毗鄰萊茵河畔，在靠近杜塞爾多夫市中心的港口區(qū)，一幢透明鋼筋玻璃結(jié)構(gòu)的高樓拔地而起，憑借其獨特造型的建筑動態(tài)美，成為這座擁有62萬人口、德國第七大城市的地標性建筑之一。這就是于2016年1月投入商業(yè)運營的勞斯沃德(Lausward)熱電聯(lián)產(chǎn)聯(lián)合循環(huán)電廠(以下簡稱“勞斯沃德電廠”)。

在試運行階段，勞斯沃德電廠最大出力達到603.8兆瓦、發(fā)電凈效率61.5%，刷新了當時單軸配置聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組的世界紀錄;同時，配合300兆瓦的區(qū)域供熱能力，這座電廠的燃料利用率超過85%。

高效節(jié)能

2012年5月，當?shù)刈畲蟮墓┧⒐狻⒐╇姾蛥^(qū)域供熱運營商——杜塞爾多夫公用事業(yè)局(SWD)決定通過交鑰匙工程的方式建設全新的勞斯沃德電廠。一方面，新電廠需要實現(xiàn)氣候保護、可靠供電和地區(qū)安全一體化能源的理念;另一方面，新電廠能快速響應當?shù)仉娋W(wǎng)調(diào)峰的需求。經(jīng)對比，燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電(CCPP)成為了SWD最終的選擇。

CCPP的核心設備是燃氣輪機，而西門子則是世界上為數(shù)不多、掌握燃氣輪機核心制造技術(shù)的廠商，基于其德國Irsching4全球首個聯(lián)合循環(huán)發(fā)電凈效率突破60%大關(guān)的電廠項目，以及本身的品牌效應，西門子最終成為了勞斯沃德電廠總承包商和發(fā)電機組供貨商。

勞斯沃德電廠坐落在已退役燃煤電廠的廢氣處理塔舊址上，根據(jù)矩形建造面積，西門子采用了燃氣輪機、發(fā)電機和蒸汽輪機單軸結(jié)構(gòu)的設計理念，實現(xiàn)了場地利用最大化和占地緊湊化。

整個電廠為單臺機組布置，包括SGT5-8000H燃氣輪機、SST5-5000蒸汽輪機、SGEN5-3000MW發(fā)電機和Benson直流余熱鍋爐等在內(nèi)的主要設備各一臺。“除區(qū)域供熱功能以及燃氣輪機的額定功率高出50兆瓦外，勞斯沃德電廠與Irsching4電廠配置完全一致。”西門子股份公司發(fā)電與天然氣集團首席技術(shù)官趙作智告訴記者。

據(jù)介紹，西門子將電廠發(fā)電機組取名寓意美好象征的“Fortuna”，但其并沒有將命運寄托于這位羅馬神話中的幸運女神。建設過程中，憑借高效的發(fā)電技術(shù)和建設大型電廠方面的豐富經(jīng)驗，西門子針對電廠的組件設計、材料選用、機組整體構(gòu)造等不斷改進與優(yōu)化，達到各組件的完美匹配。“這對電廠的發(fā)電能力和效率水平起到巨大的提升作用。”趙作智表示。

趙作智強調(diào)，為保證H級燃氣輪機機組在出力、效率和靈活性等方面更具領(lǐng)先性，西門子一直圍繞“進氣容量”、“壓縮比”、“燃燒溫度”三大技術(shù)指標尋找破解的方程式。“作為西門子的H級燃氣輪機，無論是改進的燃燒室結(jié)構(gòu)，還是更加充分的燃燒方式，以及4級葉片的涂層、全內(nèi)空氣冷卻處理工藝，我們都應用了一系列的新技術(shù)和新工藝。”趙作智同時舉例道，通過創(chuàng)新的制造工藝，西門子的透平葉片能輕松應對燃氣輪機高速旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的巨大離心力;而葉片上的金屬膜和陶瓷膜特殊鍍層，大大延長了葉片耐受超過1500℃運行溫度的時間;尤其是西門子獨特的葉片中空構(gòu)造，更是起到了高效降溫隔熱的效果。

另外，為高效轉(zhuǎn)化燃氣輪機燃燒室產(chǎn)生的高溫高壓氣體能量，保持透平輪機與其外殼的嚴絲合縫，西門子持續(xù)優(yōu)化燃氣輪機轉(zhuǎn)子與機殼內(nèi)壁之間的水平間隙。“勞斯沃德電廠具有快速啟停的功能，要保證葉片在高速旋轉(zhuǎn)時既不能出現(xiàn)剮蹭，也不能留出太大空隙，間隙控制在幾毫米內(nèi)，是一種‘若即若離’的狀態(tài)。”趙作智講道。

在蒸汽輪機發(fā)電環(huán)節(jié)，為最大限度利用廢氣的熱量，西門子Benson直流余熱鍋爐的熱交換面積高達54萬平方米。“這可將勞斯沃德電廠機組出力提高至600兆瓦以上，使得發(fā)電凈效率超過61%。”趙作智講道。據(jù)悉，經(jīng)過余熱鍋爐后，廢氣溫度降至80℃左右，足見其利用率之高。

除Fortuna機組等硬件外，勞斯沃德電廠還采用了西門子的SPPA-T3000控制系統(tǒng)和其他輔助系統(tǒng)，“自動控制與優(yōu)化”、“大量傳感器的應用”以及“100%覆蓋的通用檢查端口”等數(shù)字化科技的應用，使電廠的日常運營僅需19人即可完成，大大提高了管理的效率。

