大家好,2023年3月10日星期五,欢迎收看第561期睡前消息,请静静介绍话题。
前天3月8日,广东清远的天然气能源站有一台50兆瓦燃气轮机完成了运行测试,正式投入商业使用。这台发电机在今年1月3日第一次上网发电,过去几个月,从测试到发电再到商业运行,新华社和其他媒体一直说这台机器是“争气机”。
对于中国的官方媒体来说,“争气机”是一个有特定概念的名词,用来形容弥补国内产业缺口的技术突破,往往对应从无到有的技术设备。比如说 “银河”巨型计算机、“曙光1号”计算机、“天河一号”超算机、歼十、空警2000。这些几年出现一次的重大技术进步才能得到“争气机”的冠名。
现在国内主流火电站的单台机组功率已经达到1000兆瓦,为什么50兆瓦的燃气轮机也被称为“争气机”?
燃气轮机是第二次工业革命的顶峰技术。中国在19世纪和20世纪落后世界太远,现在虽然已经摸到了信息时代的门槛,还是经常被之前的技术缺口限制发展空间。这台50兆瓦的发电机的确功率不大,从技术上说也只是发达国家的常用机型水平,但能实现完全国产化,而且稳定运行到可以商业并网发电,解决了中国军民两方面的重大缺口,也为将来追赶先进技术提供了平台和利润,所以算是“争气机”。
现在全球30%发电量在中国,每年发电量是8.4到8.5万亿度,而美国只有4.3万亿,总量方面已经有绝对优势了。
但是,中国人口多,能源稀薄,而且实体经济耗电多,接下来还要考虑人均发电量问题。就算考虑到将来人口会快速下降,起码也要再加5到10万亿度电,才能和美国比人均。
这新增的5到10万亿度发电量,肯定会在现有的发电工业基础上发展。但是考虑到能源结构和发电质量,各种发电模式的比例肯定和现有电力工业有明显区别。
当前国内比例最大的发电模式是烧煤。2021年的8.5万亿度电,有超过5万亿度来自煤炭热电厂,占全国60%。为了支持发电,2021年全国消耗了44亿吨煤,至少22亿吨用于发电。如果保持目前电力生产结构,新增的10万亿度电,就要多消耗电煤25.8亿吨,就算把国际市场上交易的十几亿吨煤全买来也不够用。
中国国内的煤田当然还有开发潜力,但务必记住采煤是是要死人的,无论怎么注重安全生产,在充满瓦斯和地下水的几百米深处挖煤,就是用一定比例的人命换来城市的稳定供电。井下挖煤的危险性就不用说了。就算是露天采煤相对安全,不知道有多少观众还记得,几个星期之前的2月22日,内蒙古阿拉善左旗露天煤矿刚刚埋了50多人。进入3月以来,我还没看到阿拉善煤矿有任何官方报道,这说明大多数遇难者现在连尸体在哪都不知道。
限制煤炭开采的另一个问题是水。煤矿开采会导致地表沉陷、地下水位下降,而且煤炭必须要用水洗才能成为合格产品。目前我国14个大型煤炭基地,有11个分布在干旱、半干旱地区,从供水能力看,未来也不可能再增加二十多亿吨产能。这两年经济危机,我们暂时降低了对新能源的乐观期待,甚至降低了之前对“碳中和”的规划标准,回头给煤矿增加了更多的生产压力,但是从长期来看,就算不考虑环保,煤炭发电也必须在几年内达到生产顶峰。
之前的规划是2030年要“碳达峰”,现在看目标也许有所推后,但也必须承担相应的国际压力。从长期来看,控制碳排放对所有人都有好处,中国还是要找其他方面的发电增量。
2021年1-12月中国火力发电量产量为57702.7亿千瓦时 华东地区产量最高(占比34.1%)
国家能源局发布会:2021年全国煤炭产量达到41.3亿吨,比2014年增加2.6亿吨
2021年中国动力煤产量、消费量、消费结构、进出口及价格走势分析
《2018煤炭行业发展年度报告》发布:电力行业全年耗煤21亿吨左右
过去中国说到清洁能源,主要方向是建水电站,现在第二大发电方式也是水电。2021年水电发电量1.34万亿度,占15.7% ,这体现了中国的地理优势。中国有一个面对印度洋的世界屋脊高原,每年自然风送到山顶的水蒸气可以支持经济发展,水力资源世界第一。
但是通过过去十几年的爆炸式基建,适合搞水电的山谷基本上都已经占满了,未来建水电站,为每度电付出的代价要指数上升,而且在扩张到每年2万亿度之前,就会达到地理上的极限。
另外,去年夏天四川重庆的停电问题很严重,现在应该还有观众能记得当时打不开空调的绝望感。这里面一部分原因是水电季节性波动大,丰水期窝电送不出来,枯水期正好和空调用电高峰撞上,制造停电危机。所以未来发电量再翻一番,必须考虑其他方案。
