航改型燃气轮机在工业园区综合能源系统中的应用探讨

陈向阳，史炜

(华电通用轻型燃机设备有限公司，上海 201108)

0 引言

能源互联网是推动我国能源革命的重要战略支撑，可以有效提升能源综合效率[1]。能源互联网以电力系统为中心，将电力系统和天然气网络、供热网络以及工业、交通、建筑等系统紧密联系，可以横向实现电、气、热(冷)、可再生能源等多能互补，纵向实现“源-网-荷-储”各环节高度协调，集中和分布相结合的能源服务网络[2]。而综合能源系统IES(integrated energy system)是源、网、荷深度融合、紧密互动的集成化能源系统，是能源互联网的重要物理载体[3]。未来园区能源互联网是能源系统的基本单位，更是综合能源服务的基本落脚点。在能源互联网背景下，工业园区单一的电、热、冷能源供应转向综合能源服务将成为不可阻挡的发展趋势[4]。

工业园区能源互联网其实质是多能互补基础上的综合能源服务[5-6]。在工业园区采用综合能源系统，横向可以在供应侧实现可再生能源和传统能源的多能互补，纵向可以通过“源-网-荷-储”协调，形成多能“供-需-储”自平衡体[7]。

航改型燃气轮机(以下简称航改燃机)，目前已成功应用在很多工业园区的分布式能源站上，通过与余热锅炉和汽机系统结合形成联合循环，供应电、热、冷等，满足工业园区客户的基本需求。但与多能互补、“源-网-荷-储”高度协调的综合能源系统，还有很大的差距。航改型燃气轮机源自航空发动机技术，具有效率高、启停快、调节灵活、负荷跟随能力强等特点，这些特点和能力使得航改燃机在建设工业园区综合能源系统中有着独特的一席之地。本文主要探讨航改燃机在工业园区综合能源系统中的应用可能性。

1 工业园区综合能源系统的特点

电力系统作为工业园区综合能源系统的核心，需要实现“源-网-荷-储”的协调运行。(1)在能源供应侧，综合能源系统应采用高效、经济、低污染的灵活发电资源，实现电、热、冷、气等多种能源的供给能力，同时尽量采用清洁能源，具备多能互补的综合能源供应能力。(2)在电网侧，综合能源系统可以接纳多样化电源并进行优化组合，构建强壮的微网，降低可再生能源以及用户负荷波动影响，同时具备能源供需自平衡和黑启动能力，提高电网的可靠性。电网应能满足多种能源的负荷需求，对状态偏离、设备故障等意外事件具有不平衡校正能力，实现微网内部“源-网-荷-储”各元件的自适应主动控制，符合电、热(冷)、气多种能源供应的安全可靠性和质量要求。(3)在储能侧，将各种储能设备视为广义的需求侧资源进行管理，根据可再生能源的波动，进行储能资源的有序充放电，增强可再生能源的接纳能力。

2 航改燃机在工业园区综合能源系统中的应用

航改燃机是由航空发动机改型而来，大量使用航空级高温合金，采用中空薄壁结构，其效率高、启停快、调节灵活、负荷跟随能力强，且启停次数一般不影响机组寿命和性能。这些特性使得航改燃机能够满足综合能源系统在“源-网-荷-储”各个环节的要求：(1)在能源供应侧，与余热锅炉以及汽轮机组成热、冷、电三联供机组，实现能源的梯级利用，能源利用率超过70%；同时航改燃机调节灵活，负荷跟随能力强，可以跟随工业园区内风能/太阳能的波动进行快速调节；(2)在电网侧，航改燃机可以为区域电网提供优质的电力辅助服务。航改燃机启停快，启停不折损寿命，具备优异的调峰能力，使得航改燃机发电机组非常适宜作为紧急备用机组和黑启动机组，同时，其快速灵活的调节能力，可以为电网提供优质的一次和二次调频服务。另外，航改燃机还可以作为同步调相机运行，为电网提供无功调节服务；(3)在储能侧，航改燃机可以和储能电池系统集成为混合发电系统，实现即时响应的备用能力，同时，航改燃机也可以燃用可再生能源制备的氢气，实现氢气储能。