相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2015年德國的發(fā)電總裝機容量達到180吉瓦，其中風電和光伏80吉瓦，占比達到44%。隨著風電的大幅增長，預計到2030年僅風電占比將達45%，2050年這一比例將提升至62%。面對更多帶有發(fā)電波動性可再生能源的并網(wǎng)，燃氣發(fā)電憑借其靈活性和快速響應，無疑成為電網(wǎng)調(diào)峰的理想選擇。“勞斯沃德電廠在熱啟動的情況下，燃氣輪機可在25分鐘內(nèi)達到滿負荷運行，其負荷變化超過55兆瓦/分鐘，有著強大的電網(wǎng)平衡能力。”趙作智同時指出，F(xiàn)ortuna機組還可在非常小的負荷內(nèi)保持正常的運行狀態(tài)。

不難發(fā)現(xiàn)，通過西門子對勞斯沃德電廠各方面的優(yōu)化與改進，該電廠實現(xiàn)了高效的發(fā)電、區(qū)域供熱，以及強大的電網(wǎng)調(diào)峰能力。

低碳環(huán)保

作為西門子發(fā)電與天然氣集團的高管，趙作智到杜塞爾多夫出差，他更多選擇住在勞斯沃德電廠附近的酒店，酷愛晨練的他從未感覺到當?shù)乜諝獾奈蹪?而毗鄰勞斯沃德電廠的一家醫(yī)院，也從未因為空氣質(zhì)量和噪音，對醫(yī)患人員產(chǎn)生絲毫影響。所有這一切，都得益于勞斯沃德電廠所具備的高環(huán)保和低排放的特質(zhì)。

據(jù)趙作智介紹，目前燃煤電廠每千瓦時能產(chǎn)生1000克左右的二氧化碳，即使是最高效的上海外高橋超超臨界機組的二氧化碳排放量也在750克，而一般的燃氣電廠的二氧化碳排放量有330克。

“如果將目前歐盟燃煤發(fā)電機組的二氧化碳平均排放量設成100%的話，燃燒天然氣可以減排53%，而利用西門子清潔發(fā)電技術(shù)，還可再降低16%。”趙作智表示。據(jù)悉，勞斯沃德電廠在基本負荷區(qū)域供熱運行模式下，其二氧化碳排放甚至降至23%。“據(jù)測算，這個電廠每千瓦時的二氧化碳排放量僅為230克。”在趙作智看來，在當今保護環(huán)境和防止大氣污染的大趨勢下，勞斯沃德電廠在環(huán)保方面具有更典型的示范意義。

不僅如此，為實現(xiàn)與周邊環(huán)境的友好，勞斯沃德電廠還通過吸音板、降噪墻、彈簧隔振器等一系列措施和手段來降噪，甚至是給SGT5-8000H燃氣輪機穿上了厚厚的“棉服”。據(jù)介紹，在勞斯沃德電廠所處的萊茵河畔對岸的測試數(shù)據(jù)顯示，其噪聲還不到25分貝。

在參觀電廠過程中，記者親身感受到內(nèi)外噪聲的差別。電廠內(nèi)部臨近機組的地方，機器的轟鳴產(chǎn)生高分貝的噪音，耳塞降噪已是進入工作人員的必備工具。而在廠區(qū)周邊行走，即使非常近的距離，讓你感覺不到一個出力超過600兆瓦電廠在身邊。

不斷進取

如今，以燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電為基礎(chǔ)的(冷)熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)備受關(guān)注，其不僅具備“全方位低排放設計、節(jié)能高效低污染、構(gòu)造精簡省空間”等特點，同時還能靈活地供電供暖(制冷)。而憑借節(jié)能、減排、提高供能安全性、電網(wǎng)調(diào)峰、應對可再生能源的波動等眾多優(yōu)勢，分布式燃氣發(fā)電已成為全球?qū)崿F(xiàn)節(jié)能減排和能源供應可持續(xù)發(fā)展的有效途徑。

據(jù)悉，西門子已著手更高效率燃氣發(fā)電機組的研發(fā)和優(yōu)化。“65%凈發(fā)電效率是我們目前正在著手做的一項工作。”據(jù)趙作智介紹，自H級燃氣輪機第一臺商業(yè)運營以來，西門子的更新改進和技術(shù)升級就從未停止過。

作為新一輪工業(yè)革命的重要標志，增材制造技術(shù)體現(xiàn)了信息網(wǎng)絡技術(shù)與先進材料技術(shù)、數(shù)字制造技術(shù)的密切結(jié)合，是未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展新的增長點。“增材制造技術(shù)已成為西門子數(shù)字化戰(zhàn)略重要支柱之一。”趙作智指出。

近期，西門子成功完成了利用增材制造技術(shù)生產(chǎn)的燃氣輪機葉片首次滿負荷試驗，以及增材制造技術(shù)制造的經(jīng)全面改良內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)新葉片的測試。“利用這樣的技術(shù)手段，通過提高效率和可用性來加速新型燃氣輪機的設計。”在趙作智看來，西門子發(fā)電業(yè)務的唯一目標就是讓整套發(fā)電機組設備運行起來達到最優(yōu)境地，在大幅提升環(huán)保性的前提下，為客戶創(chuàng)造更大的價值。

與此同時，應對發(fā)電領(lǐng)域產(chǎn)生大量二氧化碳的事實，為進一步減少因此帶來的溫室效應，西門子已在德國法蘭克福的一個示范電廠里，著手探索二氧化碳的捕獲和封存技術(shù)與裝置，布局前瞻性市場。