BOOST TO REDUCE      白皮书
通过优化进气系统来降低碳成本

通过优化进气系统来降低碳成本

推动绿色发展

随着世界范围内保护环境意识的增强,发电、石油和天然气行业面临着越来越大的压力,需要找到更环保的能源解决方案。世界各国政府已承诺致力于创造一个环境友好的未来。从碳排放税的出台到多个行业实施的更严格的监管措施可以看出世界范围内的政策变化。一家公司的环保形象已经变得越来越重要,投资者更青睐那些致力于做出有意义的改变的人。随着绿色实践需求的日益增长和运营成本的上升,燃气轮机运营商削减碳足迹、降低运营成本和提高效率已成为当务之急。

碳的来源

当燃料在燃烧反应中产生能量时,二氧化碳作为燃烧产物被释放出来。每单位燃料燃烧所排放的碳量是固定的,每燃烧1公斤天然气所排放的二氧化碳超过2公斤。碳强度用来衡量每MWh产生的二氧化碳排放量,而热耗率则用来衡量每MWh产生的燃料消耗量。发动机碳强度的变化与热耗率的变化成正比,因此为了减少对环境的影响,保持稳定的热耗率至关重要。

削减碳排放

升级工厂的进气系统是减少碳足迹最简单、最经济的方法之一。有三种特性允许过滤器减少碳的影响;根据EN1822:2009标准,EPA效率等级高,压降低且稳定,采用疏水介质。高效率的EPA过滤器可以消除污染物旁通泄漏的影响,如结垢,侵蚀和腐蚀,这些现象可以大大影响燃机的热耗率。随着时间的推移,过滤器能始终提供稳定的较低水平的阻力,也能降低碳强度,因为即使增加“250Pa的阻力,也会使一个单循环燃机的热耗率提高0.125%。疏水型过滤器可以防止水溶性污染物进入燃机内部,而设计上的一些特点,如用点断式热熔胶折纸工艺,可以让水从滤芯中流出,而不是聚集在滤纸上,从而造成压力大幅波动。这三种性能结合起来减少碳的影响,同时提高可用性,为燃机提供更好的保护。

下面的表1突出显示了不同的过滤等级对碳排放的影响。使用G4预滤器(按照EN779:2012)和M6末级滤器(按照EN779:2012)的过滤器组合作为比较基准,以选择效率更高的疏水过滤器组合。

表1:比较不同的过滤器组合所节省的碳

 

假设为调峰电厂应用  发热量:8600kJ/kWh;运 行时间:8000小时;功率输出:200MW
假设汽车平均每年行驶约2万公里,按照欧洲环境署(European Environment Agency)制定的2020年汽车碳排放目标95g CO2/km。
CamGT E10和E12过滤器是疏水性的,平均阻力低且稳定。
 进气过滤器
 热耗率影响
过滤有关排放
 年总结
 预过滤  主过滤器 热耗率降低
与基线相比
(kJ/kWh)
CO2
每年
CO2总减少
vs. 基线
CO2总减少
vs. 基线 (%) 
移除车辆等同量
Bag filter G4 Bag filter M6 0 38 000      
30/30 GT G4 Composite F8 180 24 000 14 000 2.0% 8 000
30/30 GT G4 Composite F9 270 17 000 21 000 3.0% 12 000
Cam-Flo Hybrid F7 CamGT 3V-600 E10 395 7 000 31 000 4.5% 17 000
CamGT 3V-600 F8 CamGT 3V-600 E12 440 3 000 35 000 5.0% 18 000

很明显,通过提高过滤效率,节省的碳相当于减少了8000 - 18000辆汽车!为了长期减少碳的影响,过滤器必须是高效的,疏水的,并且必须能够保持一个低而稳定的压降。本例中显示的E10和E12过滤器包括所有三个特点,它们共同工作以减少碳排放。

结垢对燃气轮机碳排放的影响

优化的过滤解决方案旨在保护燃机免受环境和工作条件的影响,降低燃机叶片的污染率。结垢对燃机有几个负面影响,在增加发动机热耗率的同时降低了最大输出功率。由于结垢,功率容量的下降通常是热率增加的两倍。可以在图1中看到,该案例中燃机的出力下降了10%,而热耗率增加了5%。较高的热耗率意味着燃机的碳排放强度也会增加,导致在部分负荷和基荷应用中每MWh发电排放更多的碳。

