杨勇平院士：燃气轮机在构建新型电力系统中大有可为

2024年7月11日，由中国动力工程学会、中国航空学会、中国科学院工程热物理研究所和决策者智库联合主办的GTF2024第十一届航空发动机和燃气轮机聚焦大会暨展览会，在中国(成都)西部国际博览城·9号馆隆重召开，大会同期举办：2024燃气轮机聚焦大会、2024航空发动机聚焦大会、2024气电创新发展聚焦大会。GTF2024作为一年一度的“两机”人大聚会,荟聚了最新技术、最新产品和最具创新精神的“两机”企业风采展示,备受学术界与产业界关注,是国内航空发动机和燃气轮机领域规模最大、产业链最全的大型会议和展览。

来自相关政府部门领导、两院院士、科研院所及高校知名专家、教授、“两机”产业链头部企业高层等200位演讲嘉宾领衔出席，600+企事业单位共聚一堂，5000+“两机”人齐聚盛会，共同探讨航空发动机和燃气轮机产业发展战略，分享前沿趋势洞察。中国工程院院士、华北电力大学校长杨勇平先生应邀出席本届大会并发表题为《燃气轮机在构建新型电力系统中大有可为》的报告。

中国工程院院士、华北电力大学校长，杨勇平

 报告原文如下 

尊敬的各位领导、各位院士、各位同仁，大家上午好！

非常感谢组委会的邀请，来参加我们一年一度的“两机”聚焦大会。我还是第一次参加这个盛会，深受感触。刚才听了我们三位老师的精彩报告，我个人也学到了很多东西，和大家一样受益匪浅。今天我将从另外一个角度关注燃气轮机，未来在构建新型电力系统中，燃气轮机将大有可为，扮演非常重要的角色。

首先介绍一下我国能源低碳转型和新型电力系统。在能源消费侧，我国2023年一次能源消费量达到了57.2亿吨标煤，是2003年的1.9倍，其中煤炭的消费量超过了能源消费总量的一半。去年全社会用电量达到了9.22万亿度，是我国20年以前的4.9倍，也就接近五倍。在能源供给侧，去年全国总装机是29.2亿千瓦，是2003年总装机的7.6倍，超过了我们用电量的增加速度，而且2023年一年新增装机3.3亿千瓦，相当于2002年以前我国所有的装机。去年10月，可再生能源的装机也历史性的超过了火电。

在能源电力技术创新方面，大家也都知道，现在我们出口的新三样，有光伏、电动汽车、锂电池，这些制造企业、头部企业差不多7成到8成都是我们中国的企业，也多次打破了世界记录。同时我们也创造了很多新技术，某些技术领域也处于领先地位，第四代核电高温气冷堆核电站也投入运行，火电、水电、风电、太阳能装机容量等，都是世界第一。

现在要建设能源强国，仍然面临许多挑战。一个能源消费持续刚性增长，能源供需平衡难度加大，新能源发展存在土地等要素保障不够、稀有金属等原材料依赖进口、消纳能力不足等问题，另外就是传统能源结构转型任务艰巨，亟需推动新能源形成对传统能源安全可靠的替代能力。面对这些挑战，建设能源强国要加快规划建设新型能源体系，主要包括能源产业体系、治理体系、运行体系和技术创新体系等。其中一个重点领域是要建设新型电力系统，包含源、网、荷、储。在“源”方面要多元互补，在“网”方面要坚强智慧，在“荷”方面要自主可控，在“储”方面要融合共享。

再展望未来，根据多家机构的预测数据，在2060年碳中和时电力消费可达20万亿千瓦时，至少是现在两倍还要多。现在的总装机容量是30亿千瓦，到2060年的时候，可能要达到100亿千瓦，是现在的三倍还要多。而且供给结构会发生很大变化，100亿千瓦中风电、光伏大约是70亿千瓦，核电、煤电、气电、水电等加起来是30亿千瓦，燃气发电可能达到3亿千瓦。

由此可见，建设新型电力系统，未来70%高比例风电和太阳能发电接入新型电力系统，发电小时数有限，电量缺口突出，电力供应安全存在挑战；风电和太阳能发电的波动性和随机性，使得电力系统在极端条件负荷支撑能力不足，难以满足电力平衡需求；高比例可再生能源接入，电力系统的调节幅度和调节速率要求高，电网调节能力不足，大规模消纳利用困难。面对这些迫切需求，燃气轮机具有启动速度快、发电效率高、调峰能力强等优势，且本身就有转动惯量，对维持我们电力系统稳定性非常有益。

燃气轮机是新型电力系统建设的一个重要支撑。我国燃气轮机从引进、消化吸收、再创新，现在一步一步迈上新台阶，初步实现了大功率（300MW，F级）重型燃气轮机的自主设计制造。特别是最近两年，我国在燃气轮机领域喜事不断。2023年东方电气的G50，今年我国自主研制的300兆瓦F级重型燃机的首台样机下线，还有东方电气的G15总装下线，以及最近报道国内首台的兆瓦级纯氢燃气轮机的整机试验验证等，这些都是我国燃机发展的重要里程碑。

