零碳能源解決方案

譯者按：目前我國正在建設以大規?？稍偕茉窗l(fā)電為主體，安全高效的新型電力系統，但由于可再生能源自身具有隨機性、波動(dòng)性和間歇性等特點(diǎn)，需要平衡電源來(lái)維持電網(wǎng)的穩定性。燃氣輪機是大規模能源轉換效率最高的成熟裝置，是實(shí)現化石能源清潔高效利用和促進(jìn)“風(fēng)光氣儲”一體化的最佳選擇。從長(cháng)遠來(lái)看，燃氣輪機的應用可以確?？稍偕茉吹母呃寐?，并在需要時(shí)通過(guò)燃料靈活性保障能源的供應安全，這將為能源系統的脫碳和可再生能源在電網(wǎng)中的全面部署做出重大貢獻。中國航發(fā)燃機正在大力研究燃氣輪機與可再生能源的結合與應用，并編譯了本文，以期引發(fā)行業(yè)更多有益的思考。

支持未來(lái)零碳能源的整體解決方案

ETN（European Turbine Network）對歐盟委員會(huì )（European Commission）的倡議表示支持，在更新后的戰略能源技術(shù)規劃（SET-Plan）中，明確行動(dòng)和研究需求，確定其優(yōu)先級，并將其與能源聯(lián)盟（Energy Union）的支柱相匹配。我們很高興有機會(huì )參加本次利益攸關(guān)者的閉門(mén)研討會(huì )，本次研討會(huì )的主題是關(guān)于議題文件4：能源系統（提高能源系統的適應性、安全性及智能性）。會(huì )上，我們強調了在未來(lái)能源系統中采取整體解決方案的重要性。

風(fēng)能和太陽(yáng)能等可再生能源（RES）具有隨機性和無(wú)慣性的特點(diǎn)，隨著(zhù)其在能源系統中的份額不斷增加，能源生產(chǎn)模式正在發(fā)生改變，需要平衡電源來(lái)維持電網(wǎng)的穩定性以及新的創(chuàng )新性解決方案。目前，燃氣發(fā)電廠(chǎng)的角色也正在發(fā)生改變，由基荷發(fā)電轉為備用電源以控制并保持電力系統的穩定性。在這種情況下，燃氣輪機備用電廠(chǎng)需要在保持低排放的同時(shí)，具備比當前發(fā)電廠(chǎng)更快的穩定執行加載和減載。燃氣輪機還需要在其最低的環(huán)境負荷（發(fā)電廠(chǎng)仍可在NOx排放限制值內連續運行的負荷）下“停放”，甚至在電網(wǎng)不需要其電力時(shí)關(guān)停。

為了使燃氣輪機能夠在前文所述的環(huán)境下以經(jīng)濟高效和最優(yōu)化的方式運行，并在長(cháng)期內發(fā)展低排放或零排放混合動(dòng)力系統，ETN預計許多技術(shù)領(lǐng)域需要進(jìn)一步地研發(fā)和優(yōu)化。從短期來(lái)看，燃氣輪機可以通過(guò)平抑電網(wǎng)中可再生能源發(fā)電帶來(lái)的波動(dòng)，以及燃用如天然氣、沼氣、工業(yè)廢氣或垃圾填埋氣等低碳燃料，幫助可再生能源融入能源效系統。從長(cháng)遠來(lái)看，燃氣輪機的應用可以確?？稍偕茉吹母呃寐?，并在需要時(shí)通過(guò)燃氣輪機的燃料靈活性保障能源供應安全。這將為能源系統的脫碳和可再生能源在電網(wǎng)中的全面部署做出重大貢獻。根據議題文件4提及的燃料靈活性選項，ETN已經(jīng)確定了將現有技術(shù)及其與可再生能源耦合技術(shù)作為優(yōu)先選項進(jìn)行研發(fā)。

