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杨雷:燃气轮机绿色园区能源解决方案

2021-12-15 14:47:11 中国能源网

编者按:2021年12月7-8日,以“双碳目标下的智慧方案与行业机遇”为主题的第十七届中国分布式能源国际论坛于西安召开。本次会议由中国能源研究会分布式能源专业委员会、中国能源网主办,陕西分布式能源股份有限公司联合主办。会上,中国航发燃气轮机有限公司市场总监杨雷发表了“燃气轮机绿色园区能源解决方案”的主旨演讲。以下内容根据大会演讲实录进行整理。

主持人 潘志刚:非常感谢大家在百忙之中前来出席中国第十七届分布式能源大会分论坛,我是今天的主持人,陕西分布式能源股份有限公司潘志刚。

今天分论坛的主题是:燃气分布式核心装备与技术,论坛特别邀请了八名国内外一流的生产制造企业专家代表,他们带着各自的核心技术与成功经验,从不同的角度、视野和大家分享交流。

大家都知道,气候变化导致全球环境恶化,已经严重威胁到了人类生存,因此在“双碳”目标的要求下,推进能源生产以及消费革命,构建清洁低碳安全高效的能源体系已经刻不容缓。相比较传统的集中式能源,分布式能源能够更好地把清洁能源、可再生能源利用起来。通过多能互补、智慧互联的形式,最终提高能源的综合利用效率,降低用能成本,实现节能减排、减碳降污。

回到今天的主题,燃气分布式核心装备与技术的不断进步、推广应用,已经成为分布式能源快速发展的关键,今天这个论坛是线上线下同步进行,欢迎各界朋友们踊跃参与。

下面我们首先邀请中国航发燃气轮机有限公司市场总监杨雷与大家分享《燃气轮机绿色园区能源解决方案》,大家欢迎。

杨雷:感谢各位现场的嘉宾,非常荣幸今天能够参加十七届分布式国际论坛,这次我代表中国航发燃气轮机有限公司给大家分享的是,以燃气轮机为核心的绿色能源的解决方案,我的汇报基本上分两个部分,15分钟,第一部分就是我们的公司介绍,第二部分是我们怎么看待绿色园区未来的发展方向。

我们集团全称叫中国航空发动机集团,也是中央直接管辖的军工企业,2016年8月28日正式成立。我司现在下辖27家直属单位,3家上市公司,现在也具有较强的科研生产能力,有比较完善的军工发动机以及燃气轮机的研发制造体系,我们现在的产品基本上广泛运用在各种军民类的飞机和大型的舰艇,中小型的发电机组,也为我国的武器装备和国民经济发展做出了比较突出的贡献。

我所在的单位,刚才全称已经报过了,中国航发燃气轮机有限公司,是隶属于航空发动机集团的二级子公司,现在我们公司是2019年4月26日成立的,我们整合了航发集团内部所有的燃机的资产、业务和人员,作为航发集团内部承接国内的“两机”专项主体。

我们现在下辖的中航世新、南方燃机,以及成发科能这些子公司。我们目前有29个科研类型的部门,基本上涵盖了空气动力学、流体力学,以及工程热物理、强度这些专业。在国内目前具有较领先的燃气轮机整机和零部件试验手段,以及质量保证体系。

在依托航空发动机完整的研发产业链制造基础上,我们也形成了自主高效的国产燃气轮机的技术创新、质量控制和客户服务、运营管理这些体系。虽然说中国航发燃气轮机公司是2019年成立的,但是它在燃气轮机这个方面也工作了很长时间,基本上能提供行业领先的综合能源解决方案。

这是我们公司在市场上主要的几款机型,其中像AGT-7、AGT-15和AGT-30三款是比较有代表性的轻型航改型燃机,跟重型燃机主要的区别是,它是依托航空发动机的技术改了一下。我们最后有一款AGT-110属于工业用的重型结构燃机。我们公司自70年代以来,国产燃气轮机在钢铁、石化等领域累计曾经运行过300多台套的国产燃气轮机。

这一部分主要想跟大家分享一下我司现有的一些技术,比如跟节能减排相关的一些NOX的燃烧室,我们现在这种燃烧室基本上采用贫燃预混的燃烧技术,基本上也是使用模块化的设计,全功耗也是很稳定,燃烧效率、火焰筒的壁温、出口温度场基本能满足设计要求,现在NOX的排放是低于25ppm,下面是它的一些平面图,以及生产的模拟情况及实践的情况。