燃机最大的优势，除了联合循环的高效之外，还具有灵活的调节能力。相比煤电机组3%的爬坡速率，燃气轮机简单循环可以达到20%，同时热态、冷态的启动时间也比煤电机组小一个数量级，这是它灵活性的优势。而发展灵活、高效、低碳的燃气轮机发电技术，亟需突破燃气轮机本体关键部件的设计方法与技术及燃气轮机联合循环发电系统集成设计等挑战。具体来说，对于简单循环，要想达到更高的灵活性，要发展高压比、高效率的燃气轮机的设计、制造及运行技术，包括燃气轮机本体设计、燃机叶片、定子、转子，气缸的材料、加工制造、装配调试，燃机动态调控与运维技术等，同时在不影响灵活性前提下，要大力发展简单循环系统的余热梯级利用及运行技术。而对于联合循环，要发展全工况高效、灵活的联合循环系统集成与运行优化技术。主要包括适应超低负荷的联合循环系统的设计与集成技术，顶、底循环参数高效匹配及安全运行技术，顶、底循环灵活的动态运行匹配技术，联合循环高效运行变工况策略，高效的低碳化技术等。

对于常规燃机联合循环，需要在现有基础上进行改造升级提高灵活性。而面向“双碳”战略与新型电力系统建设中的低碳、灵活、高效等需求，燃气轮机发展产生了新的应用场景与多样化的功能特性，亟需攻关一些关键技术。首先是燃料的变化，原来我们是天然气，现在有IGCC，煤合成气以及掺氢、纯氢燃机等；第二是工质的变化，原来供给主要靠空气，现在循环工质有二氧化碳，还有氮气，还有氩气等；第三是运行条件变了，快速变负荷、超低负荷运行，更高压力、更高/更低温度，更高冷却要求等。

结合这些新场景和新功能，今天我和大家分享几个燃气轮机的关键应用，一是煤气化重型燃气轮机和IGCC，另外重点说一下富氧燃烧的超临界二氧化碳循环发电系统，这个主要是考虑脱碳，就是低碳运行，怎么从源头上把二氧化碳拿下来。最后就是燃气轮机在卡诺电池储能和多能互补分布式能源系统中的应用。

首先，燃气轮机循环能够与煤气化相结合，协同实现高效、清洁、低碳发电。但系统结构复杂，单元之间高度耦合，系统集成难度大，需要构建煤气化重燃及IGCC的设计体系，从基础理论、关键技术和设计平台，开展煤气化重型燃气轮机及IGCC的关键技术研究。

其次，是富氧燃烧超临界二氧化碳的燃气轮机发电，主要考虑脱碳问题。通过透平侧富氧燃烧技术，CO2混合工质做功，系统冷端通过冷凝实现燃烧产物分离，并利用CO2近临界点压缩耗功低的特点，实现系统高效发电及近零碳排放，具有热力循环效率高、燃烧产物易分离、系统可灵活调节等优势。国内现在华北电力、清华大学等单位在开展这方面的研究，包括转子的叶片材料、热胀涂层，国外的东芝公司等，都在做研究，主要是高耐久性的热障涂层，还有一些耐高温的合金，包括叶片的冷却技术。美国建成了一个50兆瓦天然气示范机组，它压力是30兆帕，温度现在是600多度，达不到1000度，还有需要改进的地方。

另外，是储能领域的卡诺电池储能技术。卡诺电池是一种抽热储能技术，电能以热能的形式存储，然后再利用热能发电，实现电-热-电的存储与转化。可充分利用现有高效的燃机轮机机组与卡诺电池相结合，参与电网大规模储能与电力辅助服务，其循环形式、循环工质、储热介质具有多样性。这里说的高温热泵，可以采用燃气轮机来配合，采用布雷顿循环形式，通常使用氩气、空气和氮气等气体作为循环工质。这方面正在研发，有的在中试，有的已经在进行示范，不同的项目采用了不同的技术路线。所以通过卡诺电池技术，利用我们的燃气轮机也可以实现储能，可见燃气轮机在新型电力系统中的作用非常关键。

最后，是多能互补分布式能源系统，目前我们正在主持一个基金委重大项目，研究分布式能源系统中太阳能、热能、电能和化学能等几种能量的相互转化，有的是从热到电，有的是太阳能到电，然后电到热，比如热泵、电加热等，还有就是电化学，包括电解水制氢等。将来就是几种能量的相互转化，我们提出了要用高温燃料电池，加上微型燃气轮机，组成一个混合循环，这样系统效率可以突破70%。所以我们的燃气轮机在分布式能源领域，也有非常好的应用前景。

今天大致就跟大家分享这么多。作为低碳能源发展领域的关键，燃气轮机在建设新型电力系统中大有可为，是建设新型能源体系的关键组成，也是我国能源领域新质生产力的重点方向。亟需产学研深度融合和持续创新，大力推进产业全链发展，为建设能源强国奠定基础。谢谢大家。

（原文完）