【行业观察】2019年：大功率燃氢燃气轮机已经初具规模

导读：2019年以来，三菱日立动力系统公司（MHPS），通用电气（GE）发电公司，西门子能源公司和安萨尔多能源公司等公司开发可燃烧100%氢燃料的大功率燃气轮机的努力已进入高速发展。部分原因归因于新的减碳政策在全球范围内应用使得传统天然气发电用大型燃机市场不断萎缩，而氢经济的蓬勃发展将是这些工业巨兽重新找到新的市场立足点。

电力行业正在为大规模的脱碳做准备，一些主要的电力设备制造商正在开发可使用高氢含量燃料运行的燃气轮机。

专家指出，氢作为储量最丰富的且重量最轻的元素，它具有普通燃料中最高的能量含量，这意味着它可以用作各种应用中的能量载体，包括发电、工业、运输。随着全球制氢工业逐步的发展和完善，氢开始被能源行业越来越多的看作转型中的关键环节，预计在未来几年将达到大规模商用应用的技术成熟度和规模经济。

三菱为氢能社会做准备

MHPS公司作为日本制造业巨头三菱重工与日立之间的合资企业，一直特别呼吁为实现日本成为“氢能社会”的雄心做出努力，并在2011年地震和海啸导致福岛核电站泄漏后，正式向外界宣布了这一雄心。日本政府与企业的合作包括三个阶段：首先，它将扩展其现有的燃料电池计划，以帮助降低制氢和燃料电池的价格；然后设想大规模引进氢能发电和氢供应基础设施；最后，它将在整个制造过程中建立零碳排放供应系统。

在今年3月，MHPS公司推出了电力行业增加氢气使用量的市场案例，并称燃氢燃气轮机是“全球使用可再生能源在2050年实现无碳-氢能社会”的关键因素之一。MHPS总裁兼首席执行官保罗-布朗宁（Paul Browning）表示，尽管天然气发电将继续发挥重要作用，以应对可再生能源的不稳定性，但下一阶段的发展“将涉及使用氢存储电能。

他进一步解释道，这种技术可以利用过量的电力来分裂水分子来生产氢，从而将“可再生氢”存储起来，并在后续需要用电的时候用于联合循环-燃氢燃气轮机。

自1970年以来，MHPS公司已经制造了29台燃氢燃气轮机，它们燃烧的燃料氢含量在30%~90%之间，总测试时间超过350万小时。该公司设法解决的一个主要挑战是如何在氢气燃烧中减少NOx排放，同时又不降低效率。而且由于与天然气相比，氢气的火焰传播速度更快，MHPS公司还试图降低较高氢气含量燃料中容易出现的燃烧振荡和“回火”（逆火）风险。

目前的一个可行的解决方案就是基于该公司之前的干式低NOx（DLN）技术开发一个新型“扩散燃烧室”，该燃烧室将通过注入蒸汽或水来达到低NOx的目标，但它仍将保留相对宽的稳定燃烧范围，即使燃料特性波动高达90%。MHPS公司透露，该技术已经对含氢30%的燃料进行了试验，在联合循环输出功率高达700MW，透平进口温度为1,600oC的情况下，与传统的天然气联合循环发电机组相比，碳排放减少了约10%。

MHPS公司目前还在试行一个项目，到2023年将瓦腾福（Vattenfall）公司位于荷兰的1.3 GW马格南（Magnum）联合循环电站中三个机组之一转换为燃氢机组。该项目主要是针对一台440MW功率的M701F燃气轮机进行改造，通过使用新的燃烧技术达到“保持和天然气发电同样NOx排放的前提下，燃烧100%的氢燃料。”并且无需蒸汽和水注入。布朗宁表示，在未来十年内将实现燃烧100%的氢燃料的目标。

他说，该项目也是MHPS公司为传统客户提供可升级至燃烧100%氢燃料的燃气轮机愿景的关键。他承认，使用氢燃料的燃气轮机可能需要现场电解和储存设备以提供可再生氢气，这将需要“非常低的用电成本”。他表示：“我们正在等待的有足够多的可再生能源在电网上的剩余，以证明现场电解设备具有经济意义。美国加利福尼亚州现在已经到达了这一状态，但是其它地方还有一些路要走。”

当被问及该技术将如何与电池存储的发展竞争时，布朗宁说：“我们认为，如果您想在较短的时间内存储电能，锂离子电池可能是正确的选择。氢经济学正在发挥作用的地方是你想把能量存多久就存多久。”

西门子的突破

MHPS公司将不得不面对德国西门子公司的竞争，后者估计它将在两年内推出25~50兆瓦的燃氢技术。正如西门子工业涡轮机械公司工业市场经理迈克尔-韦尔奇（Michael Welch）在今年2月表示的那样，氢燃料肯定会在可再生能源未来中具备竞争优势，因为仅依靠电池就意味着要评估由于回收带来的污染。

