摘要：通用电气发布中国气电白皮书，燃气轮机发电如何助力零碳未来
近日，GE燃气发电集团发布了全新中国气电白皮书《加速燃气轮机发电增长 迈向零碳未来》（下称“白皮书”），对碳中和目标下的电力行业变革，以及如何实现大幅度减排，提出了技术路径方面的建议。
2020年，中国提出力争于2030年前碳达峰，努力争取2060年前实现碳中和。这意味着，中国从碳达峰过渡到碳中和的时间只有短短30年，远低于欧美、日本等发达国家。
由于全球温室气体排放量的41%来自电力行业，因此，中国要实现“双碳”目标，电力系统的低碳变革势在必行。
白皮书正是在此背景下，提出加速燃气轮机发电和可再生能源的战略性部署，精进低碳或接近零碳发电的技术，不仅可以快速地实现大幅度减排，还将助力中国新型电力系统的建设和“双碳”目标的实现。
统计数据显示，电力行业的碳排放占全球碳排放总数的41%。因此，电力系统的低碳变革势在必行，而其中的关键在于用绿色创新技术替代传统技术。
一直以来，我国的发电形式是以高排放的燃煤火电为主，尽管过去几年，我国一直在坚定地降低煤炭消费，但“富煤、少气、缺油”的资源条件，决定了目前我国的能源结构依然是以煤炭为主。这时候，如何通过能源技术创新，平衡减碳目标和经济发展，成为中国能源转型急需解决的问题。
白皮书提出，“双碳”目标下，作为未来新型电力系统的重要支撑，燃气轮机发电的地位会愈发重要——其便于接近负荷中心，提高供电可靠性，是替代传统煤电的基荷能源和保障电力系统安全稳定可靠的环保低碳能源。
相较于煤电，清洁低碳是气电的天然优势。尽管也属于化石燃料，但在所有化石燃料中，天然气机组的二氧化碳排放量是最低的——联合循环燃机电厂的二氧化碳排放量是同类燃煤电厂的50％，且具备更低的污染物（例如汞、氮氧化物、硫化物、颗粒物等）排放水平，是代替传统燃煤发电的理想选择。
白皮书通过列举欧盟、日本等发达地区和国家对电力行业进行的变革方式，阐述了气电对环保和减碳的具体贡献。
比如欧盟在1990到2018年间，累计减排约1400兆吨二氧化碳当量，其中电力行业减排了近500兆吨二氧化碳当量。在这段电力行业变革中，传统煤电发电量从总发电量的40%减少到20%，天然气发电量则增长了三倍，从原先的少于7%增长至总发电量的18%。
再比如在当前全球天然气第一大进口国日本，天然气发电已经成为其电力供应的主力军，发电量占比高达37%，超过其他所有类型的发电形式。
而在中国，以天津军粮城煤改气的9HA.01电厂为例，相较于原燃煤电厂（30万千瓦标准脱硝至25ppm），按全年利用小时4500小时测算，二氧化碳每年减排180万吨，NOx每年减排270吨，SO2每年减排260吨，烟尘每年减排280吨。
“在中国，燃气轮机发电也可以助力实现双碳目标，”GE燃气发电集团中国区产品技术总经理阎福华对记者说，“未来低碳、零碳排放的燃机技术路线图，基本可以分五步走。当然，这中间会有燃烧技术、材料技术、控制技术以及氮氧化物的控制技术等很多难题需要突破，但我们很有信心。”
在白皮书中也提到了零碳排放的燃机技术路线图。第一步，如果用天然气技术来替代煤电，可以减少45%的碳排放强度；第二步，如果利用现在最先进的HA燃机来替代煤电，可以减少60%的碳排放强度；第三步，HA联合循环和50%的烧氢能力结合起来，可以减少69%的碳排放强度；第四步，HA联合循环加上碳捕捉技术，90%的碳用碳捕捉技术捕捉掉的话，可以减少97%的碳排放强度；第五步，2030年前，GE HA燃机会具备100%的烧氢能力，最终实现零碳排放。
上述提到的HA级燃机，是GE迄今最高效，也是销售增长速度最快的燃机产品，目前HA级燃机已在全球20个国家收获超过130台燃机订单。截至2022年5月，全球已投运的GE HA级燃机机组总运行小时数已突破130万小时。
HA级燃机不仅创造了全球最高效50赫兹电厂和60赫兹电厂的吉尼斯世界纪录，更有着出色的效率和可靠性。
据记者了解，目前在全球，包括美国、澳大利亚、中国都有HA燃机项目在执行中。比如在中国，粤港澳大湾区就开始使用9HA燃机。在2020年进博会期间，GE签订的东莞宁洲项目，预计在2023年投产。这一采用3台GE 9HA.02的燃气电厂，将成为国内最大的燃气电厂，也是粤港澳大湾区节能减排、产业升级的重点项目。
而于2021年1月投运的中国首个9HA.01燃气轮机电厂——天津华电军粮城电厂，自投运以来，电厂运行效率更是远超预期，联合循环效率达到63.36%，是目前国内投运的HA级燃机机组中效率最高的。
