《中国推出高容量氢气燃气轮机以优化清洁能源利用》

  • 来源专题:能源情报网监测服务平台
  • 编译者: 郭楷模
  • 发布时间:2024-12-27
  • 中国新能源设备公司近日宣布,全球首台30兆瓦级纯氢燃气轮机点火成功,为可再生能源的存储和利用提供了关键解决方案。

    该燃气轮机,被命名为木星一号(Jupiter I),是世界上单机功率最大的纯氢发电机,能够在需求高峰期将储罐中的氢气转换回电能。据明阳集团介绍,这一创新技术解决了可再生能源在非高峰时段大量浪费的问题,通过电转氢再转电的无碳过程,实现了能源的高效利用。

    明阳氢燃气轮机科技总经理王永志表示,虽然氢气发电过程环保,但转换效率和速度在需求高峰期存在挑战,凸显了对大容量燃气轮机的需求。工程团队通过3D打印技术,成功制造了一体化燃烧室喷嘴,解决了氢燃烧中的回火、振荡和氮氧化物排放量高等关键技术问题。

    木星一号燃气轮机一小时可使用3万多立方米氢气,按年计算,相当于将5亿度电以氢气形式储存起来发电。这一创新不仅解决了风电、太阳能发电项目的电力浪费问题,还突破了氢气存储、运输等限制,对于解决中国西部沙漠、戈壁、荒地等清洁能源项目的弃电问题具有重要意义。

    随着中国承诺到2030年二氧化碳排放量达到峰值,到2060年实现碳中和,纯氢燃气轮机在可再生能源系统中的作用日益凸显。据悉,中国可再生能源装机已占全国总发电量的50%以上,这一新发明不仅在中国拥有广阔的市场前景,还将在全球清洁能源资源丰富的地区发挥重要作用。

  • 原文来源:https://www.wedoany.com/zh-cn/shortnews/VO1yXVO0.html
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  • 《我国燃气轮机“掺氢”技术取得突破》

    • 来源专题:能源情报网信息监测服务平台
    • 编译者:guokm
    • 发布时间:2022-01-22
    • 近日,国家电投荆门绿动电厂在运燃机实现15%掺氢燃烧改造和商业运行,这是我国首次在重型燃机商业机组上实施掺氢燃烧改造试验和科研攻关,该项目成为全球首个在天然气商业机组中进行掺氢燃烧的联合循环、热电联供示范项目。 全球多家燃机厂商已开始探索传统燃气轮机掺氢技术,并取得初步发展。业内人士认为,可再生能源的规模化发展以及气电行业的减排需求,将会促进燃气轮机“掺氢”技术发展,作为大规模氢燃料发电的关键设备,掺氢燃气轮机将迎来巨大的发展空间。 ■多国探路燃机“掺氢” 在现役天然气机组中增加氢燃料来源,不仅能够有效节约天然气用量,保证冬季供暖安全稳定,还能显著降碳。根据国家电投的数据,荆门一台54兆瓦的燃机,掺氢30%后,每年可减少二氧化碳排放1.8万吨以上。 事实上,在全球碳减排大势下,天然气的化石能源的属性使得传统天然气发电用大型燃机市场不断萎缩,全球各大燃机厂商找到新的市场立足点。 近年来,日本三菱日立、美国通用电气、德国西门子能源和意大利安萨尔多能源公司等国际主要燃机厂商,均针对氢燃料燃机推出了相应的发展计划,开启了掺氢燃料甚至是纯氢燃料燃机的研究、开发及示范应用工作,为电力行业深度脱碳奠定了技术基础。三菱日立动力系统公司2018年开展了大型氢燃料燃机测试,氢气含量30%的氢燃料测试结果表明,新开发的专有燃烧器可以实现混氢燃料的稳定燃烧,与纯天然气发电相比可减少10%的二氧化碳排放,联合循环发电效率高于63%。 与三菱日立动力系统公司相似,西门子能源也致力于提高燃气轮机的燃氢能力。2019年,西门子能源承诺,将在2030年前实现100%燃氢燃气轮机,并且涵盖从小功率到重型燃气轮机的所有产品组合。 ■安全问题受关注 传统的天然气燃气轮机掺入氢气,意味着燃机设备对氢的适应性与掺氢后的安全性均面临挑战。 一位天然气掺氢领域业内专家告诉记者,氢燃料的火焰温度比天然气高出近300摄氏度,着火延迟时间比天然气低三倍以上。当燃料中的掺氢比例较高,燃料反应性会发生变化,造成火焰向上移动、燃烧时间过盈等问题,增加氮氧化物排放,并可能使燃烧室超温过热。因此,需要对燃烧室的使用稳定性及废气排放进行测试,重新设计或优化传统燃烧室或燃烧系统。 上述业内人士介绍称,与甲烷相比,氢气具有更高的扩散系数、更低的点火能量以及更宽的爆炸极限,因此一些天然气燃机的常规辅助系统,如通风、气体泄漏检测、管道裂纹检测系统等,对于燃氢燃机的安全使用具有更为重要的意义,需要引起重视。 使用氢燃料还面临着与整体安全相关的操作风险。“氢火焰的亮度很低,肉眼难以发现,需要专门的氢火焰检测系统;其次,氢气具有比其他气体更强的渗透性,可能不适用于原天然气输送采用的传统密封系统;另外,氢气比甲烷更易燃易爆,相比甲烷而言,氢气的爆炸极限范围宽的多。因此,氢气泄漏会增加安全风险,需要考虑改变操作程序以及防爆危险区域划分等问题。”上述业内人士指出。 ■经济性待提升 “以氢为连接枢纽,燃气轮机与新能源可发挥良好的互补和协同作用,由它们组成的混合发电系统具有更好的灵活性和稳定性,同时也能为纯氢燃气轮机发电产业奠定技术基础。”上述专家表示,目前,受制氢成本、能源转换效率等多重因素影响,氢燃气轮机发电面临经济性偏低问题。我国目前电解水制氢的成本较高,约为1.8-3.6元/立方米。不过伴随新能源发电占比的持续提升,预计2025年之后,电解水制氢的成本可降至1.35元/立方米以下。 集中式发电效率较低也制约着氢燃料发电的经济性。有业内人士直言,在我国风电和光伏装机容量还未远超化石能源的情况下,通过可再生能源生产的“绿氢”仍主要供应给交通、工业等领域使用,在集中式氢燃料发电方面将会进展缓慢。虽然将陆续推出混氢或纯氢燃料燃机发电示范项目,但在可再生能源尚未实现更大规模发展情况下,“电-氢-电”这一转化过程降低了能源整体利用效率,如不解决上述问题,将很难得到广泛应用。
  • 《中国航发燃机:燃气轮机如何提升发电效率》

