隨著全球氣候變化壓力的不斷增大,世界各國都在加大可再生能源的研究利用,作為促進低碳經濟發(fā)展的氫能產業(yè)也日益受到重視,美國、日本、德國等發(fā)達國家相繼將氫能發(fā)展列入國家能源發(fā)展規(guī)劃,產業(yè)鏈技術的開發(fā)、利用水平也日趨成熟。自2011年以來,我國也一直在積極鼓勵和引導氫能產業(yè)的發(fā)展,多個政府機構部門從戰(zhàn)略路線、產業(yè)結構、科技、財政等方面制定了系列的規(guī)劃路線和政策措施,特別是在《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中,氫能和燃料電池被列為需要集中攻關的關鍵技術。
另一方面天然氣發(fā)電作為電力結構的重要組成部分,《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃》已明確了天然氣發(fā)電項目建設目標,2020年將實現(xiàn)氣電裝機容量占比超過5%,總體規(guī)模達110GW。如果能將以上兩者結合,用清潔的氫燃料替換天然氣通過使用升級改造后的燃氣輪機發(fā)電,那么每年將會減少巨量的碳排放。
1、氫燃料燃氣輪機的發(fā)展狀況
上世紀80～90年代開始,多個國家和國際機構制定了氫燃氣輪機和氫能相關研究計劃。2005年美國能源部(DOE)同時啟動為期6年的“先進IGCC/H2燃氣輪機”項目和“先進燃氫透平的發(fā)展”項目,這2個項目以NOx排放小于3ppm的燃氣輪機為目標,主要研究內容包括富氫燃料/氫燃料的燃燒、透平及其冷卻、高溫材料、系統(tǒng)優(yōu)化等。2007年歐盟在其第七框架協(xié)議(FP7)中啟動了“高效低排放燃氣輪機和聯(lián)合循環(huán)”重大項目,以氫燃料燃氣輪機為主要研究對象。2008年歐盟第七框架又把“發(fā)展高效富氫燃料燃氣輪機”作為一項重大項目,旨在加強針對富氫燃料燃氣輪機的研究。日本將高效富氫燃料IGCC系統(tǒng)的研究作為未來基于氫的清潔能源系統(tǒng)的一部分列入其為期28年的“新日光計劃”中(WE-NET),以效率大于60%的低污染煤基IGCC系統(tǒng)為目標展開研究[1]。如今世界上富氫燃料燃氣輪機已有較多的應用業(yè)績,主要是以合成氣擴散燃燒模式的IGCC電廠系統(tǒng)。
日本三菱日立自1970年開始研發(fā)含氫燃料的燃氣輪機,早期擴散燃燒器已被證實能在含氫0～100%的燃料中安全穩(wěn)定運行,截止至2018年含氫燃料的燃氣輪機業(yè)績已達29臺,運行小時數(shù)超過3.57百萬小時,以M系列和H系列機型為主。2018年三菱日立在700MW輸出功率的J系列重型燃氣輪機上使用含氫30%的混合燃料測試成功,測試結果證實該公司最新研發(fā)的新型預混燃燒器可實現(xiàn)30%氫氣和天然氣混合氣體的穩(wěn)定燃燒,二氧化碳排放可降低10%,NOx排放在可接受范圍內。
美國GE公司的燃氫氣輪機開發(fā)是在7FA燃機基礎上進行的,上世紀九十年代其中以合成氣擴散燃燒+N2/水蒸氣稀釋為主的7FB機組已完成開發(fā)并廣泛應用,隨后也推廣到6B機組中[2]。在小型機中,最近澳大利亞領先的氫氣基礎設施開發(fā)商H2U與GE貝克休斯簽署協(xié)議,將部署NovaLT燃機為PortLincoln項目提供100%的氫氣運行,打造綠色氫能發(fā)電廠。在富氫燃料干式低氮燃燒器研發(fā)方面,GE目前仍在研究測試中。
德國西門子的燃氫氣輪機則是以SGT-6000G(W501G)為基礎開發(fā)合成氣/氫氣燃氣輪機。對于富氫燃料干式低排放燃燒器的研究,目前第4代DLE燃燒系統(tǒng)富氫燃燒已完成多次試驗,試驗表明,氫濃度在35%時該系統(tǒng)的NOx排放可控制到20PPM內。
