2019年:大功率燃氫燃氣輪機已經初具規模

導讀：2019年以來，三菱日立動力系統公司（MHPS），通用電氣（GE）發電公司，西門子能源公司和安薩爾多能源公司等公司開發可燃燒100%氫燃料的大功率燃氣輪機的努力已進入高速發展。部分原因歸因於新的減碳政策在全球範圍內應用使得傳統天然氣發電用大型燃機市場不斷萎縮，而氫經濟的蓬勃發展將是這些工業巨獸重新找到新的市場立足點。

電力行業正在為大規模的脫碳做準備，一些主要的電力裝置製造商正在開發可使用高氫含量燃料執行的燃氣輪機。

專家指出，氫作為儲量最豐富的且重量最輕的元素，它具有普通燃料中最高的能量含量，這意味著它可以用作各種應用中的能量載體，包括髮電、工業、運輸。隨著全球制氫工業逐步的發展和完善，氫開始被能源行業越來越多的看作轉型中的關鍵環節，預計在未來幾年將達到大規模商用應用的技術成熟度和規模經濟。

三菱為氫能社會做準備

MHPS公司作為日本製造業巨頭三菱重工與日立之間的合資企業，一直特別呼籲為實現日本成為“氫能社會”的雄心做出努力，並在2011年地震和海嘯導致福島核電站洩漏後，正式向外界宣佈了這一雄心。日本政府與企業的合作包括三個階段：首先，它將擴充套件其現有的燃料電池計劃，以幫助降低制氫和燃料電池的價格；然後設想大規模引進氫能發電和氫供應基礎設施；最後，它將在整個製造過程中建立零碳排放供應系統。

在今年3月，MHPS公司推出了電力行業增加氫氣使用量的市場案例，並稱燃氫燃氣輪機是“全球使用可再生能源在2050年實現無碳-氫能社會”的關鍵因素之一。MHPS總裁兼執行長保羅-布朗寧（Paul Browning）表示，儘管天然氣發電將繼續發揮重要作用，以應對可再生能源的不穩定性，但下一階段的發展“將涉及使用氫儲存電能。

他進一步解釋道，這種技術可以利用過量的電力來分裂水分子來生產氫，從而將“可再生氫”儲存起來，並在後續需要用電的時候用於聯合迴圈-燃氫燃氣輪機。

自1970年以來，MHPS公司已經制造了29臺燃氫燃氣輪機，它們燃燒的燃料氫含量在30%~90%之間，總測試時間超過350萬小時。該公司設法解決的一個主要挑戰是如何在氫氣燃燒中減少NOx排放，同時又不降低效率。而且由於與天然氣相比，氫氣的火焰傳播速度更快，MHPS公司還試圖降低較高氫氣含量燃料中容易出現的燃燒振盪和“回火”（逆火）風險。

目前的一個可行的解決方案就是基於該公司之前的乾式低NOx（DLN）技術開發一個新型“擴散燃燒室”，該燃燒室將透過注入蒸汽或水來達到低NOx的目標，但它仍將保留相對寬的穩定燃燒範圍，即使燃料特性波動高達90%。MHPS公司透露，該技術已經對含氫30%的燃料進行了試驗，在聯合迴圈輸出功率高達700MW，透平進口溫度為1，600oC的情況下，與傳統的天然氣聯合迴圈發電機組相比，碳排放減少了約10%。

MHPS公司目前還在試行一個專案，到2023年將瓦騰福（Vattenfall）公司位於荷蘭的1。3 GW馬格南（Magnum）聯合迴圈電站中三個機組之一轉換為燃氫機組。該專案主要是針對一臺440MW功率的M701F燃氣輪機進行改造，透過使用新的燃燒技術達到“保持和天然氣發電同樣NOx排放的前提下，燃燒100%的氫燃料。”並且無需蒸汽和水注入。布朗寧表示，在未來十年內將實現燃燒100%的氫燃料的目標。

他說，該專案也是MHPS公司為傳統客戶提供可升級至燃燒100%氫燃料的燃氣輪機願景的關鍵。他承認，使用氫燃料的燃氣輪機可能需要現場電解和儲存裝置以提供可再生氫氣，這將需要“非常低的用電成本”。他表示：“我們正在等待的有足夠多的可再生能源在電網上的剩餘，以證明現場電解裝置具有經濟意義。美國加利福尼亞州現在已經到達了這一狀態，但是其它地方還有一些路要走。”

當被問及該技術將如何與電池儲存的發展競爭時，布朗寧說：“我們認為，如果您想在較短的時間記憶體儲電能，鋰離子電池可能是正確的選擇。氫經濟學正在發揮作用的地方是你想把能量存多久就存多久。”

西門子的突破

MHPS公司將不得不面對德國西門子公司的競爭，後者估計它將在兩年內推出25~50兆瓦的燃氫技術。正如西門子工業渦輪機械公司工業市場經理邁克爾-韋爾奇（Michael Welch）在今年2月表示的那樣，氫燃料肯定會在可再生能源未來中具備競爭優勢，因為僅依靠電池就意味著要評估由於回收帶來的汙染。