接下来是核电和和风力发电、太阳能发电,这的确是最环保的供电方式,最近几年增长也很快。但这些电力供应或者不稳定,或者有巨大的潜在危机,必须有其他供电方式做强力辅助,才能发挥作用。
比如说,风力和光伏发电,从生产方到电网再到用户,所有人都抱怨新能源发电太不稳定。比如说,风电发电高峰在凌晨,午后是发电低谷,单日内波动幅度最高能到80%;而光伏发电高峰是中午,之前之后都会回落,震荡波幅达到100%。这意味着风电光伏供电高峰往往和用电高峰错开,必须有其它发电设施进行调峰才能用。
核电发电倒是很稳定,但除了潜在安全问题之外,调节功率的响应速度也不能解决新能源的波动。平时核电通过控制棒实现阶梯式启停,柔性调整功率要靠调节硼酸盐溶液浓度来实现。一般来说,核电最经济的运行方式,就是维持额定功率输出,按计划进行周期性检修。
比如说,法国核电比例高,经常用核电厂参与调峰,平抑新能源和用户的供求矛盾,结果就是平均每年非计划停堆小时数,远高于其它国家机组,从使用方式来说,这是中国的反面教材。从全世界来看,一个地区如果核电占比高,供电灵活度就会下降,反而需要更多的应急电源来调峰。
总而言之一句话,发电量越大,越是需要一定比例的预备发电能力,能随时启动随时叫停,而且保持安全性,否则发电和用电的波动会抵消电力经济的好处。
过去国内主要用煤电、水电调峰,但从自然条件看,火电、水电都没法再大规模扩张,而且水电有季节性波动,各地调峰小火电污染大,都不适合越来越大的经济规模。中国在发电量快速上升的同时,急需一种新的可靠调峰电源,给电力系统提供足够多的安全性。
睡前消息节目之前介绍过各种调峰电站的尝试,比如利用重力的抽水蓄能,利用退役汽车电池的的电化学储能,利用现有矿井的岩穴储能。但这些电站也需要特定的地理环境,需要适应其他产业的波动,都不能随便扩大规模。最后,通过排除法可以发现,最可靠,最环保,最及时的发电预备队,是燃气轮机热电厂。
进入21世纪以来,中国发达地区已经在大量建设燃气轮机电厂了,这次上“争气机”的地方,也是用电高峰广东省。过去我国重型燃气轮机长期依赖进口,最近十几年,国内加大对重型燃气轮机的研发投入,终于在东方电气集团的50兆瓦燃气轮机上拿到了段性成果。
510期,我们分析过燃气轮机需要的技术层次。连俄罗斯都造不出工业用的重型燃气轮机。俄乌战争之后俄罗斯被制裁,只能求伊朗制造德国燃气轮机的山寨货才能维持天然气生产。
造燃气轮机,和其他火力发电机有什么区别?
看燃气轮机的剖面图,左边的压气机叶片压缩空气,送进燃烧室和燃料混合燃烧,然后在高温涡轮处膨胀做功,带动整个发电机旋转,发电的同时也吸入更多空气。
其他利用热能的大型发电机,往往是用一种或者几种液体或者气体当中介,把能量传给发电部件。而燃气轮机直接把发电部件和燃烧室连接在一起,所以最难稳定运行。
对于民用发动机产品来说,热效率越高,市场竞争力就越强。而从最基本的热力学原理来说,提升燃气轮机热效率,主要办法是增加做功气体的温度。具体到燃气轮机的运行,要控制两个指标,一个是涡轮进气温度,也叫燃气初温;另一个是提高压气机对空气的压缩比例。
这里面最核心指标就是燃气初温,燃气初温越高,效率越高,发动机功率重量比(比功)也越高。同等条件下,燃气初温平均每提高100度,热效率能提高2到3个百分点,输出功率能提高20%以上,所以燃气轮机等级就是按照燃气初温划分的。这次中国解决国产化的F级燃气轮机,是发达国家的民用主流机型,热效率能达到35%。
重型燃气轮机有2万多个零部件,按运行温度,可分为燃烧室之前的冷端部件与燃烧室之后的热端部件,热端部件直接面对高温燃气,是燃气轮机最核心的技术。过去中国燃气轮机工业长期落后,根本摸不着F级设备的边。二十年前,国家决定像高铁那样,用市场换技术,引进一批F级燃气轮机产线。
从2003年3月起,发改委组织了3次“打捆招标”,引进120兆瓦E级与260兆瓦F级燃气轮机六十多套。东方电气、上海电气、哈尔滨电气分别与三菱、西门子与通用电气展开合作,各自研发。前几年的消息,东方电气集团已经把国产化率提高到79%。
但外国企业向我国转让的技术,基本都局限在冷端部件制造和整机装配这些低附加值环节,燃气轮机设计、热端部件制造、控制系统这些核心技术,发达国家希望中国能进口就可以了。
所以这些进口的重型燃气轮机,一旦动叶、静叶、护环、燃烧器这些热端部件出问题,只能靠原厂商,或者被授权的维修企业进行检修,费用必然很高。在控制系统方面,由于检测点与控制逻辑开放度很低,只能靠原厂商做燃烧调整,发电企业很难确保机组的燃烧脉动已经降到最小,不能自己开展异常诊断、分析,影响了到生产安全。
