无缝助力能源安全和电网稳定 看GE 7F DLN2.6+ Flex技术如何助力美国加州成功驾驭“鸭子曲线”

美国加利福尼亚州（以下简称“加州”）素有“阳光之州”的美誉，拥有丰富的太阳能资源。太阳辐射强，日照时间长，平均日照峰时超过五小时。 

此前，热电厂为了满足高峰时间段的用电，会有计划地集中并网发电，加州的电网基本负荷曲线（最低电力供应）看起来就像驼峰，有中午和晚上两个高峰。

然而在过去的十年中，加州太阳能发电量增长了约13吉瓦，可再生能源的快速增长导致加州一天当中的电力净负荷情况从过去的“驼峰曲线”变为了“鸭子曲线”。

“鸭子曲线”产生的主要因素是光伏发电量在中午时达到最大，在傍晚没有太阳能时消失，但此时的电力需求却急剧上升。这意味着热电厂在早上工作量一般，白天则基本较空闲，而到傍晚时分就必须迅速增加发电量。这就形成了一个脸朝右，臀部丰满、后背倾斜、脖子细长的“鸭子”形基本负荷曲线。根据加州通过的新法案，可再生能源发电比例将在2030年达到50%。届时，“鸭子曲线”的背部会更低，脖子会更长。

“鸭子曲线”形象地表示出加州一天24小时中的热电厂净负荷情况

不过，鸭子曲线’听起来有趣，但想驾驭它却不容易。常驻亚特兰大的GE发电燃气轮机技术专家Alexander Pistner表示：“加州燃气发电厂担当着当地电网‘稳定器’的角色，可以在光伏电站发电量不足时提供基础负荷，平衡高峰和低谷期的用电供需波动。”

Pistner解释道，加州的许多燃气发电厂都是在太阳能和其他可再生能源加入电网之前建造的，机组在最初设计的时候，都是基本负荷（base load）全天候运转。一般来说，它们在高负荷运行，或者连续供电数天的情况下，都能提供比较好的燃料经济性和实现较低的排放。然而，随着可再生能源的并网，燃气电厂需要频繁停机。不停机时，也会在部分时间负荷运行。由于偏离了最初的设计，联合循环机组的效率比较低，经济性比基本负荷要差很多，度电气耗更高。类似汽车在高速公路上高速行驶时，每公里燃烧的汽油较少，排放的废气也较少。在市中心行驶时，需要反复刹车和低速行驶，油耗高，排放的废气也更多。更何况，燃气发电厂不能像一盏灯一样可以随意打开或关闭。

那么，有没有一种解决方案可以帮助电厂应对日益陡峭的“鸭子曲线”呢？针对这种现象，GE推出了7F DLN2.6+ Flex燃机升级方案，使燃机即使在“城市路况”中也能够实现“高速巡航”时的效率和排放。

GE Derrick Simons带领的团队设计了一种轴向燃料分级（AFS）技术，将燃机内天然气和加热空气的燃烧分为上游和下游两个独立的区域。在Simons看来，将燃烧分为两个区域，可以将相对较冷的燃气和加热的空气火焰注入较热的下游区域。此举可以提高火焰的温度，从而控制燃机的排放量并提高其燃烧效率。“它的工作原理有点类似于喷气式飞机的加力燃烧室，你可以通过向下游注入额外的燃料和空气来优化其性能。”Simons解释道。

如果你在实验室使用过本生灯，你就会知道如何通过调节空气流量来改变火焰 – 从翻滚的黄色火焰到喷射的蓝色火焰。黄色火焰燃料富余而空气不足，温度较低。蓝色火焰由于空气的比例更高，因此，燃烧猛烈，温度较高。

燃气轮机的工作原理与此类似。当燃机启动时，其以一种相对低效的、富含燃料的低温火焰燃烧气体，产生相对较高的一氧化碳气体排放。轴向燃料分级技术增加了进入火焰的空气流量，提高了火焰的温度。这使燃机能够在并网后迅速达到高效率和与基本负荷模式等同的超低排放。就好像一个不需要预热，能迅速加热的烤箱。

但工程师们必须保持一种微妙的平衡。较热的上游火焰可能会在部分负荷运行时减少一氧化碳排放，但通常会产生更多的氮氧化物。这就需要注入更多燃料，使下游火焰燃料比例更高，从而在高负荷运行时控制氮氧化物的产生。Simons表示：“轴向燃料分级技术使我们能够在一氧化碳、氮氧化物超低排放和高效率兼具的最佳状态下运行。”

除此之外，此次升级还利用了3D打印来制造一些关键的部件，包括AFS燃料喷嘴和AFS空气旁路。3D打印的零部件更为精细，能让燃烧室实现更高效率的燃烧。

7F DLN2.6+ Flex升级的最大优势，是提高了燃机的部分负荷能力，可以在实现低排放的同时，有出色的燃料经济性。此次升级预计能够帮助GE在加州的7F燃机，在只有25-50%时间运行条件下，每年可以减少25%的燃料消耗，同时减少20%的排放，这相当于减少3000辆汽车一年的排放量。

随着可再生能源在未来能源格局中扮演着越来越重要的角色。作为电网“平衡器”的燃气发电也将与可再生能源有更多“互动”，一个新的市场正在出现。Pistner表示，全球大约有900台7F燃机在运行，其中大约有200台有着潜在的升级需求。“首先是北美，其次是拉丁美洲、亚洲，这些地区的可再生能源普及率都在不断上升。”Pistner进一步讲道。目前，GE轴向燃料分级技术已经应用在四款燃机系列产品上，包括7HA、7EA、9E和9HA.02。

“可再生能源正在成为未来能源的中坚力量，而我们的升级方案则为电厂带去了它们亟需的灵活性。换句话说，加州电网可以安心地从‘骆驼’过渡到‘鸭子’，告别愁眉苦脸了。”Pistner讲道。