第二个小部分,主要想跟大家分享一下,我们燃气轮机具有一定的燃料灵活性,从中国航发目前的现有机型,燃料的含氢量已经达到了60%的界限,也就是混氢燃料比例基本能维持在60%。我们在北京有一个2021实验室,建立了多燃小工业燃机的燃烧室的研制能力,我们后续也将推出这种百分之百全氢、氨、甲醇可再生燃料的燃烧技术,为碳达峰和碳中和积累相关的技术储备。

中间这些图,就是我们一些燃烧室的温度场,以及模拟的情况,左下角的这个表,今天主要想跟大家分享的,其实燃机最早在大家的概念里,可能是一个持续量的状态,但是通过我们对燃烧室不断的进步和改进,我们除了可以烧天然气,一些气态的燃料之外,还有甲醇、乙醇这些液态燃料,包括一些低热值的气。

右边是我们常规的机器,它燃料含氢量的数据,大家可以从框里面看出来,它从2月16日一直到18日,混氢燃料的比例基本上能够达到60%的状态。

现在进入第二部分,我们在绿色园区,我们航发思考的发展方向。首先我们从现在国家的顶层设计政策来讲,从2019年5月国家能源局印发的“十四五”能源规划方案,它当时对煤炭、电力、可再生能源、油气、技术创新和体制改革曾经提出过一些详细的规划。

其中我们概括了一下,基本上分四个点,顶层设计的时候,主要考虑的低碳、多元、智能化和多极化,政策大体的方向,其实已经给出了,我们从现在习总书记比较关注的碳排放来跟大家分享一下,左上角是我们跟国家能源局研究院合作的时候,得到的一些数据,黄色的这根线主要是中国碳排放数据,灰色的这根线是美国碳排放数据,红色的是欧盟的碳排放数据。

我们可以从图表中看出,从1965年一直到2000年期间,我们国内的碳排放还是较低的,起码是低于欧美的。大概从2000年左右,我们的碳排放随着工业和出口的一些增加,我们增长得还是比较快的,截止到2021年,我们的碳排放总量肯定是超过100亿吨的体量。再到2060年碳中和的目标,我们可以看出碳排的任务还是比较艰巨的。

但是我们的市场主流,不管是做风机,或者是一些其他类型,主要是靠电力侧,在常规的绿色园区来讲,我们对于重型的化工园区或者是钢铁园区,以及焦化园区来讲,常规园区的排放,可分为两个部分,一个是直接排放,一个是间接排放。

今天举个例子,以石化的园区为例,我们统计了一下中国石化金融公司的一些数据情况,在石化这个区域,如果是工厂的话,它直接排放的比例大概占到85%的碳排放,间接排放的比例占到15%。也就是在这种重型的化工园区,如果光搞绿电,实际上对于总的碳排放的减量,当然影响也很大,因为电力的比例占比比较高。

但是在绿色园区这块,要纯搞碳排放的减量,你对直接排放这部分的燃烧排放和工艺排放不进行有效控制的话,实际上这部分没有很好的技术,也没有现成的可遵循的案例。

简单讲完这两个,大家可以从政策的角度来讲,节能减排和碳排放从上表来看,如果我们承诺2060要碳达峰和碳中和的话,基本政策肯定是要严格的。在这种常规的园区排放对应的燃烧排放和工艺排放,如果业主考虑进行技术选型的话,他肯定要选择一些成熟的技术,避免安全生产运行的一些风险。对于总投资来讲,我们在碳达峰阶段的一次投入和碳中和阶段的改造投入,他也希望是最低的,经济性肯定是短期的回收比较快速。

其实核心就是我们如何控制燃烧和工艺排放,借鉴的方式就是我们正常的热电联产,为什么现在从国家2021年7月1日印发的《“十四五”循环经济发展规划》,政策角度本身就在推行热电联产,它本身也是天然气、热电联产取代高能耗、高污染、高浪费的传统燃煤的一些方式,推动企业淘汰污染落后的工艺,削减用煤的总量。

通过借鉴这种常规的燃气轮机、热电联产的技术,我们想更进一步地推广燃气轮机,不管是工艺加热炉还是热风炉,还是其他一些在工厂燃烧排放的这部分的一些联合循环技术。

作为燃气轮机与工艺加热炉的联合循环,最早的技术是1992年2月,ABB Lummus跟大阪石化在美国最早发表的论文。实际上我们国家也在推广技术目录,列入到“十二五”规划,但是当年受限于航改型燃气轮机以及炼油产能的升级,很多的问题等等,工艺最后没有太多地进行推广。但是我们进入到碳排放的政策要求之后,我觉得我们可以考虑一下技术路线。

