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我国燃气轮机“掺氢”技术取得突破

时间:2022-02-15;阅读:150次

近日,国家电投荆门绿动电厂在运燃机实现15%掺氢燃烧改造和商业运行,这是我国首次在重型燃机商业机组上实施掺氢燃烧改造试验和科研攻关,该项目成为全球首个在天然气商业机组中进行掺氢燃烧的联合循环、热电联供示范项目。

全球多家燃机厂商已开始探索传统燃气轮机掺氢技术,并取得初步发展。业内人士认为,可再生能源的规模化发展以及气电行业的减排需求,将会促进燃气轮机“掺氢”技术发展,作为大规模氢燃料发电的关键设备,掺氢燃气轮机将迎来巨大的发展空间。


多国探路燃机“掺氢”

在现役天然气机组中增加氢燃料来源,不仅能够有效节约天然气用量,保证冬季供暖安全稳定,还能显著降碳。根据国家电投的数据,荆门一台54兆瓦的燃机,掺氢30%后,每年可减少二氧化碳排放1.8万吨以上。

事实上,在全球碳减排大势下,天然气的化石能源的属性使得传统天然气发电用大型燃机市场不断萎缩,全球各大燃机厂商找到新的市场立足点。

近年来,日本三菱日立、美国通用电气、德国西门子能源和意大利安萨尔多能源公司等国际主要燃机厂商,均针对氢燃料燃机推出了相应的发展计划,开启了掺氢燃料甚至是纯氢燃料燃机的研究、开发及示范应用工作,为电力行业深度脱碳奠定了技术基础。三菱日立动力系统公司2018年开展了大型氢燃料燃机测试,氢气含量30%的氢燃料测试结果表明,新开发的专有燃烧器可以实现混氢燃料的稳定燃烧,与纯天然气发电相比可减少10%的二氧化碳排放,联合循环发电效率高于63%。

与三菱日立动力系统公司相似,西门子能源也致力于提高燃气轮机的燃氢能力。2019年,西门子能源承诺,将在2030年前实现100%燃氢燃气轮机,并且涵盖从小功率到重型燃气轮机的所有产品组合。


安全问题受关注

传统的天然气燃气轮机掺入氢气,意味着燃机设备对氢的适应性与掺氢后的安全性均面临挑战。

氢燃料的火焰温度比天然气高出近300摄氏度,着火延迟时间比天然气低三倍以上。当燃料中的掺氢比例较高,燃料反应性会发生变化,造成火焰向上移动、燃烧时间过盈等问题,增加氮氧化物排放,并可能使燃烧室超温过热。因此,需要对燃烧室的使用稳定性及废气排放进行测试,重新设计或优化传统燃烧室或燃烧系统。

与甲烷相比,氢气具有更高的扩散系数、更低的点火能量以及更宽的爆炸极限,因此一些天然气燃机的常规辅助系统,如通风、气体泄漏检测、管道裂纹检测系统等,对于燃氢燃机的安全使用具有更为重要的意义,需要引起重视。

使用氢燃料还面临着与整体安全相关的操作风险。据了解,氢火焰的亮度很低,肉眼难以发现,需要专门的氢火焰检测系统;其次,氢气具有比其他气体更强的渗透性,可能不适用于原天然气输送采用的传统密封系统;另外,氢气比甲烷更易燃易爆,相比甲烷而言,氢气的爆炸极限范围宽的多。因此,氢气泄漏会增加安全风险,需要考虑改变操作程序以及防爆危险区域划分等问题。


经济性待提升

“以氢为连接枢纽,燃气轮机与新能源可发挥良好的互补和协同作用,由它们组成的混合发电系统具有更好的灵活性和稳定性,同时也能为纯氢燃气轮机发电产业奠定技术基础。”上述专家表示,目前,受制氢成本、能源转换效率等多重因素影响,氢燃气轮机发电面临经济性偏低问题。我国目前电解水制氢的成本较高,约为1.8-3.6元/立方米。不过伴随新能源发电占比的持续提升,预计2025年之后,电解水制氢的成本可降至1.35元/立方米以下。

集中式发电效率较低也制约着氢燃料发电的经济性。有业内人士直言,在我国风电和光伏装机容量还未远超化石能源的情况下,通过可再生能源生产的“绿氢”仍主要供应给交通、工业等领域使用,在集中式氢燃料发电方面将会进展缓慢。虽然将陆续推出混氢或纯氢燃料燃机发电示范项目,但在可再生能源尚未实现更大规模发展情况下,“电-氢-电”这一转化过程降低了能源整体利用效率,如不解决上述问题,将很难得到广泛应用。