    • 来源专题:能源情报网信息监测服务平台
    • 编译者:guokm
    • 发布时间:2021-11-29
    • 前言: 未来将大规模以可再生能源发电为主体,但可再生能源自身存在随机性、间歇性和波动性,使得电网和电力供应系统的安全性和稳定性备受考验。燃气轮机具有占地小、可靠性好、效率高、快速启停等优点,必将在电网过渡阶段发挥至关重要的作用。 目前燃气轮机联合循环模式相较于简单循环配置下能增加约20%的效率。对通过采用更高的燃烧温度和提高部件性能,可显著提升燃气轮机发电的效率。中国航发燃机瞄准世界燃气轮机技术发展方向,为进一步提高燃气轮机发电效率进行了深入研究并编译本文,以期引发行业更多有益的思考。 热力循环 当今世界大多数燃气轮机采用简单循环运行,只有少数燃气轮机用压缩机中间冷却、再加热(顺序燃烧)或通过回热器进行内部热回收。简单循环需要更高的入口温度和更高的部件性能,每一代燃气轮机的效率都有会小幅提升。然而提高效率需要不断完善技术,鉴于热力学和材料学的高需求,这些效率的提高在经济性上有待商榷。基于此,业内已经有一些声音在呼唤——其他循环,如热布雷顿循环,将被考虑用于未来的联合循环燃气轮机,在不达到如此高温度的情况下实现类似的效率。需要进一步探索在额定和非设计条件下对循环性能、燃烧器运行、冷却流量管理、涡轮机热管理以及重要的灵活性的影响。 气路设计 目前燃气轮机中的压气机和涡轮的气路设计已经实现了核心等熵流(远离环空的流动)的精细化水平。通过多目标优化获得的高度三维叶片现在普遍使用,产生了前所未有的空气动力学效率。进一步的内部效率提升将是适度的,尤其是在压气机中。 尽管如此,仍有些二次流动可进一步提高效率。涡轮间隙控制就是其中之一,估计有可能通过主动间隙控制系统实现0.25%的联合循环效率增益。主动间隙控制系统可用于新的燃气轮机和现有装置升级;其中一些依靠转子的轴向位移,而另一些则径向工作。无论采用什么方法,都面临着发动机瞬态温度分布的挑战,这些挑战受到负载变化的影响,更加频繁启动或停止。未来的系统需要能够进一步减少压气机端部泄漏流量,避免旋转部件和静止部件之间的物理接触。 冷却系统 大约20%的压缩机流量从气路排出,用于冷却和密封发动机的(高压)热部分。其中大部分用于冷却一级涡轮叶片。在涡轮高压段内气路的根部,吸入热气也可能导致机械故障和空气动力损失。当燃气轮机的高应力部件(如转子盘)被从气路吸入的热气过热时,可能会触发机械故障。轮辋密封件通常与内部密封件一起从压缩机排出冷却/密封空气以防止流入空腔,但这也会降低燃气轮机效率。从压气机排出的空气会导致热效率减少,更重要的是气体路径中的出口和核心流之间的相互作用会产生进一步的动力损失。这些现象也受到瞬态操作的影响,因为这会改变所有相关流动的压力和温度分布,以及密封元件的公差。 因此,二级气路的改进设计、多目标拓扑优化和冷却流的主动控制是需要进一步研究的领域,以进一步提高现有和新燃气轮机的性能。 底层循环 现代热回收蒸汽发生器在压力水平下产生蒸汽并结合,目前能够在技术上可行的情况下回收尽可能多的能量,受最低烟道温度限制,这会引发烟道气流中的冷凝问题。从第二定律的角度(即火用破坏)来看,超临界高压蒸发器可以减少这种不可逆性,但相关成本可能无法通过边际性能增强(估计最先进技术的联合循环效率点为0.5个百分点来补偿)。 多压力热回收蒸汽发生器(HRSG)在燃气轮机的低排气温度下最受关注。当从单压到多压降低时,随着温度提高性能,并且在热气温度(HRSG入口)大约为700℃时,两种布局之间的差异消失了。随着燃气轮机排气温度的升高(现在超过650℃)需要以较低容量系数运行的联合循环发电厂的经济成本,可能有机会采用亚临界的单压再热底部循环。 附加说明 在未来几十年,联合循环发电厂高效发电将依赖于部分负荷效率而不是额定工况效率。因此,提高部分负荷性能和瞬态响应(尽可能快地过渡到更高负载以减少低负载下的运行时间)将对于运行的灵活性和电网的利益至关重要。这同样适用于减少燃气轮机的最小环境负荷,从而减少启动和关闭的次数,并减少相关的燃料消耗、提高使用寿命和降低排放。这一切都与提高联合循环和简单循环燃气轮机的整体效率有关。