下面是常规的在工艺企业可以看到的一些加热炉的物料平衡表,原先的供热方式,大家从简图可以看出来,左边属于炉子的基本构成,左边是炉体,右边是一些空气预热器,这个是常规的加热炉。我们通过燃气轮机跟加热炉的联合循环,实际上就是做到能量的梯级利用,550-1400的温区由燃气轮机发电,100-500的烟气进入工艺装置,大家可以看到有一个红线。将原工艺的燃烧配方从300度提高到480度,每小时的新增发电量,基本上是26.7兆瓦,新增的蒸汽是32.5吨,这么一个大体的提升情况。

它的介质可以烧炼厂的气,也可以烧低热值,比如高炉煤气,或者天然气、氢气、氨气和可再生燃料。需要做的工作就是对这块的燃料气技术变更,这个燃烧气前面跟大家分享过。

我们也对燃料循环的经济性进行了测算,实际上如果在燃机的负荷占到炉子负荷40%的情况,我们年收益5000-8000,好的情况下两到三年回收成本。大家可以看到,作为炼厂或者焦化、航油钢铁企业,他们的气价是相对便宜的,我们现在很多场基本上是采用工艺装置,热电联产是工艺工程。实际上把这两块有机结合,都是很成熟的原有技术。

场内对于气价计算还是比较低的,如果按照两块六毛的方式,算下来是五千多万,很多中石化和中石油的一些公司,炼厂的燃料气还不到1块多。我们在碳达峰的阶段,其实对原有的工艺装置进行了简单的改造,原有的主体结构不变,新增燃气轮机,新增烟道,改造对流段。说白了就是把两个现有的成熟产品对接起来,在碳中和阶段,我们只需要做一件事就可以了,更换燃气轮机的全氢的燃烧室。

这是我们在联合循环的环境下,对碳排放做了一个分析。在传统工艺(灰色的这部分是传统工艺),它在相同的燃料排放以及相同的生产蒸汽的排放和上网购电三项加起来之后,它在用电213GW时,蒸汽26万吨的应用场景,使用这种联合循环的方案,我们碳排放可以从39.5万吨降低到23.15万吨,碳排放的总量直接减少41%。

实际上面没有改太多的东西,就是把两个装置连接起来,通过能量梯级利用,碳排放的总量就能够进行有效的下降。联合循环综合来讲,我们从绿色低碳的角度考虑,我们构建多能互补的格局,能源的综合效率达到80%甚至更高,未来在能量的梯级利用,降级装置的综合能耗也都符合国家相关的政策要求,因为燃气轮机本身NOX的排放相对比较低,低于正常的工艺装置的,这个NOX的排放降到50毫克左右,进一步改造燃机的燃烧室,我们可以把整个装置降到更低,30毫克。

我们在后期如果需要进行可再生燃料,氢燃料燃烧室的替换,前面不知道大家对那个图有没有印象,我们把燃烧室单独拆下来,换一个新的氢燃料或者其他可再生燃料的燃烧室,可以在碳中和及碳达峰这个阶段做到达标,而且这种改造工作量还是比较小的,总投入的成本相对比较低。

我们从安全性和经济性来讲,提高这种安全保障,燃气轮机可以作为工业园区的保障电源,当然也可以成为企业的保障电源,减少企业的外购电成本,因为未来随着国家用电政策的改变,企业用电成本可能会是一个缓慢爬升的状态,在分布式能源和工艺装置相结合的这种企业,其实对于整个绿色园区的优势还是比较明显的,如果说有合适的项目我们公司也可以捆绑一起做示范项目,进行进一步的推广。

还有一个就是联合循环这种技术路线,不光运用在炼化行业,只要有热和电需求的企业和工业园区,实际上都能用,比如说钢铁、焦化、冶金这些。

未来如果说我们在园区的情况下掌握这种用能的末端,我们也可以很好地消纳我们管网的一些压力。

我今天的分享就到这里,我们中国航发经过多年的探索,始终坚持航改型燃气轮机和工业燃气轮机并举的研制道路,随着这些专项的实施,我们中国航发燃机的设计能力、制造能力和实验能力肯定未来会稳步提升,努力为更多的用户提供更多的高性能自主知识产权燃气轮机的产品。今天谢谢大家,下面是我的微信,如果各位领导有需求可以随时沟通,谢谢。

主持人 潘志刚:从杨总的发言中我们感受到了大国重器的实力与担当,军工技术应用在民用领域,将有力地助推我国追赶超越国际先进技术,祝愿中国航发在燃气轮机的领域中蒸蒸日上,引领未来。




责任编辑: 李颖

标签: 杨雷 燃气轮机

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