“ 双碳” 驱动下燃机灵活性提升策略与安全生产协同优化路径探究

一、引言

在全球应对气候变化的大背景下，我国提出 “ 碳达峰、碳中和” 目标，为能源结构转型与可持续发展指明方向。燃气轮机（燃机）作为电力生产和工业动力的重要设备，因其高效、清洁的特点，在能源领域占据重要地位。随着可再生能源大规模接入电网，电力系统对机组灵活性的需求日益增长，燃机需要具备更强的调峰、调频能力以适应新能源出力的波动性。然而，在提升燃机灵活性的过程中，安全生产问题不容忽视，频繁的变负荷运行、快速启停等操作可能对燃机设备造成额外的应力和损耗，增加安全隐患[1]。因此，探究 “ 双碳” 驱动下燃机灵活性提升策略与安全生产的协同优化路径，对推动能源行业绿色低碳发展、保障能源供应安全具有重要意义。

二、燃机灵活性与安全生产现状分析

（一）燃机灵活性现状

当前，部分燃机在灵活性方面存在不足。在调峰能力上，传统燃机的负荷调节范围有限，难以满足电网深度调峰的需求，尤其是在新能源大发时段，无法快速降低负荷以平衡电力供需。在启停速度方面，燃机启动时间较长，从冷态启动到满负荷运行可能需要数十分钟甚至数小时，难以快速响应电网的负荷变化指令。此外，燃机对燃料的适应性也有待提高，多数燃机仅能使用天然气等单一燃料，在燃料供应出现波动时，运行灵活性受到限制。

（二）燃机安全生产现状

燃机安全生产面临诸多挑战。设备老化问题逐渐凸显，长期运行导致燃机部件磨损、疲劳，如涡轮叶片的高温腐蚀、燃烧室的裂纹等，影响设备安全稳定运行。运行操作不规范也是安全隐患之一，在变负荷运行、启停过程中，若未严格按照操作规程执行，可能引发热应力过大、振动异常等问题。同时，安全生产管理体系尚不完善，部分企业缺乏有效的设备监测手段和应急预案，对潜在的安全风险无法及时发现和处理。

（三）灵活性提升与安全生产的矛盾

燃机灵活性提升与安全生产之间存在一定矛盾。为提高灵活性，增加变负荷运行次数和幅度、缩短启停时间等操作，会使燃机部件承受更频繁的温度和压力变化，产生额外的热应力和机械应力，加速部件老化和损坏，威胁安全生产。例如，快速变负荷过程中，燃烧室温度急剧变化，容易导致火焰不稳定，甚至出现熄火、爆燃等安全事故；频繁启停会使转子等部件受到热冲击，增加裂纹产生的风险。

三、“ 双碳” 驱动下燃机灵活性提升策略

（一）技术创新策略

优化燃烧技术：研发先进的燃烧技术，如贫油预混燃烧、微混燃烧等，提高燃烧效率，降低氮氧化物等污染物排放，同时增强燃烧稳定性。贫油预混燃烧技术可使燃料在燃烧前与空气充分混合，实现均匀燃烧，减少局部高温区域，降低污染物生成，还能提高燃机在低负荷下的燃烧稳定性，扩大负荷调节范围。

改进热力循环系统：对燃机的热力循环系统进行优化，采用回热循环、间冷循环等新型循环方式，提高能源利用效率，降低能耗和碳排放。回热循环通过回收排气余热加热压缩空气，提高循环热效率；间冷循环在压气机中间设置冷却器，降低压缩过程的功耗，提升燃机整体性能和灵活性[2] 。

提升燃料适应性：开展燃机多燃料燃烧技术研究，使燃机能够适应天然气、氢气、生物燃气等多种燃料。例如，开发氢气 - 天然气混合燃烧技术，逐步提高氢气掺混比例，在降低碳排放的同时，增强燃机对不同燃料供应条件的适应能力，提升运行灵活性。

（二）运行管理策略

优化调度运行模式：建立基于新能源预测的燃机灵活调度机制，根据风电、光伏等新能源的出力预测情况，提前安排燃机的启停计划和负荷调整策略。采用实时优化调度算法，动态调整燃机运行参数，实现与新能源的协同运行，提高电力系统整体灵活性。

加强设备健康管理：利用大数据、物联网、人工智能等技术，构建燃机设备健康管理系统。通过安装传感器实时监测燃机的温度、压力、振动等关键参数，结合设备历史数据和运行工况，运用机器学习算法进行故障诊断和寿命预测，提前发现设备潜在故障，及时安排维护和检修，保障设备可靠运行。

（三）政策支持策略

政府应出台相关政策，鼓励企业开展燃机灵活性改造和安全生产投入。对实施灵活性提升技术改造的企业给予财政补贴、税收优惠等政策支持，降低企业改造成本。同时，制定严格的安全生产标准和规范，加强对燃机运行企业的监管，推动企业完善安全生产管理体系，落实安全生产责任。

四、燃机灵活性提升与安全生产协同优化路径

（一）技术协同路径

在研发灵活性提升技术时，充分考虑安全生产需求。例如，在改进燃烧技术的过程中，不仅关注燃烧效率和污染物排放，还要确保燃烧稳定性，避免因火焰不稳定引发安全事故。在设计新型热力循环系统时，优化部件结构和材料选型，提高部件的耐高温、高压和抗疲劳性能，降低因灵活性提升带来的设备损坏风险[3]。同时，将安全生产监测技术与灵活性提升技术相结合，通过设备健康管理系统实时监测灵活性提升措施对设备运行状态的影响，及时调整运行参数，保障设备安全。

（二）运行管理协同路径

制定兼顾灵活性和安全生产的运行操作规程。在变负荷运行、启停等操作过程中，明确操作步骤和参数控制范围，既要满足灵活性要求，又要确保设备安全。例如，规定合理的变负荷速率，避免因负荷变化过快导致热应力过大；制定科学的启停程序，增加暖机、冷却等环节的时间和参数控制，减少热冲击。加强运行人员培训，提高其对灵活性运行和安全生产的认识和操作技能，使其能够在保障安全的前提下，实现燃机的灵活运行。

（三）制度保障协同路径

建立健全灵活性提升与安全生产协同管理的制度体系。企业应设立专门的管理部门，负责统筹协调灵活性提升和安全生产工作，制定相关管理制度和考核指标。将灵活性提升效果和安全生产绩效纳入企业绩效考核体系，激励员工积极参与灵活性提升工作的同时，确保安全生产责任落实到位。加强与行业协会、科研机构的合作，共同制定行业标准和规范，推动燃机灵活性提升与安全生产协同发展。

五、结论

在 “ 双碳” 目标驱动下，提升燃机灵活性是能源行业发展的必然趋势，而保障安全生产是燃机稳定运行的基础。通过技术创新、运行管理优化和政策支持等策略提升燃机灵活性，并从技术、运行管理、制度保障等方面探索协同优化路径，能够有效解决灵活性提升与安全生产之间的矛盾。未来，还需持续加强技术研发和管理创新，不断完善协同优化机制，推动燃机在 “ 双碳” 背景下实现绿色、安全、高效发展，为我国能源转型和 “ 双碳” 目标实现提供有力支撑。

参考文献

[1]张玉豪,王子楠,曾博洋,等.结合神经网络与模型预测控制的燃机运行扰动抑制研究[J/OL].推进技术,1-16

[2]韩洋,赵成澎.西门子 SGT5-4000F 型燃机灵活性改造技术分析[J].中国设备工程,2022,(01):96-98.

[3]王俪璇.重型燃气轮机灵活性运行建模及控制策略研究[D].华北电力大学(北京),2021.