中国买这些燃气轮机,就是为了做发电预备队的,用来调节新能源发电的峰谷,所以燃气轮机机组经常频繁启动停机,工作环境跟原厂设计条件不同。这也导致维修周期、使用寿命缩短,进一步增加了发电企业运行成本。十几年来,从制造厂到用户,中国社会一直在推进重型燃气轮机自主国产化。
前面说了,越热的燃气轮机,效率越高。热端部件国产化,在设计、材料、加工工艺方面最大的挑战就是高温。燃烧室与高温涡轮不仅运行时要承受高温,还要在频繁开启、关停过程中承受温度剧烈变化击,工作条件恶劣,是决定燃气轮机寿命的关键部件。
在热端部件中,燃烧室火焰筒与高温涡轮叶片的工作条件最差,要用镍、钴基材料做成高温定向结晶甚至单晶合金。但发展到现在的主流机型,工作温度还是超过了金属合金熔点,必须上更多的技术手段维持工作温度。
在所有的热端部件中,技术难度最高的是高温涡轮叶片。
燃机涡轮叶片分为静止叶片和转动叶片,简称静叶和动叶。静叶是固定在燃机结构上的叶片,是定子;动叶就是与涡轮轴一起旋转的叶片,是转子。功能上静叶负责组织燃气轮机内部的流场,起到喷嘴的作用,让气体以最佳角度吹到每个动叶叶片上,因此在燃气轮机中,静叶与动叶间隔布置,一组动叶与一组静叶加一起叫一级。
高温涡轮一般有三到四级,高温高压燃气从燃烧室喷出后,首先要通过一级静叶调整,静叶会将燃气加速、膨胀,从而降低燃气温度,之后再吹到一级动叶上。所以高温涡轮一二级叶片,尤其是一级静叶与动叶,工作环境最恶劣。为了提高零部件性能,一方面要在材料表面额外加复合材料隔热涂层,另一方面要通过精巧的结构设计,在零部件内部实现空气冷却,还要在零部件表面留气孔,在运行时低温空气从气孔中排出,形成隔热气膜。
简单地说,我们追求燃气轮机的工作温度,最后导致温度高到燃气直接吹到叶片上会破坏叶片。我们必须在机器内部维持精密而脆弱的运行状态,才能连续生产。
具体到这次东方电气集团的G50燃气轮机,因为定位是市场主流的F级,所以工艺上选择了成熟的等轴晶铸造,还不是发达国家的高技术。
但即便是国际市场上成熟的技术,中国国内也缺乏配套产业链。从2009年起,东方电气承建了国家能源部“高温部件实验室”,全面引进了一批设备,包括压蜡机、压芯机、自动制壳线、真空定向凝固炉、蓝光三维扫描测量仪、陶瓷型芯烧结炉、X射线数字探伤仪,用几年时间建成了一条中试线,掌握了燃机高温部件批量生产能力,打通了G50燃气轮机制造技术的关键环节。
这次运行的争气机G50燃气初温是1300多度,指标上基本追平了十几年前的国际水平。目前国际最先进的J级工业燃机,燃气初温已经超过1600度,正在研发1700度以上,能烧氢气的下一代燃气轮机。
业内预计,到2025年,国内能在G/H级重型燃气轮机方面取得技术突破,到2035年自主重型燃气轮能机形成品牌系列,到2050年追平世界先进水平。国内工业燃气轮机还有很长的路要走。
但我们还要说,G50是当之无愧的“争气机”,因为G50项目最大的意义不是产品本身,而是在国内建成了一套完整的重型燃气轮机的研发配套设施,这是产业继续发展的基础。
过去几十年,国内燃气轮机基本都是靠各大学和科研机构分散研发,没有大型研发设施,各单位都是在用小型设备做低水平重复工作。收集到的技术参数很散乱,支持不了长期发展。
最近二十年,国内开始重点攻关燃气轮机技术,逐步扭转了之前散乱的行业局面。“十五”期间,科技部通过863计划开展了110兆瓦R0110重型燃气轮机设计研制工作;2007年又在973计划中部署了“两机专项”。谁能揭榜解决其中一项技术问题,肯定可以拿到一个院士身份。
最近十几年,项目相关单位配套建设了一批研发设施。比如,中船重工703所与东方汽轮机公司分别建成了25兆瓦级多级轴流压气机试验台。给G50燃机做配套研发的西安交大,也建设了五个大型实验验证平台,包括转子轴承实验平台、流固耦合实验平台、燃烧实验平台、大型高温叶片综合实验验证平台、长寿命高温材料实验平台。
其中西交大自主研制的梯度热冲击试验装置,最高温度和温升率指标都达到国际领先水平,不仅给大型叶片热障涂层做了实验验证,还给空天飞机做了高温实验。这些配套设施,是中国到2050年冲击世界先进燃气轮机技术的基础。
中国其他火力发电设备都已经可以自称达到国际先进水平了,为什么燃气轮机到了2023年,还在追赶发达国家的主流成熟技术?
