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加快实现燃机装备突破,补强气电产业链关键短板

来源:中国电力新闻网 时间:2022-08-05 17:07

  《十四五能源领域科技创新规划》解读

  ——加快实现燃机装备突破,补强气电产业链关键短板

  4月2日,国家能源局、科学技术部联合发布了《“十四五”能源领域科技创新规划》(以下简称《规划》)。其中,“燃气发电技术”板块设置了3项重点任务,3项任务均集中于燃机本体技术,既布局了长期以来的装备技术痛点问题,也响应了能源电力形势变化的热点问题。

  一、大力发展燃机装备技术的形势和需求

  燃气轮机被誉为“工业皇冠上的明珠”,是大国重器。燃气轮机装备研发是实现我国能源领域关键技术自主化的重要任务之一,在电力系统合理布局气电项目建设、提高燃机发电装机对于增加我国电力系统调节能力和新能源电力消纳能力具有积极作用,有利于更好地推动我国能源结构调整优化、实现低碳发展。

  进入21世纪以来,我国通过组织多批“打捆招标”、三大动力厂分别与世界先进企业合作等方式,实现了国内气电装机和装备能力的双提升。到2022年1月,我国气电装机容量已突破1亿千瓦,相比2015年装机增幅达到75%。“十三五”以来,通过实施两机重大专项、能源技术创新规划、燃气轮机创新发展示范等,我国发电用燃气轮机产业获得了长足进步,如:基本建立了具有自主知识产权的各型燃机设计平台,掌握F级50MW燃机自主设计技术并完成加工制造、实现满负荷运行,完成完全自主的300MW级F级重型燃机的概念设计;除高温热部件外(燃烧器、透平动、静叶)已全部达到自主化制造;初步具备自主运维服务能力,包括各类计划检修、非计划检修、热部件修复、备件供货、远程诊断、升级改造等,也积累了大量的机组运行数据。

  虽然取得了诸多成绩,但我们也要认识到国外先进企业在燃机领域形成并长期保持着突出的先发优势,技术积累丰富,体系和产业链健全,并能持续开展前沿技术储备和先进机型开发;而国内企业在高参数重型燃气轮机的基础体系、设计能力、关键热通道部件的加工制造能力、控制系统、维检修服务能力等方面尚未实现完全自主化,在全产业链与国际先进水平存在差距。

  为了摆脱燃气轮机长期依赖进口的局面,避免在关键技术上受制于人,实现我国燃气轮机及相关配套产业的健康、快速发展,我国亟需加快推动自主化、国产化燃气轮机研发。《规划》以重点任务的形式明确燃机装备技术的自主化、国产化研发方向,能够引导相关企业加大投入,推动我国燃机装备技术持续获得关键突破,尽快补强气电产业链关键的装备短板。

  二、燃机装备技术的主要发展方向

  本次《规划》提出的气电方面重点任务包括:“燃气轮机非常规燃料燃烧技术”,“中小型燃气轮机关键技术”,“重型燃气轮机关键技术”。

  (一)“燃气轮机非常规燃料燃烧技术”

  任务提出:研发以煤气化合成气、高炉煤气、焦炉煤气等低热值气体为燃料的燃气轮机安全稳定燃烧技术,开展掺氢燃气轮机稳定低排放燃烧技术研究,掌握适应轻柴油和天然气双燃料的燃气轮机稳定切换燃烧技术,针对伴生气、富氢天然气、轻柴油等非常规燃料开展相应机型燃气轮机的多领域应用。

  我国工业门类齐全、规模庞大,很多行业产生了大量的中低热值气体燃料,而燃机是对其高效回收利用的重要手段,部分低热值燃气发电工程的实施已验证其技术可行性。随着氢能产业的飞速发展,氢气的下游利用也可采用燃机发电形式,国内已有工程项目开展了低比例(15%~30%)掺烧验证。中低热值燃气与常规天然气在燃烧特性方面有着显著的区别,以氢气为例,其燃烧速度快、绝热燃烧温度高,对燃烧室稳定燃烧、控制NOx排放有着不利的影响。我国各燃机装备企业相关研究普遍较为缺乏,在很多方向上还处于起步阶段,制约了中低热值燃气的整体利用水平。因此,为了进一步扩展燃机对中低热值燃料的适用性,提升燃烧稳定性,减少污染物排放,针对各类中低热值燃气开展燃烧室技术研究是十分必要的。

  双燃料燃机稳定切换燃烧技术在海上油气平台中有着广泛的应用需求。我国某燃机企业已开展了相关研究,并实施了应用示范,取得了自主化的研发成果。“十四五”期间进一步相关研发和试验示范,有利于打破国外厂家在海上平台核心设备领域的垄断,形成自主化设备生产和维保能力,提升我国在能源生产领域的安全性。

  鉴于我国燃机技术,尤其是非常规燃料燃烧涉及的燃烧室技术尚未实现完全国产化、自主化,与国外先进企业有着较大差距,该任务定位为集中攻关是合适的。

  (二)“中小型燃气轮机关键技术”

