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中国航发燃机:零碳能源解决方案

2021-10-27 10:20:43 中国航发燃机

译者按:目前我国正在建设以大规模可再生能源发电为主体,安全高效的新型电力系统,但由于可再生能源自身具有随机性、波动性和间歇性等特点,需要平衡电源来维持电网的稳定性。燃气轮机是大规模能源转换效率最高的成熟装置,是实现化石能源清洁高效利用和促进“风光气储”一体化的最佳选择。从长远来看,燃气轮机的应用可以确保可再生能源的高利用率,并在需要时通过燃料灵活性保障能源的供应安全,这将为能源系统的脱碳和可再生能源在电网中的全面部署做出重大贡献。中国航发燃机正在大力研究燃气轮机与可再生能源的结合与应用,并编译了本文,以期引发行业更多有益的思考。

以下为正文:

支持未来零碳能源的整体解决方案

ETN(European Turbine Network)对欧盟委员会(European Commission)的倡议表示支持,在更新后的战略能源技术规划(SET-Plan)中,明确行动和研究需求,确定其优先级,并将其与能源联盟(Energy Union)的支柱相匹配。我们很高兴有机会参加本次利益攸关者的闭门研讨会,本次研讨会的主题是关于议题文件4:能源系统(提高能源系统的适应性、安全性及智能性)。会上,我们强调了在未来能源系统中采取整体解决方案的重要性。

风能和太阳能等可再生能源(RES)具有随机性和无惯性的特点,随着其在能源系统中的份额不断增加,能源生产模式正在发生改变,需要平衡电源来维持电网的稳定性以及新的创新性解决方案。目前,燃气发电厂的角色也正在发生改变,由基荷发电转为备用电源以控制并保持电力系统的稳定性。在这种情况下,燃气轮机备用电厂需要在保持低排放的同时,具备比当前发电厂更快的稳定执行加载和减载。燃气轮机还需要在其最低的环境负荷(发电厂仍可在NOx排放限制值内连续运行的负荷)下“停放”,甚至在电网不需要其电力时关停。

为了使燃气轮机能够在前文所述的环境下以经济高效和最优化的方式运行,并在长期内发展低排放或零排放混合动力系统,ETN预计许多技术领域需要进一步地研发和优化。从短期来看,燃气轮机可以通过平抑电网中可再生能源发电带来的波动,以及燃用如天然气、沼气、工业废气或垃圾填埋气等低碳燃料,帮助可再生能源融入能源效系统。从长远来看,燃气轮机的应用可以确保可再生能源的高利用率,并在需要时通过燃气轮机的燃料灵活性保障能源供应安全。这将为能源系统的脱碳和可再生能源在电网中的全面部署做出重大贡献。根据议题文件4提及的燃料灵活性选项,ETN已经确定了将现有技术及其与可再生能源耦合技术作为优先选项进行研发。

目标

ETN同意议题文件4中提出的总体目标。正如国际能源署(International Energy Agency,IEA)所预见的那样,在未来几十年内,传统发电作为可再生能源系统的备用电源仍将长期存在。ETN认为,应提出到2050年的能源系统路线图,以激励所需的长期投资。

能源网络、系统和集成

ETN同意该主题的描述,但认为有必要在能源系统的所有参与者之间明确规定共同的战略和要求。目前,为实现可再生能源的集成并满足客户的需求,电网改造得到了高度重视。然而,这种方法不能确保发电技术能够满足这些要求。考虑到集中发电运营商、可再生能源运营商、输电系统运营商、数字系统运营商、付费托管方等的要求,待开发的新技术、系统和服务应能够支撑综合能源系统,目的是根据影响利益相关者的资本支出和运营支出,将电力成本降至最低。应考虑开展状态监测技术和预测工具方面的研发工作,因为这将优化整个欧洲能源系统。

“实时”监控设备的存在允许测量和评估电网内的所有主要能源消耗条目。这就允许采取相应的战略决策来提高能源系统的效率。大数据分析和云计算等IT解决方案可以实现智能负载分配,减少峰谷负载需求之间的差异。目前的网络已经能够管理生产最佳点,但它无法控制和影响需求。还应特别关注集中和分散式发电混合技术的优化集成。