对于如何进一步减少碳排放，白皮书中则建议，在有条件的地区支持率先开展燃气轮机掺氢示范或CCUS示范。
“国家在今年年初出台了《氢能产业发展中长期规划(2021-2035年)》，这实际上打开了另一个窗口，如果氢能在技术上能够有所突破，形成规模效应并降低成本，那么氢可能会成为能源转型的一个长期技术，”GE燃气发电服务中国区总经理许欣对记者说，“燃气轮机掺氢燃烧不仅可以解决减碳的问题，也是解决能源安全的可行路径。”
目前，GE在全球已有超过100台采用低热值含氢燃料机组在运行，累计运行小时数超过800万小时，其中部分机组的燃料含氢量超过50%。在中国，GE也已经有十几台燃烧高比例氢燃料的燃机在钢厂、化工厂运行。去年，广东省能源集团旗下的惠州大亚湾石化区综合能源站订购了两台套GE 9HA.01重型燃气轮机联合循环机组，2023年项目投产后，两台燃气轮机将采用10%（按体积计算）的氢气掺混比例与天然气混合燃烧，成为中国首座掺氢燃烧的9HA电厂。
“烧氢本身并不是一个全新的技术，但对于GE来说，我们是要争取在2030年实现所有燃机主力机型都实现更高比例的掺氢燃烧，HA级燃机做到100%燃氢。”许欣进一步指出。
燃机发电是可再生能源发电的最佳补充
而在新型电力系统中，气电的角色远不止于此。
在建设新型电力系统的大目标下，目前中国可再生能源的比例不断提高，煤电装机预计在“十四五”期间达峰，风电，光伏发电则要在2030年累计装机达到12亿千瓦。
电力系统正通过加快构建新型电力系统以实现快速深度转型，而可再生能源在间歇性、波动性和不稳定性的特点之下，预计电力需求和电力系统的灵活性需求也将随之增长，这都意味着灵活、可靠、可负担的气电，在未来十年乃至到碳中和时期，将在中国的电力系统中扮演更加重要的角色。
据了解，燃机发电灵活且可调度，可以快速可靠上网，调整出力水平，根据需要平衡供需。它们可以根据电网的需求在一天中、一周或一个月的时间内以及季节性（无论何时需要）的变化来调峰。当部署更多不可调度的风能和太阳能时，这种灵活性对于保持电网稳定性尤其重要。无论什么时间、什么天气状况，燃气轮机电厂都可以运行并根据需求提供可靠的电力。而风能和太阳能的可用性并不总是与需求相一致。比如风场装机100MW，但电网在需要时其由于风力较弱只能发20MW，那么可靠容量系数只有20%，而根据GE测算，燃机发电的平均可靠容量系数可达到84%。
“可再生能源大量接入，对电网的支撑会提出更高的要求，而燃气轮机具备启停快、升降负荷能力强、调节性能出色等优势，在电网应对大量可再生能源的不稳定性、间歇性所带来的种种挑战面前，相比储能、抽水蓄能等灵活性电源，燃气轮机发电是响应特性、发电成本、供电持续性综合最优的调峰电源，是可再生能源发电的最佳补充，”许欣说。目前各区域正在研究在天然气和风、光资源富集区配套建设一批燃机调峰电站，而灵活高效的天然气分布式能源站也将为产业园区、物流园区、旅游服务区、大型商业设施、交通枢纽、学校、医院等区域供能提供可靠支撑，这些都会成为燃机发电在新的场景下的应用。
在此之前，燃气轮机发电在我国沿海的珠三角、长三角以及经济相对比较发达的京津冀三个区域相对比较集中，其中广东省已是全国气电装机容量最高的省份，许欣认为，在“十四五”期间，大湾区的气电将持续增长。
此外，随着大量可再生能源在西北地区逐步发展，通过可再生能源制氢，产生的氢通过燃气轮机就地发电，又可以与可再生能源互为补充，提高电网的稳定性，燃气轮机在西北地区就会有更大的发展空间。
据记者了解，为了更好地服务中国市场、推动燃机的国产化进程，GE多年前就已开始布局。先是在轻型燃机方面，与华电合资成立华电通用轻型燃机设备有限公司，作为GE分布式能源设备的全球制造基地之一，为航改型燃机的国产化进程提供有力支持。
在重型燃机方面，GE与哈电合作，在河北秦皇岛建立了燃机制造基地，生产HA级重型燃机。惠州大亚湾石化区综合能源站订购的9HA.01燃机机组就正由该基地生产。
在工业类燃机方面，GE也与本地合作伙伴南汽一起不断推进6F.03、9E燃机的本土化。
“燃气轮机发电作为实现降碳目标的重要组成和电网安全的可靠支撑，将为中国电力领域的减排贡献巨大力量，GE燃气发电集团凭借深耕中国市场多年的经验，将携手本土合作伙伴不断引进先进的燃气轮机发电技术，推动中国燃机的本土化发展，促进产业链升级，为建设新型低碳电力系统持续提供支持。”许欣表示。
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