本文以世界上广泛应用的LM航改燃机为例，探讨其在工业园区综合能源系统中的应用。

2.1 冷、热、电多能供给，梯级利用

以LM2500+G4航改燃机为例，其标准工况下单循环发电效率可达37.5%，排烟温度达到550 ℃，和余热锅炉、汽轮机(抽凝式或背压式)组成联合循环机组，形成电、热、冷三联供能力，是理想的工业园区天然气分布式能源站核心发电设备。

图1是一个典型的LM2500+G4联合循环发电机组的电、热、冷供应系统，其能源利用效率可达85%，系统的经济性较好。

图1 典型LM2500+G4联合循环三联供机组

2.2 多能互补的综合能源

近年来可再生能源发展非常迅速，分布式可再生能源，如分布式光伏发电和分布式风能也已开始应用于工业区综合能源系统。由于光伏、风力发电具有间歇性、随机波动性、不可控性、季节性等特点，造成弃风弃光等现象，同时也对电网的接入和稳定运行产生不利影响。可再生能源的这种大幅、快速波动，要求区域电网中的其他发电设备必须能够快速地进行负荷调节，以适应可再生能源的变化。美国加州电力市场(CAISO)区域电网，其可再生能源渗透率高，图2是CAISO典型春季某日的净负荷(净负荷=实际电网需求-风电出力-光电出力)变化曲线,可以看出在21：00左右用电高峰来临前，正好是光伏发电出力下降的过程，此时净负荷短时间内快速上升，甚至达到11 000 MW[9]。图3是2018年4月19日， CAISO区域电网当天各种可再生能源的出力变化情况，白天时光伏出力很大，但受天气变化的影响，在14:30左右，几分钟内就有1 400 MW左右的出力下降。

图2 加州CAISO区域电网典型春季某日的净负荷变化趋势

图3 加州CAISO 2018年4月19日当天可再生能源变化趋势

对于工业园区综合能源系统，分布式可再生能源也会发生类似的情况，综合能源系统中需要其他的发电形式能够快速、大幅调节，以平衡可再生能源造成的波动。而航改燃机是理想的负荷跟随机组，可以和可再生能源形成多能互补的、稳定的园区综合能源系统。

LM2500+G4航改燃机发电机组负荷调节快速，其满负荷虽然只有约33 MW，但其负荷变化速率可高达30 MW/min，远高于燃煤机组和工业型燃气轮机，可以快速跟随可再生能源的负荷波动。同时，其部分负荷效率较高，且在部分负荷下，其NOx污染物排放也较低，使得其在部分负荷下运行也具有较高的经济性。在园区综合能源系统中，可再生能源出力降低时，航改燃机发电机组可以迅速增加负荷，补偿光伏和风能的出力缺口；可再生能源出力增加时，航改燃机发电机组可以快速降低负荷，甚至停机以匹配光伏和风能出力，从而保证区域电网的相对稳定。

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2.3 航改燃机为区域电网提供优质的辅助服务

2.3.1 调峰和备用

航改燃机从冷态启动到满负荷，最快只需要5 min，且启停次数不折损寿命，适合作为调峰机组运行。图4是某LM6000航改燃机发电机组出力随时间的变化曲线，可以看出在短短的1 d内机组启动十几次，以适应电网的需求。而航改燃机出力较小，与工业园区电网容量匹配性较好，可以匹配工业园区综合能源系统的调峰需求。

图4 某LM6000航改燃机出力随时间变化曲线

当然，航改燃机发电机组也可以作为电网的备用机组，快速响应电网调度，3 min就开始输出电力，5 min就可以输出满负荷。LM2500机组的标准启动曲线如图5所示。如果航改燃机和储能电池系统配合起来应用，则可以构建一个实时响应电网需求的备用机组。

图5 LM2500燃气轮机标准启动曲线

当然，优秀的调节能力也使得LM2500航改燃机组具备优异一次调频和二次调频自动发电控制(AGC)能力。

2.3.2 黑启动能力

LM2500航改燃机发电机组在设计之初就已经考虑到了作为黑启动电源的应用，其自身辅助设备少，辅助负荷需求也较少，辅机负荷只有约250 kW，对黑启动柴油机要求较低，如果配备储能电池系统，则可以通过电池来供应辅机负荷所需电力，无需配备黑启动柴油机。同时，LM2500航改燃机在较低的燃气压力(约1.8 MPa)下就可以启动，对燃料系统要求低。控制系统配置了黑启动程序，操作流程比较简单，可以很好地满足客户对于黑启动的应用需求[10-11]。

