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近日，國家電投荊門綠動電廠實現(xiàn)了運燃機15%摻氫燃燒改造和商業(yè)運行。這是中國首次在重型燃氣機商業(yè)機組實施摻氫燃燒改造試驗和科研研究。該項目已成為世界上第一個在天然氣商業(yè)機組進行摻氫燃燒的聯(lián)合循環(huán)、熱電供應示范項目。
世界上許多燃機廠商已經(jīng)開始探索傳統(tǒng)的燃氣輪機摻氫技術(shù)，并取得了初步的發(fā)展。業(yè)內(nèi)人士認為，可再生能源的大規(guī)模發(fā)展和氣電行業(yè)的減排需求將促進燃氣輪機摻氫技術(shù)的發(fā)展。摻氫燃氣輪機作為大規(guī)模氫燃料發(fā)電的關(guān)鍵設(shè)備，將迎來巨大的發(fā)展空間。
多國探路燃機摻氫
在現(xiàn)役天然氣機組中增加氫燃料來源，不僅可以有效節(jié)約天然氣消耗，保證冬季供暖的安全穩(wěn)定，而且可以顯著降低碳。根據(jù)國家電投數(shù)據(jù)，荊門54兆瓦燃氣機每年可減少二氧化碳排放1.8萬噸以上。
事實上，在全球碳減排的趨勢下，天然氣的化石能源屬性使得傳統(tǒng)天然氣發(fā)電用大型燃氣發(fā)電機市場萎縮，世界各大燃氣發(fā)電機制造商找到了新的市場立足點。
近年來，日本三菱日立、美國通用電氣、德國西門子能源、意大利安薩爾多能源公司等國際主要燃氣廠商都為氫燃料燃氣機推出了相應的發(fā)展計劃，開展了氫燃料甚至純氫燃料燃氣機的研究、開發(fā)和示范應用，為電力行業(yè)深度脫碳奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。2018年，三菱日立電力系統(tǒng)公司對大型氫燃料燃氣機進行了測試。氫含量30%的氫燃料測試結(jié)果表明，新開發(fā)的專用燃燒器可以實現(xiàn)氫混合燃料的穩(wěn)定燃燒，與純天然氣發(fā)電相比，二氧化碳排放可減少10%，聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率高于63%。
與三菱日立動力系統(tǒng)公司類似，西門子能源也致力于提高燃氣輪機的燃氫能力。2019年，西門子能源承諾在2030年前實現(xiàn)100%燃氫燃氣輪機，涵蓋從小功率到重型燃氣輪機的所有產(chǎn)品組合。
關(guān)注安全問題
與氫混合的傳統(tǒng)天然氣燃氣輪機意味著燃氣設(shè)備對氫的適應性和摻氫后的安全性面臨挑戰(zhàn)。
一位天然氣摻氫領(lǐng)域的專家表示，氫燃料的火焰溫度比天然氣高出近300℃，著火延遲時間比天然氣低三倍以上。當燃料中摻氫比例較高時，燃料的反應性會發(fā)生變化，導致火焰向上移動、燃燒時間過多等問題，增加氮氧化物的排放，并可能使燃燒室過熱。因此，有必要測試燃燒室的使用穩(wěn)定性和廢氣排放，重新設(shè)計或優(yōu)化傳統(tǒng)燃燒室或燃燒系統(tǒng)。
據(jù)業(yè)內(nèi)人士介紹，與甲烷相比，氫氣具有更高的擴散系數(shù)、更低的點火能量和更寬的爆炸極限。因此，一些常規(guī)的天然氣燃燒器輔助系統(tǒng)，如通風、氣體泄漏檢測、管道裂紋檢測系統(tǒng)等。對于燃氫燃機的安全使用具有更重要的意義，需要注意。
氫燃料的使用也面臨著與整體安全相關(guān)的操作風險。“氫火焰的亮度很低，肉眼很難找到，需要一個特殊的氫火焰檢測系統(tǒng)；其次，氫氣比其他氣體具有更強的滲透性，可能不適用于傳統(tǒng)的原始天然氣輸送密封系統(tǒng)；此外，氫氣比甲烷更易燃易爆，氫氣的爆炸極限比甲烷寬得多。因此，氫泄漏會增加安全風險，需要考慮改變操作程序和防爆危險區(qū)域劃分。”業(yè)內(nèi)人士指出。
經(jīng)濟性有待提高
“以氫為連接樞紐，燃氣輪機和新能源可以起到很好的互補和協(xié)同作用，由它們組成的混合發(fā)電系統(tǒng)具有更好的靈活性和穩(wěn)定性，也可以為純氫燃氣輪機發(fā)電行業(yè)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。”上述專家表示，目前氫燃氣輪機發(fā)電受制氫成本、能源轉(zhuǎn)換效率等多種因素影響，面臨經(jīng)濟性低下的問題。目前我國電解水制氫成本較高，約1.8-3.6元/立方米。但隨著新能源發(fā)電比重的不斷提高，預計2025年后電解水制氫成本將降至1.35元/立方米以下。
集中式發(fā)電效率低也制約了氫燃料發(fā)電的經(jīng)濟性。有業(yè)內(nèi)人士直言，在我國風電和光伏裝機容量遠遠超過化石能源的情況下，可再生能源生產(chǎn)的綠氫仍主要供應給交通、工業(yè)等領(lǐng)域，集中氫燃料發(fā)電進展緩慢。雖然混氫或純氫燃料燃機發(fā)電示范項目將陸續(xù)推出，但在可再生能源尚未實現(xiàn)更大規(guī)模發(fā)展的情況下，電－氫－電的轉(zhuǎn)化過程降低了能源的整體利用效率。如果不解決上述問題，將難以廣泛應用。
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