1、目標

ETN同意議題文件4中提出的總體目標。正如國際能源署（International Energy Agency，IEA）所預見(jiàn)的那樣，在未來(lái)幾十年內，傳統發(fā)電作為可再生能源系統的備用電源仍將長(cháng)期存在。ETN認為，應提出到2050年的能源系統路線(xiàn)圖，以激勵所需的長(cháng)期投資。

2、能源網(wǎng)絡(luò )、系統和集成

ETN同意該主題的描述，但認為有必要在能源系統的所有參與者之間明確規定共同的戰略和要求。目前，為實(shí)現可再生能源的集成并滿(mǎn)足客戶(hù)的需求，電網(wǎng)改造得到了高度重視。然而，這種方法不能確保發(fā)電技術(shù)能夠滿(mǎn)足這些要求?？紤]到集中發(fā)電運營(yíng)商、可再生能源運營(yíng)商、輸電系統運營(yíng)商、數字系統運營(yíng)商、付費托管方等的要求，待開(kāi)發(fā)的新技術(shù)、系統和服務(wù)應能夠支撐綜合能源系統，目的是根據影響利益相關(guān)者的資本支出和運營(yíng)支出，將電力成本降至最低。應考慮開(kāi)展狀態(tài)監測技術(shù)和預測工具方面的研發(fā)工作，因為這將優(yōu)化整個(gè)歐洲能源系統。

“實(shí)時(shí)”監控設備的存在允許測量和評估電網(wǎng)內的所有主要能源消耗條目。這就允許采取相應的戰略決策來(lái)提高能源系統的效率。大數據分析和云計算等IT解決方案可以實(shí)現智能負載分配，減少峰谷負載需求之間的差異。目前的網(wǎng)絡(luò )已經(jīng)能夠管理生產(chǎn)最佳點(diǎn)，但它無(wú)法控制和影響需求。還應特別關(guān)注集中和分散式發(fā)電混合技術(shù)的優(yōu)化集成。

3、靈活的備份和生成

電網(wǎng)、系統和集成應基于瞬態(tài)運行期間的系統穩定性，即頻率控制。頻率下降或增長(cháng)的原因是電網(wǎng)中間歇性發(fā)電的份額不同。由于一些常規發(fā)電廠(chǎng)的關(guān)閉，電網(wǎng)中現有慣性質(zhì)量的時(shí)間常數減小，導致初始頻率的更大增長(cháng)。因此，預計會(huì )出現頻率偏差和振蕩：到2050年，德國80%的可再生能源和其他歐洲國家60%的可再生能源中的一小部分，3GW擾動(dòng)造成的頻率偏差將從390MHz增加到900MHz，而根據仿真結果，振蕩頻率將增加兩倍以上。燃氣輪機發(fā)電廠(chǎng)的不同組合可能會(huì )導致控制和平衡問(wèn)題。

為此，可以通過(guò)歐洲電力系統的詳細模型來(lái)計算負載流量以及分析電壓和傳輸極限。需考慮以下因素：

·到目前為止，間歇性可再生能源無(wú)法提供電網(wǎng)服務(wù)；

·頻率控制（一次和二次控制）、因電廠(chǎng)減少而產(chǎn)生的電壓控制以及由此產(chǎn)生的電網(wǎng)慣性；

·負載流量增加可能導致電壓不穩定性增加（失去無(wú)功功率）。傳統電廠(chǎng)對電網(wǎng)的作用之一是電壓控制，但其數量正在不斷減少，導致電網(wǎng)不穩定性增加。

