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《全国首个国产燃气轮机试验电站落户辽宁》

  • 来源专题：中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
  • 编译者： guokm
  • 发布时间：2019-12-13

  • 12月6日，“燃气轮机试验示范及应用战略合作协议”在沈阳签署，中国航发燃机公司、辽宁能源投资集团和铁西区政府联手建设中国首个国产轻型燃气轮机天然气热电联产科研综合试验电站。这标志着沈阳打造国家燃气轮机创新中心和建设一流燃气轮机产业基地，再增添新的砝码。

    燃气轮机以天然气为燃料，是继蒸汽轮机和内燃机之后新一代能源动力系统中的核心装置。今年4月12日，中国航空发动机集团与沈阳市政府达成了战略合作协议，将中国航发燃气轮机产业落户沈阳;4月28日，中国航发集团与沈阳市政府共同出资组建了中国航发燃机公司，中国自主知识产权的燃气轮机产业全面启动。12月6日，“燃气轮机试验示范及应用战略合作协议”达成，意味着中国自主燃机产业迈出扎实的一步。轻型燃气轮机科研试验电站项目依托中国航发燃机现有国产燃气轮机设备和技术，以及辽宁能源投资集团所属沈阳经济技术开发区热电有限公司现有的场地和公共设施及条件建设。燃机科研试验电站总规模60兆瓦,在厂房内分别建设10兆瓦级、20兆瓦级、30兆瓦级轻型燃气轮机发电机组热电联产试验验证平台各一个，可满足中国航发燃机现有产品QD70、QD185、QD280三型燃气轮机发电机组开展试验验证的要求。该项目对于辽宁产业转型升级、提升绿色发展水平，对于沈阳推动国家自主知识产权燃气轮机产业化发展无疑具有重大意义。

    未来三方还将以科研试验电站建设为基础，逐步形成备件成套、设备组装、系统集成、返厂检修以及升级改造等系列完整体系，开展国产燃机在分布式供能以及天然气发电等领域的拓展运营，响应国家“一带一路”建设及“走出去”战略，共享信息、资源，实现强强联合、优势互补，共同开发国际新能源市场。