2.3.3 无功调节和同步调相机应用

LM2500航改燃机发电机组的发电机在并网运行时，具备一定的无功调节能力，具备自动电压控制(AVC)功能。

同时，LM2500航改燃机也可以作为同步调相机运行，且无需配置主轴超越离合器。图6是LM2500航改燃机发电机组作为同步调相机运行的示意图。

图6 作为同步调相机运行的LM2500

LM2500机组平时作为发电机组，连接于电网并向电网提供有功，同时具备部分无功调节能力。由于LM2500航改燃机采用双轴结构，其燃气发生器(Gas Generator)转轴和动力透平轴通过空气动力耦合，无任何机械连接，这种结构使得LM2500航改燃机无需在发电机和燃机之间配备离合器，就可以将作为动力源的燃气发生器和作为负载的动力透平/发电机脱开。只要切断燃气发生器的燃料供应，停止燃气发生器的运转，同时保持发电机出口断路器合闸状态，发电机就作为同步调相机运转，为电网提供相当容量的无功调节，最大可发出39 MV·A无功，吸收16 MV·A无功。同时LM2500航改燃机的动力透平被电网和发电机拖动，保持旋转状态，也可以为电网提供额外的惯性，增强区域电网的稳定性。

2.4 航改燃机和储能混合系统

航改燃机还可以和电池储能、氢气储能组成混合系统，更快速、更经济地解决可再生能源的间歇性问题,并为园区综合能源带来独特的价值。

2.4.1 航改燃机和电池储能混合系统

航改燃机和快速响应的电池储能系统，以及专门定制的控制系统可以组成一个混合系统燃气轮机EGT(electrical gas turbine)，在无燃料消耗状态下具备50 MW的应急备用(旋转备用)能力。图7是2017年应用于美国加州的LM6000航改燃机+电池储能混合系统的示意图。

图7 LM6000航改燃机+电池储能混合系统示意图

由于储能电池的存在，混合系统可以即时响应电网的功率需求，前200 s由电池系统放电向电网输出功率，同时燃机开始启动，燃机从200 s左右开始输出电力，并逐渐加载燃机出力至满负荷，在此过程中电池可以逐渐减少放电直至停止放电。图8是LM6000航改燃机+电池储能混合系统功率输出曲线。储能电池的容量只需满足燃机启动过程的电力供应即可，可以大大减小电池系统的配置，降低成本。

图8 LM6000航改燃机+电池储能混合系统功率输出

总的来说，此混合系统在燃机停运时，可以实现下列功能：(1)零排放的旋转备用；(2)50 MW立即响应的应急备用；(3)10 MW一次调频能力；(4)-8～+5 MV·A的无功调节；(5)黑启动能力。燃机运行时，可以实现下列功能：(1)50 MW的调峰能力；(2)25 MW的高质量调频能力。相比于单独的电池储能系统和航改燃机，此混合系统集成了二者的优点，表1是三者的比较。

表1 混合系统和单独燃机、电池储能的比较

续表

2.4.2 航改燃机和氢能混合系统

航改燃机的一个重要特点是可以燃用多种多样的燃料，包括氢气。可再生能源发电的波动性造成了弃风、弃光时有发生，2018年中国全年弃风量为27.70 TW·h，弃光量为5.49 TW·h。通过水解将可再生能源发电产生的多余电能用于电解水，产生氢气并进行储存，单独供应给燃气轮机，或与天然气混合后供给燃气轮机作为燃料，这是降低可再生能源波动性，并提高多能互补的园区综合能源系统稳定性的一种可行方案[12-13]，如图9所示。

图9 典型可再生能源、氢能和燃机混合系统

3 结束语

航改燃机因为集成了航空发动机的技术特点，具备效率高、启停快、易调节等优势，能够匹配工业园区综合能源系统在“源-网-荷-储”各环节的运行需求。燃用天然气的航改燃机，可以和余热锅炉、汽轮机形成联合循环，对工业园区供电、热、冷，形成分布式能源站，实现能源的高效综合利用。航改燃机还可以作为负荷跟随机组运行，和可再生能源形成多能互补的、稳定的电力供应能力。同时，航改燃机还可以向园区电网提供多种优质的电力辅助服务，如一次调频、AGC、AVC、应急备用等。还可以和电池储能、氢能利用结合起来，形成混合系统，提高园区综合能源系统的能源利用率和可靠性。