探秘全球最高效环保燃气电厂

毗邻莱茵河畔，在靠近杜塞尔多夫市中心的港口区，一幢透明钢筋玻璃结构的高楼拔地而起，凭借其独特造型的建筑动态美，成为这座拥有62万人口、德国第七大城市的地标性建筑之一。这就是于2016年1月投入商业运营的劳斯沃德（Lausward）热电联产联合循环电厂（以下简称“劳斯沃德电厂”）。

在试运行阶段，劳斯沃德电厂最大出力达到603.8兆瓦、发电净效率61.5%，刷新了当时单轴配置联合循环发电机组的世界纪录；同时，配合300兆瓦的区域供热能力，这座电厂的燃料利用率超过85%。

高效节能

2012年5月，当地最大的供水、供气、供电和区域供热运营商——杜塞尔多夫公用事业局（SWD）决定通过交钥匙工程的方式建设全新的劳斯沃德电厂。一方面，新电厂需要实现气候保护、可靠供电和地区安全一体化能源的理念；另一方面，新电厂能快速响应当地电网调峰的需求。经对比，燃气蒸汽联合循环发电（CCPP）成为了SWD最终的选择。

CCPP的核心设备是燃气轮机，而西门子则是世界上为数不多、掌握燃气轮机核心制造技术的厂商，基于其德国Irsching4全球首个联合循环发电净效率突破60%大关的电厂项目，以及本身的品牌效应，西门子最终成为了劳斯沃德电厂总承包商和发电机组供货商。

劳斯沃德电厂坐落在已退役燃煤电厂的废气处理塔旧址上，根据矩形建造面积，西门子采用了燃气轮机、发电机和蒸汽轮机单轴结构的设计理念，实现了场地利用最大化和占地紧凑化。

整个电厂为单台机组布置，包括SGT5-8000H燃气轮机、SST5-5000蒸汽轮机、SGEN5-3000MW发电机和Benson直流余热锅炉等在内的主要设备各一台。“除区域供热功能以及燃气轮机的额定功率高出50兆瓦外，劳斯沃德电厂与Irsching4电厂配置完全一致。”西门子股份公司发电与天然气集团首席技术官赵作智告诉记者。

据介绍，西门子将电厂发电机组取名寓意美好象征的“Fortuna”，但其并没有将命运寄托于这位罗马神话中的幸运女神。建设过程中，凭借高效的发电技术和建设大型电厂方面的丰富经验，西门子针对电厂的组件设计、材料选用、机组整体构造等不断改进与优化，达到各组件的完美匹配。“这对电厂的发电能力和效率水平起到巨大的提升作用。”赵作智表示。

赵作智强调，为保证H级燃气轮机机组在出力、效率和灵活性等方面更具领先性，西门子一直围绕“进气容量”、“压缩比”、“燃烧温度”三大技术指标寻找破解的方程式。“作为西门子的H级燃气轮机，无论是改进的燃烧室结构，还是更加充分的燃烧方式，以及4级叶片的涂层、全内空气冷却处理工艺，我们都应用了一系列的新技术和新工艺。”赵作智同时举例道，通过创新的制造工艺，西门子的透平叶片能轻松应对燃气轮机高速旋转时产生的巨大离心力；而叶片上的金属膜和陶瓷膜特殊镀层，大大延长了叶片耐受超过1500℃运行温度的时间；尤其是西门子独特的叶片中空构造，更是起到了高效降温隔热的效果。

另外，为高效转化燃气轮机燃烧室产生的高温高压气体能量，保持透平轮机与其外壳的严丝合缝，西门子持续优化燃气轮机转子与机壳内壁之间的水平间隙。“劳斯沃德电厂具有快速启停的功能，要保证叶片在高速旋转时既不能出现剐蹭，也不能留出太大空隙，间隙控制在几毫米内，是一种‘若即若离’的状态。”赵作智讲道。

在蒸汽轮机发电环节，为最大限度利用废气的热量，西门子Benson直流余热锅炉的热交换面积高达54万平方米。“这可将劳斯沃德电厂机组出力提高至600兆瓦以上，使得发电净效率超过61%。”赵作智讲道。据悉，经过余热锅炉后，废气温度降至80℃左右，足见其利用率之高。

除Fortuna机组等硬件外，劳斯沃德电厂还采用了西门子的SPPA-T3000控制系统和其他辅助系统，“自动控制与优化”、“大量传感器的应用”以及“100%覆盖的通用检查端口”等数字化科技的应用，使电厂的日常运营仅需19人即可完成，大大提高了管理的效率。