但是，儘管石化行業花費了數百萬小時的工作時間來改善氫氣燃燒，但氫氣發電目前仍存在重大缺陷。韋爾奇指出，各種各樣的製造商正在開發的燃氫燃氣輪機中，至少有60%使用DLN燃燒器技術，“這是一個挑戰，因為多年來燃氣輪機的發展方式。”電力轉換還需要額外的裝置和水。

最重要的是，今天，保持一個50%效率聯合迴圈燃氫燃氣輪機機組允許一個小時，可能需要一個175 MW的可再生能源發電機組的電力，以及3，400千克（超過14，000加侖）的水。他補充說：“因此，如此巨大的能量損失可能是個問題。”這就是為什麼氫能在歐洲（例如每天3到4個小時）的短期配合可再生能源使用被證明更經濟。

然而，對於西門子來說，它要解決的技術問題仍是關於NOx排放的挑戰和回火風險控制，此外就是應對高溫氫燃料燃燒所需的燃燒室和材料，西門子已經取得了一些成果，它在新型燃燒室製造中使用了增材製造（3D列印）技術。

韋爾奇表示：“現狀在無需焊接，就可以將一個零件整合到整個結構中，我們將重量和製造時間減少了四分之三以上，這使我們能夠獲得所需的新型輪廓。這也使我們能夠進行以前無法完成的測試，並改變之前不得不遵循的燃燒科學。” 該團隊已經在今年2月份前就完成了所有改進，與今年2月份中旬在德國進行了100%氫燃料燃燒用燃氣輪機原型機的試驗。

不過韋爾奇也指出，雖然技術突破是顯著的，但西門子的4 MW至560 MW燃氫燃氣輪機的測試“還沒有非常好的低排放技術能力，但常規發電能力卻很高。”

當被問及氫能商業化的整個行業前景時，韋爾奇說，最初的重點可能是小於70兆瓦的發電裝置。以氫為重點的脫碳政策推動也可能促進技術發展，今年1月，EUTurbines（由歐盟組成的整個燃氣輪機和蒸汽輪機行業的協會）與日本一道承諾在2020年提供燃氫20%的燃氣輪機，和在2030年提供燃氫100%的燃氣輪機。

GE和安薩爾多建立在過去成功的基礎之上

作為這項承諾的公司之一義大利安薩爾多也似乎在利用氫氣技術方面有所收穫。該公司表示，目前的燃燒室測試證明100%的燃氫能力是可行的。它認為：“能夠單獨燃燒氫氣或與天然氣的混合燃料，將對整個能源行業產生巨大的變化。在未來，現有的燃氣電廠必將扮演電網可靠性的保證人。”

該公司已經具備了燃料靈活的先進燃氣輪機燃燒系統，例如，最新的F級GT26燃氣輪機和H級GT36燃氣輪機SEV順序燃燒系統平臺，具有燃燒最大範圍的天然氣和氫氣混合燃料的能力，目前安薩爾多公司為當前安裝的F級燃氣輪機提供燃氫改裝解決方案，並計劃進行100%的氫燃料燃氣輪機燃燒室試驗，以證明安薩爾多的H級重型燃氣輪機GT36的燃燒室完全可以用氫氣進行燃燒。

同時，GE公司也已經提供了適用於航改燃氣輪機和重型燃氣輪機的燃燒系統，該系統能夠在氫氣含量增加的情況下執行。航改燃氣輪機可以配置一個環形燃燒器（SAC），該燃燒器可以使用多種燃料，包括天然氣和氫氣的混合燃料。GE公司表示，這種燃燒系統已經配置在了超過2500臺航改燃氣輪機上。

它還為重型燃氣輪機開發了兩種燃燒器配置從而提供燃燒高氰燃料的能力：B型和E級燃氣輪機的單噴嘴靜音燃燒器，E級和F級燃氣輪機的多噴嘴靜音燃燒器。這些也已經安裝到了超過1700臺重型燃機上。

值得注意的是，在美國能源署的資助下，GE公司還開發了基於“混合燃料和空氣的小尺寸橫流衝擊射流（operating principle of small-scale jet-in-crossflow mixing of the fuel and air streams）”的低NOx燃氫燃料系統。目前該先進的預混功能已成為GE的DLN 2。6e燃燒系統的要素，並在9HA燃氣輪機上得到了應用。

GE公司還擁有數個使用高氫含量的專案。其中之一是韓國的大山精煉廠，該廠使用6B。03燃氣輪機以70%氫燃料運行了20年。義大利國家電力公司（ENEL）在2010年在義大利的富西納（Fusina）電廠則使用了一臺11。4MW的GE-10燃氣輪機，以97。5%的氫燃料執行。

然而，正如GE發電公司的燃氣輪機燃燒與燃料解決方案部門主管Jeffrey Goldmeer在5魚粉表述的那樣，GE公司仍在繼續發展氫燃燒技術，該公司認為氫是未來的潛在燃料。