  任务提出:突破中小型驱动燃机设计和制造技术,完善关键部件和整机的试验验证能力,推动自主驱动燃机示范应用;研发分布式能源系列燃机,突破各类型燃机设计和验证技术,建设完善具有一定通用性的中、小、微型燃机试验平台,满足各类型燃机试验需求,推进中小型燃机示范应用。

  我国中小型燃气轮机技术主要来自于航改机型,主要采用自主化研发路线,基础体系相对健全,各型燃机均初步形成了工程设计体系和设计规范等,建立了压气机、燃烧器试验台、高温部件及整机试验台,形成了高水平的研制队伍。但是,我国中小型燃机在效率、排放等方面仍落后与西方发达国家,缺少前沿技术机理性、探索性、验证性基础研究条件,以及可视化、非接触等先进可靠测试条件,在设计、制造、试验、运维方面的自主化能力仍有待进一步增强,试验能力体系仍需补充联调验证能力。

  在前期积累以及“十三五”末期开展燃气轮机创新发展示范的基础上,“十四五”期间继续坚定不移地推进自主化中小型燃机的研发、实施示范试验和工程化推广应用,对于加快我国中小型燃机技术的全面掌握,保障分布式能源燃机和油气长输管线用燃机的供应链安全,有着重要意义。

  (三)“重型燃气轮机关键技术”

  任务提出:突破重型燃气轮机自主设计、燃烧室、透平热端部件、控制系统、寿命评估及运维检修服务等关键瓶颈技术,研制具有完全自主知识产权的300MW等级的F级燃气轮机;开展50~70MW等级原型机自主开发、制造和试验等关键技术研发;突破重型燃气轮机透平叶片毛坯的自主设计、铸造及检测技术,开展引进型F级、H/J级重型燃气轮机热端部件、控制系统、运维检修服务自主化创新示范及工程验证,实现引进型重型燃气轮机制造本地化,热端部件和总装国产化,推动G/H级先进高效燃机自主研制,形成基本完整的自主知识产权重型燃机设计体系以及相应规范、软件和数据库。

  在重型燃机方面,我国在较长时期内采取了引进机型消化吸收的研发模式,截至“十三五”末期已基本掌握了全部冷端部件的设计制造能力,但在热端部件(全部透平毛坯、燃烧器、持环、密封环)毛坯和控制系统的自主化能力和热端部件加工技术及功能涂层技术方面仍与国外先进企业有着显著差距。“十三五”期间,我国强化了重型燃机的研发力度,开展了多个机型的燃机国产化示范,在一定程度上推进了热端部件加工制造能力的提升。自主化研发攻关方面,我国于“十三五”期间启动实施了两机专项,F级和H级燃机的研制得到了较快推进,目前正在实施示范工程的前期工作;另外,东汽G50燃机采用完全自主化设计、制造和调试运维技术,已实现满负荷运行,并同步开展了2个工程项目的示范应用,也为重型燃机的自主化发展提供了很好的借鉴。

  “十四五”期间,我国将继续采用双轮驱动模式,一方面继续加强先进引进型重型燃机的消化吸收,推动更大范围热部件的国产化制造能力,另一方面大力支持完全自主化机型的研发,完善基础体系,不断提升能效环保性能。通过开展工程化示范试验验证,我国有望在未来几年内继续取得重型燃机的技术突破。

  三、推动燃机装备技术发展的关键措施

  为了有力推动“十四五”能源领域科技创新,《规划》提出了8项保障措施,对于推动燃机装备技术发展具有重要意义。由于燃机装备技术研发难度高、技术风险大、经费需求多、持续周期长,以能源工程示范应用带动装备研发是十分有效的途径。因此,措施(三)即“推动能源科技成果示范应用”的相关内容尤其具有现实意义。

  该项措施提及“完善能源技术装备首台(套)政策,进一步细化落实容错机制等支持措施”,预计容错机制能够更加清晰地界定“尽职免责”的原则,在一定程度上减少投资方在投资决策风险、技术决策风险等方面的顾虑,更加积极地应用国产化燃机装备。

  该项措施提及“鼓励地方制定细化首台(套)重大技术装备支持政策,经国家认定的首台(套)重大技术装备示范项目,根据实际需要适当给予优惠和支持”,则有利于帮助相应项目改善经济性,通过优先调度、气价优惠、资金支持等方式对冲国产化燃机在投资、建设周期、效率、检修成本等方面可能存在的劣势。

  该项措施提及“鼓励用户企业建立健全首台(套)评价标准,在确保安全的前提下以‘凡有必用’原则推进能源首台(套)技术装备示范应用。研究建立能源产业技术装备推广指导目录,向市场推广经过示范验证的先进能源技术装备”,该措施将有效推动国产化先进装备的应用,更好地分摊研发成本,提升研发企业对于市场的预期和信心,并激励研发企业在先期研发、长周期研发中投入更多的资源。

责任编辑:周小博  投稿邮箱:网上投稿

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