廨啓C(jī)在能源系統(tǒng)中的重要作用

前言：

“碳中和”是應(yīng)對(duì)全球氣候變化的必然選擇，未來(lái)可再生能源在能源系統(tǒng)占主導(dǎo)地位是當(dāng)今世界的共識(shí)，在氫能尚未大規(guī)模普及情況下，可再生能源主要為太陽(yáng)能和風(fēng)能。過(guò)去3年，全球風(fēng)能的年發(fā)電量增長(zhǎng)約為12%，其中2019年全球的風(fēng)能發(fā)電量約為1400TWh；全球光伏的年發(fā)電量增長(zhǎng)約為24%，2019年全球的光伏發(fā)電量約為720TWh。預(yù)計(jì)到2025年，可再生能源將成為全球最大電力來(lái)源，供應(yīng)世界三分之一的電力。為保障電網(wǎng)穩(wěn)定，需要靈活的備用電源解決方案。大規(guī)模應(yīng)用儲(chǔ)能應(yīng)是解決方案之一，但目前儲(chǔ)能在商業(yè)運(yùn)行上的成本過(guò)高。隨著一些燃煤電廠被逐步淘汰，燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電將是最適合的選擇，因燃?xì)廨啓C(jī)具有占地面積小、可靠性好、效率高、能夠快速啟停等優(yōu)點(diǎn)，其發(fā)電、調(diào)峰、備用電源更適合工業(yè)化發(fā)展。

中國(guó)航發(fā)燃機(jī)瞄準(zhǔn)聯(lián)合循環(huán)、多能互補(bǔ)技術(shù)發(fā)展方向，充分發(fā)揮燃?xì)廨啓C(jī)在能源系統(tǒng)中的戰(zhàn)略作用，對(duì)世界燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)進(jìn)行了深入研究，并編譯了本文，以期對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)在能源轉(zhuǎn)型中所發(fā)揮的作用提供可靠的實(shí)踐依據(jù)。

快速負(fù)載變化

在未來(lái)的能源市場(chǎng)中，發(fā)電設(shè)備需要支持的關(guān)鍵特性之一是能夠根據(jù)能源需求對(duì)負(fù)載變化做出快速反應(yīng)。

網(wǎng)格作為RES部分的可調(diào)度性，基于GT衍生技術(shù)的電廠將需要快速啟動(dòng)和關(guān)閉（最近建成的聯(lián)合循環(huán)電廠具有15-30分鐘熱啟動(dòng)，60分鐘熱啟動(dòng)），反映負(fù)載變化（一些案例研究建議高達(dá)40-50MW/分鐘），同時(shí)最大限度地減少對(duì)組件壽命消耗和排放的影響。后者可以通過(guò)查看組件級(jí)別（“設(shè)計(jì)壽命”）和系統(tǒng)級(jí)別例如，與電池組混合以實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)。

操作范圍廣

除了快速適應(yīng)負(fù)載的能力外，未來(lái)能源市場(chǎng)的成功整合還將取決于整個(gè)運(yùn)營(yíng)范圍內(nèi)的效率和排放。

隨著傳統(tǒng)電廠未來(lái)將向電網(wǎng)平衡發(fā)展，它們?cè)诓糠重?fù)荷下運(yùn)行的小時(shí)數(shù)勢(shì)必會(huì)增加，這將需要系統(tǒng)級(jí)的研究工作，發(fā)電廠夠減輕這一方面的功能相結(jié)合，通過(guò)使用以不同方式產(chǎn)生的能量或減少部分負(fù)載條件下的效率損失。

在熱電廠中集成儲(chǔ)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(fù)載下運(yùn)行，同時(shí)保持提供輔助服務(wù)的可能性。可以集成許多不同的方案；包括壓縮空氣儲(chǔ)能、液化空氣儲(chǔ)能、電池、（Power-to-X-to-power）方案。該集成系統(tǒng)將進(jìn)一步改進(jìn)調(diào)峰模式下的工廠操作，提高爬坡率/頻率響應(yīng)，并最大限度地減少整機(jī)停機(jī)，從而減少潛在地機(jī)械損壞。