通過(guò)現有電廠(chǎng)改造以及采用創(chuàng )新性解決方案，預期將對提高發(fā)電靈活性起主要作用。

4、創(chuàng )新性解決方案

帶有聚光太陽(yáng)能發(fā)電（CSP）的燃氣輪機混動(dòng)系統：由于CSP的可調度性（與蓄熱系統結合），這是可再生能源技術(shù)中的獨特屬性，因此可以將其視為最可行的可再生能源之一。然而，盡管經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，現代CSP電廠(chǎng)的電力成本仍然很高。為了降低成本，需要對技術(shù)進(jìn)行逐步的改進(jìn)?；旌咸?yáng)能燃氣輪機電廠(chǎng)已被證明是傳統蒸汽循環(huán)聚光太陽(yáng)能電廠(chǎng)的一種有前途的替代方案?；谔?yáng)能發(fā)電系統的燃氣輪機未來(lái)發(fā)展關(guān)鍵問(wèn)題已被確定，具體如下。

首先，為了最大限度地提高燃氣輪機與CSP電廠(chǎng)的太陽(yáng)能集成度，燃氣輪機的燃燒溫度應保持與太陽(yáng)能接收器溫度相近，導致低溫和低熱效率。因此，混合聯(lián)合循環(huán)系統是一種可行的解決方案，這是因為與簡(jiǎn)單循環(huán)相比，高太陽(yáng)能份額和高效率之間的權衡并不明顯。這使得燃燒溫度降低，而對電廠(chǎng)總熱耗率的影響較小，從而在更高的名義太陽(yáng)能份額下實(shí)現更經(jīng)濟的運行。

其次，為了兼顧碳減排和保持電力低成本，有必要將蓄熱裝置和后發(fā)電循環(huán)整合到混合太陽(yáng)能燃氣輪機發(fā)電廠(chǎng)中。針對該應用場(chǎng)景優(yōu)化設計的燃氣輪機電廠(chǎng)的性能與傳統電廠(chǎng)的任意組合相比，無(wú)論從低排放還是從低發(fā)電成本的角度，均具有顯著(zhù)優(yōu)勢。

5、現有電廠(chǎng)改造

ETN同意擬議的系統方法，該方法旨在提高電力系統的靈活性和有效容量以消納可再生能源發(fā)電的份額增長(cháng)。不過(guò)，ETN認為現有技術(shù)，尤其是用于RES的備用電源技術(shù)，還需要升級，以加快向低碳經(jīng)濟轉型。根據議題文件中的目標和發(fā)電靈活性的需求，應以?xún)?yōu)化現有發(fā)電廠(chǎng)的靈活性為目標進(jìn)行研究。

可以預見(jiàn)的是，后發(fā)電循環(huán)方面對于提高現有聯(lián)合循環(huán)電廠(chǎng)的靈活性做出最有價(jià)值的貢獻。鑒于聯(lián)合循環(huán)電廠(chǎng)的燃氣輪機模塊是針對特定運行工況開(kāi)發(fā)的，現有電廠(chǎng)的靈活性來(lái)源于后發(fā)電循環(huán)，這需要很長(cháng)時(shí)間才能達到蒸汽輪機運行所需的蒸汽品質(zhì)。余熱鍋爐的變化有助于更快地啟動(dòng)。

6、其他

ETN想強調的是，議題文件4中未提及分布式發(fā)電。ETN認為，對于分布式發(fā)電，需要就現有技術(shù)與可再生能源的融合提出創(chuàng )新性解決方案，以便于消費者使用，從而實(shí)現冷熱電聯(lián)產(chǎn)，并提高建筑物的能源綜合利用效率。燃氣輪機熱電聯(lián)產(chǎn)可以在支撐可再生能源和應對現代電網(wǎng)挑戰方面發(fā)揮重要作用。在歐洲，燃氣輪機技術(shù)能夠在系統層面上支撐可再生能源，并作為一種需求響應形式實(shí)現多重效益。

ETN完全支持SET Plan提出的方法，并愿意為您隨時(shí)澄清和闡述這些意見(jiàn)。我們也愿意回答任何進(jìn)一步的問(wèn)題，期望能夠受邀參加SET-Plan指導小組會(huì )議，討論本議題文件，以便密切關(guān)注討論情況。