相关数据显示，2015年德国的发电总装机容量达到180吉瓦，其中风电和光伏80吉瓦，占比达到44%。随着风电的大幅增长，预计到2030年仅风电占比将达45%，2050年这一比例将提升至62%。面对更多带有发电波动性可再生能源的并网，燃气发电凭借其灵活性和快速响应，无疑成为电网调峰的理想选择。“劳斯沃德电厂在热启动的情况下，燃气轮机可在25分钟内达到满负荷运行，其负荷变化超过55兆瓦/分钟，有着强大的电网平衡能力。”赵作智同时指出，Fortuna机组还可在非常小的负荷内保持正常的运行状态。

不难发现，通过西门子对劳斯沃德电厂各方面的优化与改进，该电厂实现了高效的发电、区域供热，以及强大的电网调峰能力。

低碳环保

作为西门子发电与天然气集团的高管，赵作智到杜塞尔多夫出差，他更多选择住在劳斯沃德电厂附近的酒店，酷爱晨练的他从未感觉到当地空气的污浊；而毗邻劳斯沃德电厂的一家医院，也从未因为空气质量和噪音，对医患人员产生丝毫影响。所有这一切，都得益于劳斯沃德电厂所具备的高环保和低排放的特质。

据赵作智介绍，目前燃煤电厂每千瓦时能产生1000克左右的二氧化碳，即使是最高效的上海外高桥超超临界机组的二氧化碳排放量也在750克，而一般的燃气电厂的二氧化碳排放量有330克。

“如果将目前欧盟燃煤发电机组的二氧化碳平均排放量设成100%的话，燃烧天然气可以减排53%，而利用西门子清洁发电技术，还可再降低16%。”赵作智表示。据悉，劳斯沃德电厂在基本负荷区域供热运行模式下，其二氧化碳排放甚至降至23%。“据测算，这个电厂每千瓦时的二氧化碳排放量仅为230克。”在赵作智看来，在当今保护环境和防止大气污染的大趋势下，劳斯沃德电厂在环保方面具有更典型的示范意义。

不仅如此，为实现与周边环境的友好，劳斯沃德电厂还通过吸音板、降噪墙、弹簧隔振器等一系列措施和手段来降噪，甚至是给SGT5-8000H燃气轮机穿上了厚厚的“棉服”。据介绍，在劳斯沃德电厂所处的莱茵河畔对岸的测试数据显示，其噪声还不到25分贝。

在参观电厂过程中，记者亲身感受到内外噪声的差别。电厂内部临近机组的地方，机器的轰鸣产生高分贝的噪音，耳塞降噪已是进入工作人员的必备工具。而在厂区周边行走，即使非常近的距离，让你感觉不到一个出力超过600兆瓦电厂在身边。

不断进取

如今，以燃气蒸汽联合循环发电为基础的（冷）热电联产技术备受关注，其不仅具备“全方位低排放设计、节能高效低污染、构造精简省空间”等特点，同时还能灵活地供电供暖（制冷）。而凭借节能、减排、提高供能安全性、电网调峰、应对可再生能源的波动等众多优势，分布式燃气发电已成为全球实现节能减排和能源供应可持续发展的有效途径。

据悉，西门子已着手更高效率燃气发电机组的研发和优化。“65%净发电效率是我们目前正在着手做的一项工作。”据赵作智介绍，自H级燃气轮机第一台商业运营以来，西门子的更新改进和技术升级就从未停止过。

作为新一轮工业革命的重要标志，增材制造技术体现了信息网络技术与先进材料技术、数字制造技术的密切结合，是未来产业发展新的增长点。“增材制造技术已成为西门子数字化战略重要支柱之一。”赵作智指出。

近期，西门子成功完成了利用增材制造技术生产的燃气轮机叶片首次满负荷试验，以及增材制造技术制造的经全面改良内部冷却结构新叶片的测试。“利用这样的技术手段，通过提高效率和可用性来加速新型燃气轮机的设计。”在赵作智看来，西门子发电业务的唯一目标就是让整套发电机组设备运行起来达到最优境地，在大幅提升环保性的前提下，为客户创造更大的价值。

与此同时，应对发电领域产生大量二氧化碳的事实，为进一步减少因此带来的温室效应，西门子已在德国法兰克福的一个示范电厂里，着手探索二氧化碳的捕获和封存技术与装置，布局前瞻性市场。