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    • 燃气轮机发电技术发展动态与趋势

        摘    要:

        燃气轮机发电设备在提高技术参数,降低污染物排放、提高调节灵活性方面取得了很大的进展,在数字化电厂、分布式能源、IGCC及太阳能燃机混合电站等领域也得到了很好的应用。对燃气轮机发电技术近年来的发展动态与趋势作了综合性叙述。

        燃气轮机从20世纪50年代开始出现在发电工业领域,由于其相对于常规燃煤火电厂具有效率高(联合循环供电)、造价低、建设周期短、用地用水少、可以快速启动、可用率高、污染物排放低等多项优势,在全球发电领域取得了长足的发展,近年来,随着节能环保的要求日益增强,许多企业都在努力研发燃气轮机发电设备的制造及应用技术,取得了可喜的成果。本文拟对燃气轮机发电技术近年来的发展动态与趋势进行简要叙述。

        1 提高燃气轮机参数

        为了提高燃汽轮机电厂的整体效率,燃汽轮机制造商一直在追求高参数的道路上不断突破,主要表现在燃气轮机大容量、高初温、高排放温度、高压比等方面。从M701DA发展到M701J,进气初温从1250 ℃提高到1600 ℃,燃机出力从144 MW提高到470 MW,而燃机联合循环效率从51.3%提高至61.7%。

        燃气轮机的参数提高需要在冷却方式、流道、叶型、材料、涂层、控制等方面不断进行改进和优化。如三菱M701J型燃气轮机燃烧器先后采用蒸汽冷却技术及全空气冷却技术,透平采用高性能空气膜冷却技术及先进的热力涂层技术,使透平进气初温从1500 ℃(M501G型燃气轮机)提高到1600 ℃;其最新型号空冷型的M501JAC的透平进口温度已经达到了1650 ℃。压缩机采用先进的3D设计技术进行优化,减少了气流的冲击波损失和摩擦损耗。而GE的9HA.02型燃气轮机和Simens的SGT8000H型燃气轮机从运行灵活性考虑一开始就采用了全空冷技术,亦将透平进气初温大幅提高。目前各家机构都在努力研发新技术,希望将透平入口温度提高至1700 ℃,联合循环效率达到70%。

        2 降低污染物排放

        燃气轮机排放的污染物包括高温燃烧形成少量的氮氧化物NQx、燃料中的碳因不完全燃烧而产生少量的一氧化碳CO、未燃尽的烃(UHC)、燃烧产物二氧化碳CO2、燃料中的其他杂质(如硫)在燃烧过程中生成的污染物(如SOx)等。其中减少CO2的唯一途径就是提高燃气轮机的热效率,即为产生同样的出力而尽量消耗较少的燃料;SOx只能通过对燃料进行预处理(脱除杂质)或对然烧产物进行处理来加以消除,对燃气轮机而言,更主要的措施是控制燃料品质。

        多年来,燃气轮机发电厂控制污染物排放的主要重点放在NOx和CO上,即通过控制燃气轮机的燃烧过程来减少NOx和CO排放。通常采用的方法有三种:选择性催化还原反应器(SGR)法、扩散型燃烧室喷水/蒸汽法及干式低排放(DLE)燃烧室法。其中干式低排放燃烧室法是目前研究应用的重点,干式低排放燃烧室采用均相贫预混的湍流火焰传播燃烧方法,目前先进的已经能够降低到5×10-6~9×10-6(体积分数)的水平。

        3 增加负荷的调节灵活性

        燃气轮机电厂常常用于调峰,负荷变化幅度大,启停频繁,因此对燃气轮机运行灵活性要求较高,主要体现于低负荷下的高运行效率、负荷的快速调节和快速启动能力几方面,对H级燃机而言是很大的挑战,表2是目前几种最先进的大型燃气轮机的负荷调节参数。

        4 数字化电厂

        近几年来,数字化电厂开始逐步迈向实际应用阶段,各大主机厂纷纷提出了自己的数字化电厂技术解决方案。

        数字化发电解决方案

        GE数字化技术为客户提供了重新思考运行和审视盈利模式的方法。运用交互式工业物联网(IIoT)解决方案,电厂主管可以访问数据并进行有效的分析,从而优化运行、获得对整个生态系统的洞察,更好的理解和管理分配,简化维护工作。

        GE的模块化可交互式工业物联网(IIoT)解决方案包括三大内容:

        (1) 运营绩效管理软件(OPM)帮助中央集控,机群管理,帮助工厂管理者通过对战略规划和工厂优化提供决策支持提高生产效率;通过提供性能情报、生产计划及性能优化,提高资本的投资回报率;

        (2) 设备性能管理软件(APM)帮助提高电厂技输变电设备的可靠性和可用性,同时减少维护成本、非计划停机及平衡风险。通过连接电厂、发电机群和输变电网数据源,采用先进的分析输出价值,APM建立跨设施间的协同;

        (3) 数字工人解决方案帮助快速运维团队有效的运营,确保更加合规及安全。通过电厂远程运行,将运行人员从控制室释放出来。云解决方案使运行和维护变得清晰。技术人员使用一个针对商业流程无缝对接量身定制的无线设备执行工作指令,其中,OPM和APM 共同使用可以增加发电能力,提高发电量,获得峰值电价;数字工人的数字化检查工具和传感器设备也可以提供更多的设备情报,无论操作多么遥远,使用者可以通过数字化方式收集有用的数据,同时解放其团队进行更多的预防性维护,使工厂保持在最佳运行状态。

        4.2 西门子“电力4.0”解决方案

        西门子数字化解决方案包括:依托数字双擎、三维可视化技术、数据分析技术,提高电厂运行的可靠性、可用性、经济性与安全性;通过物联网(IOT)、云平台和人工智能算法远程管理机群,提高机组可用性;运用VR/AR技术在全球范围内,实时连接服务团队与主设备制造商;全面的网络安全解决方案。

        其数字化智能电厂解决方案根据用户需求定义了13个模块,包括:关键参数(KPI)显示、3D全厂漫游、早期预警系统、机群监测、设备信息管理、电厂数据资源池、预警诊断、竞价上网、主动安全、数字化移交、性能优化、对可用性和生产能力的预测、以可靠性为中心的维修维护,覆盖了工程设计、建造调试、运营及服务全寿命周期。

        4.3 三菱日立(MHPS)公司数字化燃机电厂MHPS-TOMONI技术

        三菱日立在2017年正式推出了旗下数字化解决方案MHPS-TOMONI。所有JAC燃机将配备MHPS-TOMONI。MHPS-TOMONI利用大数据、精确分析和人智,与客户合作解决复杂难题,实现电厂运行优化和灵活性以应对现今的能源市场,降低发电成本,提升环保能力。

        的平台结构包括:

        基础(云平台):设备连接/管理、大数据储存、服务应用程序开发环境;

        (2) 高精度的AI应用程序:高度的大数据分析、精密的数字仿真;

        (3) 服务应用程序:运行支援、远程监视、成本优化、性能优化、故障预兆检测、运行优化;

        (4) 安全对策:防火墙、VPN、加密,未授权访问保护,未授权访问监控,双因素认证。

        可以为客户带来的价值提升包括:收集和评估数据、改善可用性、缩短定检所用时间、电厂设备的性能改进和优化、延长定检间隔、远程运行、优化集团级管理等。

        5 天然气分布式能源

        天然气分布式能源是将燃机系统以小规模、小容量(数千瓦至50 MW)、模块化、分散式的方式布置在用户附近,独立地输出冷、热、电能的系统。它可以实现能源梯级利用,从而达到较高的综合能源利用效率;同时还兼具使用灵活、安全可靠、清洁环保、节省输配电投资等优点。目前已经在国内外得到了迅速地推广应用。

        天然气分布式能源系统从规模上分为楼宇型和区域型两种类型。楼宇型常用于用户相对集中的楼宇(群),包括宾馆、学校、医院、写字楼以及商场等,动力设备通常采用内燃机或小型/微型燃气轮机;区域型用于冷、热(包括蒸汽、热水)、电需求较大的工业园区、产业园区、大型商务区等,动力设备一般采用燃气轮机。

        6 整体煤气化联合循环发电

        IGCC是下一代的煤发电技术。它将煤气化技术和燃气蒸汽联合循环发电技术相结合,可以大幅提高能源利用效率和环保性能。大型IGCC电厂相对于常规燃煤电厂可以实现15%的效率提升,同时大幅减少排放。是21世纪洁净煤发电技术的重要发展方向之一。