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  • 《“命门火衰”，重型燃气轮机的叶片之殇》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2018-05-10
    • 重型燃气轮机（以下简称重燃），名副其实的大国重器。作为迄今为止热／功转换效率最高的动力机械，广泛应用于机械驱动（如舰船、火车）和大型电站。我国现已具备轻型燃机（功率5万千瓦以下）自主化能力；但重燃（功率5万千瓦以上）仍基本依赖引进。据悉，重燃发电机组目前占全国发电装机总量的3%左右，虽不是一大块，却是不可或缺的一块——启停快捷、热效率更高、污染更少的燃机机组，作为大电网调峰容量的最佳选择，在国家能源安全中扮演着无可替代的全局性角色。没有自主化能力，意味着我国能源安全的重要一环，仍然受制于人，存在被“卡脖子”的风险。 极致技术：对质量和性能近乎变态的追求 把熔化的液态金属浇入模具，等它凝固；在显微镜下看其金相，会呈现形似“干裂农田”状的缝隙，专业术语称之为“晶界”。 “晶界是金属的薄弱环节。”国家科技重大专项“重型燃气轮机”技术负责人表示。为提高金属材料在高温下的强度，就要想办法消除晶界。 这是一个极其复杂、漫长的过程，包括精确的温度控制，以及精密铸造、定向／拉单晶等工艺。其核心部件的毛坯“都是来自国外”；核心设备单晶炉，也须从国外进口。 该技术负责人解释，作为一种旋转叶轮式热力发动机，燃气轮机的叶片是最重要的核心部件之一。它要在1400℃—1600℃的高温下长期稳定地工作，目前没有任何金属可以做到。怎么办？ 极限工况催生出极致技术，一种对质量和性能疯狂到近乎变态的追求。除了消除晶界、提高所用材料本身的强度之外，“只有靠冷却”：叶片是中空的，以便通冷却空气；表面有陶瓷涂层、冷却气膜，使它跟高温燃气隔离，等等。 更关键一点，在以上复杂流程的所有环节，任何一项技术参数都不能有丝毫偏差，“这是它跟常规制造流程最大的不同”。他强调，常规制造中还有一个安全系数，即一定的容错裕量；而“极限制造完全是另一概念”：叶片是空心的、又很薄，除了精铸，目前没有其他工艺手段可以做出来，未来3D打印能不能解决还不清楚；铸造过程中，材料的夹渣、裂纹、疏松、气孔以及变形等，都会影响叶片的强度和性能。因为“它本身是不可能的，要靠好多极限手段硬让它变得可能”，所有技术必须做到极致。所以，一就是一，二就是二，偏差根本不能容忍、不被允许。 体系差距：即使有钱也不知从哪下手 美国GE公司高层曾声称，要买重燃成套技术，除非买下整个GE。 “重型燃气轮机”重大专项总设计师顾春伟教授和上述技术负责人都谈到，国际上大的重燃厂家，主要就是美国GE、日本三菱、德国西门子、意大利安萨尔多4家，与国内三大动力合作的也是这4家。但他们都附带苛刻条件：首先，设计技术不转让；其次，核心的热端部件制造技术也不转让，仅以许可证方式许可本土制造非核心部件。 这两条注定了，没有自主设计能力，我们需要什么样的重燃、能要到什么样的重燃，只能听从人家的意志。核心制造技术不转让，国内上了那么多重燃发电机组，设备运维、备件提供完全受制于人，长期安全稳定运行堪忧；本土制造的许可证又都有期限，到期之后能否付钱再延，还须看他人眼色。所谓“卡脖子”，莫此为甚。 跨国公司秘不示人、惜之如命的设计技术，是真正的核心技术。顾春伟表示，重燃三大部件（压气机、燃烧室、燃气透平）的设计都是难上加难，因为它们需要“大量基础研究支撑”和“长期试验验证及经验积累”，没有长期积累，“即使有钱你也不知从哪儿下手”。 仍以叶片为例。即使分毫不差做足各种极致功课，叶片材料仍是有寿命期限的：重燃叶片，寿命在5万小时、3万小时不等，到期必须报废。 怎么证明5万小时安全运行没问题？极限工况下、5万小时连续不断的材料试验必不可少。试想，一年8000多小时，5万小时要做将近6年，“这还只是做一轮配方、一轮工艺所需时间”，所以“一个人一辈子都做不了几个母合金”。它意味着巨量的投资、巨量的耗时和巨量的数据采集，而且每一步都必须亲历亲为，否则就“不知其所以然”。 “尽早建立起我国完整的设计体系、试验验证体系，才是重燃自主化的关键所在”，中国联合重型燃气轮机技术有限公司负责人如是说。 三位一体：工匠的经验仍不可或缺 叶片精铸过程中，“拉单晶”工艺很有画面感。 上述技术负责人介绍，一般的铸造，是把金属液浇入模坑、自然冷却，出来的产品是多晶体，就会有晶界。而透平叶片单晶/定向铸造，“是在底下选一个晶体，让它慢慢往上走；上面保持高温，还是液体；然后这个界面一点点往上冷却，所以凝固时间特别长”。 顾春伟称之为“多物理场耦合”，即制造流程中，每一环节涉及各种细节的工艺控制，这种控制又受到各种物理条件的影响，比如湿度、温度、速度等控制下的成型，“每一步都是工匠、工艺、设备的‘三位一体’”。 三位一体中，设备当然必不可少，“先进单晶炉须从德国进口，国产的目前仍不完善。但光强调设备也不行”。单晶制造过程中，涉及多个环节、多位顶尖高手，每人各管一段；每人都身怀绝技，相互不可替代。包括所有的参数控制、补偿等，既靠数据标准，更有“手上的功夫”，也就是经验积累。因为“多物理场耦合”中，没有一把尺子可以包打天下。这是基于大数据的3D打印仍无法终结工匠的道理，也是我国高端制造流程中目前最紧缺的一环。 （科技日报北京5月8日电）
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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。
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