2、氫燃料燃氣輪機發(fā)電的技術特點
天然氣和氫氣的燃料特性差異決定了燃氣輪機采用含氫燃料時,燃機需要通過相應的升級改造以適應燃料的變化,從需求側考慮,該升級應是在已有燃氣輪機的平臺上做出有限的改造即能滿足由100%的天然氣到富氫燃料甚至純氫燃料穩(wěn)定運行,同時NOx排放又在可控范圍內,不會大幅增加脫氮的成本。鑒于目前高效重型燃機均采用干式低氮燃燒器,為減少改造范圍,采用氮氣或水蒸氣注入稀釋的擴散低氮燃燒技術已不再適用,DLN預混燃燒器或更先進的燃燒器將是未來技術發(fā)展方向。
由于氫氣單位體積的低位熱值小于天然氣,保持出力不變必將使進入燃燒器的燃料體積流量增大,同時氫氣在空氣中的火焰速度高于天然氣,因此燃用氫氣或其混合物需解決如下問題:解決回火和火焰震蕩問題以增加透平的安全和可操作性;解決在高溫和高壓下富氫/純氫燃料的自動點火問題;改進燃燒室結構以應對較高的燃料體積流量[3];燃燒系統(tǒng)的設計需要考慮減少NOx排放技術。
除燃燒系統(tǒng)升級以外,當常規(guī)燃氣輪機改燃燒氫氣時,在維持燃氣透平的初溫恒定不變的前提下,燃料的質量流速和容積流速會有一定程度的增加,致使有可能使壓氣機發(fā)生喘振現(xiàn)象,因此在改造設計時必須考慮燃氣透平與壓氣機工質流量的匹配問題[4]。
3、氫燃料燃氣輪機發(fā)電的安全性分析
由于長期以來對氫能缺乏足夠的了解,再加上發(fā)生氫氣球爆炸的危害性,致使人們談氫色變。燃機氫能發(fā)電除了技術上要解決壓氣機喘振、預混燃燒回火和燃燒振動等燃機本體安全性問題外,對于氫燃料的生產、輸送和儲存的安全監(jiān)督顯得更為重要。
3.1氫燃料的生產安全
高效重型燃機發(fā)電需要消納大量的氫燃料,按照目前F級燃機聯(lián)合循環(huán)400MW計算,每小時需要的天然氣燃料約為8萬標方,假設機組效率不變,天然氣體積低位熱值為氫氣的3.3倍,該燃機用純氫氣發(fā)電則每小時需要供氫26.4萬標方才能保證出力不變。為能滿足如此大規(guī)模的用氫需求,在燃機電廠現(xiàn)有的條件下,通過在天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)末端加裝催化裝置,用天然氣制氫是眾多制氫技術中最為合適的。
天然氣制氫主要由天然氣和水蒸汽催化轉化、氫氣吸附提純兩部分組成。經脫硫凈化后的天然氣與水蒸氣按一定比例混合,在820～950℃的環(huán)境中在氧化鎳的作用下反應生成含氫氣、一氧化碳和二氧化碳的轉化氣,轉化氣中的一氧化碳和水蒸氣按照工藝流程在中變爐里進一步反應生成二氧化碳和氫氣形成變換氣,然后變換氣通過變壓吸附過程獲得高純度氫氣。該制氫技術已在國內已成功運用20多年,生產技術成熟,操作控制程序規(guī)范,自動化程度高,運行安全可靠,只要嚴格按照安全規(guī)程操作風險基本可控。
3.2 氫燃料的輸送及儲存安全
不管是遠端制氫還是末站制氫,氫氣通過天然氣管道大規(guī)模不間斷的輸送是被認為最方便有效的,然而氫氣有著比天然氣更寬的爆炸極限和更快的燃燒速率,再加上氫氣對金屬材料的劣化作用,利用現(xiàn)有天然氣管輸送混氫或純氫燃料的安全性問題亟待解決。
為保證燃機的出力保持不變,管線中天然氣的體積流量需要提高3.3倍,因此必須要提高管程的壓降,增強燃料的運輸能力,而氫氣對金屬材料的脆化特性和氫氣的滲透等不利因素在高壓運行環(huán)境中得到惡性疊加。所以輸送氫氣或混氫燃料對管材及其處理工藝的要求特別高,一旦將來要用現(xiàn)有管道輸送氫氣或混氫燃料,就必須對管道重新進行缺陷檢測、修復、更新并定期檢驗[5]。廠區(qū)大量儲存氫氣必然是一個重大的危險源,受到各部門的層層監(jiān)管,為降低風險事故的發(fā)生,氫氣發(fā)電的最佳模式是即制即用,消除儲存環(huán)節(jié),減少中間過程的潛在危險。