图1: 结垢对基荷和部分负荷运行的影响

部分负载

部分负载机组不是以最大容量运行,而是以较低的稳定容量运行。这意味着,由于结垢造成的功率下降不会立即导致燃机最大运行负荷水平。这就是为什么在部分负载应用中,发动机的直接功率输出并不总是受到结垢的影响,如图1所示。然而,热耗率的提高意味着被污染的部分负荷燃机需要消耗额外的燃料来维持其功率输出,从而导致燃料成本的增加、更多的碳排放和更高的二氧化碳强度。

基荷

对于一个满负荷运行的基荷电厂来说,最大额定功率输出的减少会导致更少的发电,从而减少燃料消耗。燃料成本和相关的碳税降低,使得涡轮机的操作成本降低。然而,热耗率的提高意味着一个被污染的发动机燃烧的碳强度比一个干净的燃机要高。此外,电力输出的损失将减少电厂的收入,并导致能源网络的不足,降低运营的盈利能力。

下面的表2报告说,由于污染的燃机无法满足能源生产的基本负荷需求,因此有必要寻找其他能源。在这种情况下,不建议在更高的温度下燃烧以产生更多的能量,因为这将减少燃机部件的寿命。因此,能源需求既可以通过额外的未污染燃机直接补充,也可以通过第三方间接补充。虽然受污染燃机的直接碳排放似乎较低,但维持稳定能源生产所需的间接碳排放总量更高。

表2: 清洁与污染时基荷机的碳排放量比较

 

假设为调峰电厂应用  发热量:8600kJ/kWh;运 行时间:8000小时;功率输出:200MW
假设汽车平均每年行驶约2万公里,按照欧洲环境署(European Environment Agency)制定的2020年汽车碳排放目标95g CO2/km。
CamGT E10和E12过滤器是疏水性的,平均阻力低且稳定。
 进气过滤器
 热耗率影响
过滤有关排放
 年总结
 预过滤  主过滤器 热耗率降低
与基线相比
(kJ/kWh)
CO2
每年
CO2总减少
vs. 基线
CO2总减少
vs. 基线 (%) 
移除车辆等同量
Bag filter G4 Bag filter M6 0 38 000      
30/30 GT G4 Composite F8 180 24 000 14 000 2.0% 8 000
30/30 GT G4 Composite F9 270 17 000 21 000 3.0% 12 000
Cam-Flo Hybrid F7 CamGT 3V-600 E10 395 7 000 31 000 4.5% 17 000
CamGT 3V-600 F8 CamGT 3V-600 E12 440 3 000 35 000 5.0% 18 000

为什么选择更好的进气系统

其他降低发动机CO2 排放的方法确实有,这包括碳洗涤、燃烧后捕获法和燃烧前捕获法。然而,这些方法需要建立额外的基础设施,这往往导致更高的维护和操作成本。燃气轮机本身也可以升级到更高效的版本,但这也需要大量的资本支出。

由于燃气轮机的正常运行需要空气过滤器,因此升级进气系统通常需要使用现有的基础设施或现有系统的升级。可以大大降低运行费用和碳排放税,同时实现负面影响如结垢,侵蚀和腐蚀的最小化。这延长了燃机部件的寿命,并通过减少离线和在线清洁的频率,增加可用性和可靠性。

简而言之,改进进气系统不仅降低了运行中的CO2浓度排放,而且还保护和改善了燃机性能,这意味着可以以更低的环境成本机获得更多的好处。这是节约成本,简便和最容易的解决方案之一,以减少燃气轮机的CO2排放。

额外性能优势:

燃机的性能衰减和阻力波动也可以通过使用疏水、低阻力的EPA过滤器来缓解。一些优势包括:

  • 提高燃油效率的盈利能力
  • 提高燃料燃烧效率带来的盈利
  • 增加生产可用率
  • 延长部件寿命
  • 延长过滤器的使用寿命
  • 提升可靠性
  • 提升安全性
     

计算通过升级过滤器可以获得的节约