        IGCC历经了20世纪80年代第一代技术(净效率~32%)和90年代第二代技术(净效率38%~43%),目前正在发展第三代技术,其主要特点有:

        (1) 采用更加高效的F级、H级燃气轮机,预计可提高联合循环的效率3~7个百分点,整个系统净效率超过50%;

        (2) 采用新型气化炉工艺,进一步提高气化效率、可用率及燃料适应性;

        (3) 采用整体化空分,提高系统效率;

        (4) 采用干式高温气体净化技术,包括干式高温除尘及脱硫。

        技术优点

        (1) 效率高。IGCC电站供电净效率最高已达43%,与超超临界机组供电效率相当,随着第三代IGCC技术的应用,供电效率可以达到52%。见表4。

        表4 IGCC发电机组与常规燃煤机组的效率比较   下载原图

        (2) 环保。IGCC电厂对合成煤气采用“燃烧前脱除污染物”技术,造价较低,效率较高,单位GW▪h的SOx、NOx和粉尘排量都远远低于常规燃煤电厂,冷却水排放量比常规燃煤电厂减少30%。表5列出了某IGCC电站污染物排放量与国家标准的对比。

        此外,IGCC通过对合成煤气中CO转换并进行CO2脱除,可实现CO2零排放,是目前现有发电技术减排温室气体最可行、经济的方法。

        (3) 节水。常规燃煤电厂烟气脱硫处理需要大量的水,而IGCC在处理高压力下的燃料气所需要的水量较少,其发电水耗比同容量的常规燃煤火力发电机组低1/2~2/3。

        (4) 燃料适应性好。IGCC电厂对褐煤、烟煤、贫煤、高低硫煤、炼油渣、生物废料等都能适应。常规燃煤电厂锅炉对易结焦和沾污的灰熔点很低的煤难以适应,而IGCC的气化炉却可以适应。

        (5) 可以实现多联产。IGCC是煤化工与发电的结合体,通过煤的气化,可以实现电、热、液体燃料、城市煤气、化工品等多联供。

        的发展制约因素

        (1) 比投资高。目前美国IGCC电厂造价约为5500美元/kW,而超超临界燃煤电厂的造价约为3000美元/kW;国内华能天津PowerGen 250 MW电厂投资达到13800元/kW,而同期300 MW超超临界燃煤电厂的造价约为4000元/kW,IGCC的投资仍然远远高于常规燃煤电厂。

        (2) 灵活性较差。IGCC气化装置只能在负荷范围50%~100%运行,电厂变负荷范围窄;其变调节负荷率一般为3%/min左右,而常规燃煤电厂为8%/min;IGCC热启动需要1.5 h~2 d,冷启动大概需要2~3 d;受燃气轮机部分负荷效率低的影响,IGCC部分负荷时效率降低大。

        (3) 可用率低。目前IGCC电厂的可用率在70%~85%。而大型燃煤电厂的主机设备可用率已超过95%。相信随着技术的不断成熟,IGCC电厂的可用率可望得到进一步提高。

        7 太阳能燃气轮机发电

        太阳能—燃气轮机联合循环系统(ISCC)是把太阳能热发电与燃气轮机发电相结合的一种发电方式。利用太阳能加热后的高温介质来加热给水,产生的微过热蒸汽被送至燃机联合循环余热锅炉的过热器前,与另一路由燃机尾气加热的蒸气汇合,然后进入后续的朗肯循环,当太阳能不足时,调控余热锅炉的补燃器,维持系统稳定连续运行(图3)。与传统太阳能光热热发电系统相比,该系统具有高效、经济、稳定等优点;与传统燃气轮机发电系统相比,其燃料消耗量大幅减少,具有节能减排的效果。

        自2010年以来,全球已先后建成4个ISCC电站投入运行,分别位于摩洛哥、阿尔及利亚、埃及和美国。

        另一种太阳能燃气轮机发电技术是利用太阳能空气吸热器来加热进入燃烧室前的压缩空气,从而可以大大提高系统效率,节省燃料(图4)。另外,在常规光热系统中普遍应用的储热装置可以稳定输出热能、提高太阳能利用率。

        8 结论

        燃气轮机发电设备在提高技术参数,降低污染物排放、提高调节灵活性方面取得了很大的进展,在数字化电厂、分布式能源、IGCC及太阳能燃机混合电站等领域也得到了很好的应用,未来燃气轮机发电技术发展的前景值得期待。

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