一方面是因为燃气轮机的工作条件恶劣,另一方面也是因为我们过去不了解大型复杂设备对企业结构的需求。
如果中国过去能早点认识到行业托拉斯的研发引领作用,中国现在可能已经在冲击H级燃气轮机的原型了。
建国后,国内经济计划首要任务是承接苏联工业转移,“156项工程”实际落地154个,其中电机工业分到15个厂、17个项目,中国是打算在电机工业搞一批大型央企来引领产业升级的。
50年代,政府已经意识到,苏联工业高度集中、垂直管理存在问题,加上苏共二十大全面批判斯大林模式,所以在1956年周恩来主持召开了国务院体制改革会议,准备将一部分管理权限下放到地方与企业。
这些改革如果落实的好,可以解决一些垂直管理的僵化问题,让地方超级企业拥有充足的管理权。但紧接着1958年“大跃进”制造了混乱,国务院直属事业单位直接从9300多个减少到1200多个,各大企业的管理权限下放过头了。
从工业来看,各省、市的厅、局,中央各部门都要干涉经济,这也许在基础的钢铁、建材行业有一定的合理性,但对于需要产业升级的大工业,不是个好消息。1962年七千人大会的报告评价说,各层次都管经济“不仅不是社会主义的办法 , 连资本主义的办法都不是, 是落后的封建主义办法”。
从1963年起,中央决定对工业管理体制进行改革,着手组建一批托拉斯企业。国家经委党组在1964年6月起草了《关于试办工业,交通托拉斯的意见报告》,经周恩来修改后正式发布。
当时电机工业归一机部管理。一机部整顿了大跃进造成的混乱后,通过组织摸排调研,分析国内外产品发展情况,认识到技术差距,起草了电机行业的托拉斯筹办计划,准备将苏联援建的企业,按照东北、西北、上海三个地区,合并成三个托拉斯。与此同时,国内开始三线建设,将德阳水电设备厂选为三线重点工程,由当时国内电机行业最强的哈尔滨电机厂援建,这就是今天东方电气集团的前身。
托拉斯试点刚开始的时候,国内又开始文革,开展群众运动。这在社会方面的效果我们不评价,但在经济方面,又再次干扰了复杂产业的升级,打乱了原有的托拉斯研发纪律。直到80年代,托拉斯改革才以组建联合公司的方式重新落实,形成电机行业哈气、上气、东气三个大集团,一直延续到今天。可以说,中国电机工业的托拉斯化,迟到了20年。到这时候,中国才能考虑重型燃气轮机的国产化研发。
但是,中国这时候其他行业也在产业升级,消耗了大量的本国石油和天然气,中国从油气出口国变成了进口国。所以国家调整能源政策,几乎所有燃气轮机都被封存,相关项目全面下马。
80年代是国际燃气轮机高速发展阶段,国内外技术水平被进一步拉大。直到21世纪初,中国有了稳定的油气供应,也对下一步电力工业的发展有了明确规划,中央机构才重新重视起燃气轮机产业,通过“打捆招标”,用市场换技术,并立项开发国产燃机。十几年发展之后,东方电气终于造出G50“争气机”,走到了国际成熟技术的门槛上。
现在东方电气推出的G50燃机只是个原型,在这个原型基础上,接下来几年还会进一步衍生出更大功率的重型燃机,以及更小功率的轻型燃机。
和国际垄断企业建设了几代人的产业生态相比,国内用十几年时间发展的燃机产业还存在不少薄弱环节,是需要精心培养的种子。所以,中国未来必须注意避免过去几十年大起大落的管理问题,耐心研发,耐心追赶,可以预期再用一两代人时间追平国际先进水平。
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