但是，尽管石化行业花费了数百万小时的工作时间来改善氢气燃烧，但氢气发电目前仍存在重大缺陷。韦尔奇指出，各种各样的制造商正在开发的燃氢燃气轮机中，至少有60%使用DLN燃烧器技术，“这是一个挑战，因为多年来燃气轮机的发展方式。”电力转换还需要额外的设备和水。

最重要的是，今天，保持一个50%效率联合循环燃氢燃气轮机机组允许一个小时，可能需要一个175 MW的可再生能源发电机组的电力，以及3,400千克（超过14,000加仑）的水。他补充说：“因此，如此巨大的能量损失可能是个问题。”这就是为什么氢能在欧洲（例如每天3到4个小时）的短期配合可再生能源使用被证明更经济。

然而，对于西门子来说，它要解决的技术问题仍是关于NOx排放的挑战和回火风险控制，此外就是应对高温氢燃料燃烧所需的燃烧室和材料，西门子已经取得了一些成果，它在新型燃烧室制造中使用了增材制造（3D打印）技术。

韦尔奇表示：“现状在无需焊接，就可以将一个零件集成到整个结构中，我们将重量和制造时间减少了四分之三以上，这使我们能够获得所需的新型轮廓。这也使我们能够进行以前无法完成的测试，并改变之前不得不遵循的燃烧科学。” 该团队已经在今年2月份前就完成了所有改进，与今年2月份中旬在德国进行了100%氢燃料燃烧用燃气轮机原型机的试验。

不过韦尔奇也指出，虽然技术突破是显著的，但西门子的4 MW至560 MW燃氢燃气轮机的测试“还没有非常好的低排放技术能力，但常规发电能力却很高。”

当被问及氢能商业化的整个行业前景时，韦尔奇说，最初的重点可能是小于70兆瓦的发电装置。以氢为重点的脱碳政策推动也可能促进技术发展，今年1月，EUTurbines（由欧盟组成的整个燃气轮机和蒸汽轮机行业的协会）与日本一道承诺在2020年提供燃氢20%的燃气轮机，和在2030年提供燃氢100%的燃气轮机。

GE和安萨尔多建立在过去成功的基础之上

作为这项承诺的公司之一意大利安萨尔多也似乎在利用氢气技术方面有所收获。该公司表示，目前的燃烧室测试证明100%的燃氢能力是可行的。它认为：“能够单独燃烧氢气或与天然气的混合燃料，将对整个能源行业产生巨大的变化。在未来，现有的燃气电厂必将扮演电网可靠性的保证人。”

该公司已经具备了燃料灵活的先进燃气轮机燃烧系统，例如，最新的F级GT26燃气轮机和H级GT36燃气轮机SEV顺序燃烧系统平台，具有燃烧最大范围的天然气和氢气混合燃料的能力，目前安萨尔多公司为当前安装的F级燃气轮机提供燃氢改装解决方案，并计划进行100%的氢燃料燃气轮机燃烧室试验，以证明安萨尔多的H级重型燃气轮机GT36的燃烧室完全可以用氢气进行燃烧。

同时，GE公司也已经提供了适用于航改燃气轮机和重型燃气轮机的燃烧系统，该系统能够在氢气含量增加的情况下运行。航改燃气轮机可以配置一个环形燃烧器（SAC），该燃烧器可以使用多种燃料，包括天然气和氢气的混合燃料。GE公司表示，这种燃烧系统已经配置在了超过2500台航改燃气轮机上。

它还为重型燃气轮机开发了两种燃烧器配置从而提供燃烧高氰燃料的能力：B型和E级燃气轮机的单喷嘴静音燃烧器，E级和F级燃气轮机的多喷嘴静音燃烧器。这些也已经安装到了超过1700台重型燃机上。

值得注意的是，在美国能源署的资助下，GE公司还开发了基于“混合燃料和空气的小尺寸横流冲击射流（operating principle of small-scale jet-in-crossflow mixing of the fuel and air streams）”的低NOx燃氢燃料系统。目前该先进的预混功能已成为GE的DLN 2.6e燃烧系统的要素，并在9HA燃气轮机上得到了应用。

GE公司还拥有数个使用高氢含量的项目。其中之一是韩国的大山精炼厂，该厂使用6B.03燃气轮机以70%氢燃料运行了20年。意大利国家电力公司(ENEL)在2010年在意大利的富西纳（Fusina）电厂则使用了一台11.4MW的GE-10燃气轮机，以97.5%的氢燃料运行。

然而，正如GE发电公司的燃气轮机燃烧与燃料解决方案部门主管Jeffrey Goldmeer在5鱼粉表述的那样，GE公司仍在继续发展氢燃烧技术，该公司认为氢是未来的潜在燃料。

Goldmeer 表示：“GE燃气轮机使用氢气和类似低热值燃料运行已有30多年了。在此期间，GE公司已经安装了70多台燃气轮机，这些燃气轮机累计使用这些燃料的运行时间超过450万小时。现在，该公司正致力于在下一代燃烧系统的开发中使用增材制造。这些努力使DLN 2.6e燃烧系统获得了大约50%氢燃料的燃烧能力，这对我们的客户而言是个好消息。”

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