通過(guò)用電動(dòng)機(jī)取代傳統(tǒng)的黑啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，與電池的混合可以提供另一個(gè)有利的機(jī)會(huì)。

排放也將是需要重點(diǎn)考慮的因素。（擴(kuò)展的）最低環(huán)境負(fù)荷（EMEL）將需要進(jìn)一步降低，因?yàn)樵诓痪玫膶?lái)監(jiān)管勢(shì)必會(huì)變得更加嚴(yán)格（例如，當(dāng)前的歐盟分類(lèi)法表明100gCO2/kWh非常具有挑戰(zhàn)性）。燃燒技術(shù)需要朝這個(gè)方向邁進(jìn)，開(kāi)發(fā)增量或破壞性的新技術(shù)（例如加壓無(wú)焰燃燒）。存儲(chǔ)系統(tǒng)的集成也將有利于減少峰值操作和部分負(fù)載操作中的EMEL。

啟動(dòng)快、可靠性好

燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行曲線(xiàn)向更快速循環(huán)運(yùn)行的修改將增加材料和部件損壞的風(fēng)險(xiǎn)。因此，它會(huì)增加嚴(yán)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(kāi)裂和退化。

為了防止這種增加的故障風(fēng)險(xiǎn)，需要對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行進(jìn)一步的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。特別是，改進(jìn)應(yīng)解決流路優(yōu)化、高級(jí)材料選擇和維修選項(xiàng)方面的挑戰(zhàn)。

此外，還需要考慮運(yùn)營(yíng)因素，以促進(jìn)適應(yīng)運(yùn)營(yíng)需求的變化。工廠運(yùn)行和控制方案的未來(lái)優(yōu)化可實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)、關(guān)閉和循環(huán)運(yùn)行，從而帶來(lái)顯著的可靠性?xún)?yōu)勢(shì)。

此外，集成儲(chǔ)熱可以提供擴(kuò)展熱備或熱備的解決方案。提高運(yùn)營(yíng)靈活性，同時(shí)降低成本（CAPEX和OPEX）

可再生能源的份額不斷增加將進(jìn)一步減少燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行時(shí)間。需要燃?xì)廨啓C(jī)來(lái)按需提供熱量和電力并且提供電網(wǎng)服務(wù)。為了實(shí)現(xiàn)合理的投資回報(bào)，必須降低資本支出(CAPEX)和運(yùn)營(yíng)支出(OPEX)，同時(shí)提高可靠性、靈活性和使用壽命。

還需要研發(fā)解決整個(gè)工廠的問(wèn)題，包括底部循環(huán)。在這方面，經(jīng)典水蒸氣底部循環(huán)的新興競(jìng)爭(zhēng)者是具有不同循環(huán)配置的有機(jī)朗肯循環(huán)（具有各種不同的流體）和基于CO2的循環(huán)（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(shè)想這些的組合。

先進(jìn)控制技術(shù)

研發(fā)的另一個(gè)領(lǐng)域是使用先進(jìn)的儀器和新的傳感器技術(shù)來(lái)監(jiān)測(cè)和改進(jìn)發(fā)電廠的控制和運(yùn)行（例如，具有更高的瞬態(tài)時(shí)間分辨率）。這包括這些傳感器陣列產(chǎn)生的大型數(shù)據(jù)集的處理和可視化方面的發(fā)展。

自動(dòng)調(diào)諧系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的改進(jìn)潛力，例如基于先進(jìn)IT/人工智能技術(shù)的自學(xué)習(xí)或自適應(yīng)控制系統(tǒng)。

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

燃燒這些可持續(xù)但也更具挑戰(zhàn)性的燃燒動(dòng)態(tài)燃料-例如燃?xì)廨啓C(jī)中H2的火焰速度提高了7倍，并且發(fā)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(jiān)測(cè)的改進(jìn)。燃燒器的改進(jìn)已經(jīng)并將繼續(xù)利用增材制造等新制造方法，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)化燃料流均質(zhì)化的復(fù)雜設(shè)計(jì)。這些復(fù)雜的設(shè)計(jì)將需要超越目前使用的熱電偶的新的閃回和其他燃燒動(dòng)態(tài)檢測(cè)方法。