灵活的备份和生成

电网、系统和集成应基于瞬态运行期间的系统稳定性,即频率控制。频率下降或增长的原因是电网中间歇性发电的份额不同。由于一些常规发电厂的关闭,电网中现有惯性质量的时间常数减小,导致初始频率的更大增长。因此,预计会出现频率偏差和振荡:到2050年,德国80%的可再生能源和其他欧洲国家60%的可再生能源中的一小部分,3GW扰动造成的频率偏差将从390MHz增加到900MHz,而根据仿真结果,振荡频率将增加两倍以上。燃气轮机发电厂的不同组合可能会导致控制和平衡问题。

为此,可以通过欧洲电力系统的详细模型来计算负载流量以及分析电压和传输极限。需考虑以下因素:

·到目前为止,间歇性可再生能源无法提供电网服务;

·频率控制(一次和二次控制)、因电厂减少而产生的电压控制以及由此产生的电网惯性;

·负载流量增加可能导致电压不稳定性增加(失去无功功率)。传统电厂对电网的作用之一是电压控制,但其数量正在不断减少,导致电网不稳定性增加。

通过现有电厂改造以及采用创新性解决方案,预期将对提高发电灵活性起主要作用。

创新性解决方案

带有聚光太阳能发电(CSP)的燃气轮机混动系统:由于CSP的可调度性(与蓄热系统结合),这是可再生能源技术中的独特属性,因此可以将其视为最可行的可再生能源之一。然而,尽管经过几十年的发展,现代CSP电厂的电力成本仍然很高。为了降低成本,需要对技术进行逐步的改进。混合太阳能燃气轮机电厂已被证明是传统蒸汽循环聚光太阳能电厂的一种有前途的替代方案。基于太阳能发电系统的燃气轮机未来发展关键问题已被确定,具体如下。

首先,为了最大限度地提高燃气轮机与CSP电厂的太阳能集成度,燃气轮机的燃烧温度应保持与太阳能接收器温度相近,导致低温和低热效率。因此,混合联合循环系统是一种可行的解决方案,这是因为与简单循环相比,高太阳能份额和高效率之间的权衡并不明显。这使得燃烧温度降低,而对电厂总热耗率的影响较小,从而在更高的名义太阳能份额下实现更经济的运行。

其次,为了兼顾碳减排和保持电力低成本,有必要将蓄热装置和后发电循环整合到混合太阳能燃气轮机发电厂中。针对该应用场景优化设计的燃气轮机电厂的性能与传统电厂的任意组合相比,无论从低排放还是从低发电成本的角度,均具有显著优势。

创新性解决方案

现有电厂改造

ETN同意拟议的系统方法,该方法旨在提高电力系统的灵活性和有效容量以消纳可再生能源发电的份额增长。不过,ETN认为现有技术,尤其是用于RES的备用电源技术,还需要升级,以加快向低碳经济转型。根据议题文件中的目标和发电灵活性的需求,应以优化现有发电厂的灵活性为目标进行研究。

可以预见的是,后发电循环方面对于提高现有联合循环电厂的灵活性做出最有价值的贡献。鉴于联合循环电厂的燃气轮机模块是针对特定运行工况开发的,现有电厂的灵活性来源于后发电循环,这需要很长时间才能达到蒸汽轮机运行所需的蒸汽品质。余热锅炉的变化有助于更快地启动。

其他

ETN想强调的是,议题文件4中未提及分布式发电。ETN认为,对于分布式发电,需要就现有技术与可再生能源的融合提出创新性解决方案,以便于消费者使用,从而实现冷热电联产,并提高建筑物的能源综合利用效率。燃气轮机热电联产可以在支撑可再生能源和应对现代电网挑战方面发挥重要作用。在欧洲,燃气轮机技术能够在系统层面上支撑可再生能源,并作为一种需求响应形式实现多重效益。

ETN完全支持SET Plan提出的方法,并愿意为您随时澄清和阐述这些意见。我们也愿意回答任何进一步的问题,期望能够受邀参加SET-Plan指导小组会议,讨论本议题文件,以便密切关注讨论情况。




责任编辑: 张磊

标签: 零碳能源解决方案

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