4、氫燃料燃氣輪機發(fā)電的經濟性分析
燃機發(fā)電的主要成本在于燃料,氫是可再生能源,因此制氫成本將是決定氫能發(fā)電推廣應用的關鍵因素。按照中國氫能產業(yè)基礎設施發(fā)展技術線路圖,未來最理想的模式是規(guī)?；奶柲?、風能、生物質能等可再生能源綠色制氫。然而,從技術發(fā)展的現(xiàn)狀來看,這些技術方法離工業(yè)應用還有很長的一段路。我國現(xiàn)階段制氫技術主要有5大類:一是電解水法;二是采用煤焦氣化技術;三是采用變壓吸附提純焦爐氣技術;四是采用天然氣、烴類轉化、重油裂解等技術;五是甲醇裂解制氫技術。
目前大規(guī)模的工業(yè)制氫以煤和天然氣等化石能源煉制為主,天然氣和氫燃料發(fā)電的經濟性在限定條件內測算如下:以2019年9月份能源價格做對比測算,天然氣價格約2.3元/Nm3,5500kcal的優(yōu)質煤價格約640元/t,對應的制氫價格分別約為1.20元/Nm3(天然氣制氫)、0.95元/Nm3(煤制氫)?，F(xiàn)在主流使用的F級重型燃機每標方天然氣可發(fā)電5～5.5口kWh,假設用氫氣替換天然氣后的效率不變(暫不考慮其他技術層面限制),在每標方天然氣的熱值為氫氣3.3倍條件下,取發(fā)電量的中位數(shù)5.25kWh反算,得出天然氣、天然氣制氫、煤制氫的燃料度電成本分別為0.438kWh/元、0.754kWh/元、0.597kWh/元。因此,化石能源制氫替代天然氣純發(fā)電,在現(xiàn)有政策背景下即使低氮燃燒器能投入應用也是沒有市場競爭優(yōu)勢,在未來化石能源制氫成本可預見能進一步降低,但受限于原材料的不可再生特性也終將會被淘汰。
電解水制氫是一種清潔、無污染、可再生的制氫方式,但目前仍存在系列缺點,如能耗高、缺乏大規(guī)模生產條件等。按商用電解槽法制氫測算,能耗約為4.5～5.5kWh/Nm3,轉化率在72～82%之間[6],折算后制氫成本為2.7～3.6元/Nm3,成本遠高于煤制氫、天然氣制氫,用于發(fā)電缺乏經濟性。如果利用可再生能源的棄電制氫,則制氫成本會有大幅降低(若棄電按0.1元/kWh計算[6],制氫成本約為0.9元/Nm3),但是適合棄電制氫地區(qū)一般存在長距離輸送和儲存等問題,導致現(xiàn)在總成本依然高昂。盡管現(xiàn)狀如此,但隨著氫能產業(yè)的日漸成熟,中間環(huán)節(jié)的管理、技術成本的相應下降,可再生能源制氫用于發(fā)電將是未來最理想的燃機氫能發(fā)電模式。
5、展望分析
清潔能源氫燃料替代天然氣用于燃氣輪機發(fā)電以減少大量的碳排放,這是未來的一個趨勢,氫燃料燃氣輪機的發(fā)展除了開發(fā)全新的機型,常規(guī)燃機上氫燃料替代天然氣的改造也是重要研究方向。就目前而言需重點解決幾個基礎條件:富氫甚至純氫干式低氮燃燒器的開發(fā)應用,先進的低氮技術替代傳統(tǒng)的添加稀釋劑低氮技術,能使氫燃料燃氣輪機有更高的效率和更低的排放;大規(guī)模的可再生能源制氫技術有突破性提高并形成規(guī)?；?大幅降低氫燃料生產、運輸、儲存成本,從源頭上降低氫燃料發(fā)電綜合成本;制氫產能能支撐全社會氫氣燃機發(fā)電需求;輸送氫氣的管網(wǎng)等其他配套系統(tǒng)必須得到充分的升級更新,符合安全要求。
當以上所有要素都發(fā)展成熟后,氫燃料燃氣輪機發(fā)電因其零碳、低NOx的排放優(yōu)勢,必將成為電力能源結構的中堅力量。
原標題：氫燃料燃氣輪機發(fā)電的應用前景究竟如何？
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