編者按：

氫能是全球能源轉(zhuǎn)型與發(fā)展的新趨勢(shì)，也是現(xiàn)代能源體系的重要組成部分，將對(duì)我國(guó)能源應(yīng)用的前景產(chǎn)生深刻影響。世界氫能產(chǎn)業(yè)的商業(yè)化步伐正在不斷加快，各國(guó)能源巨頭競(jìng)相布局氫能產(chǎn)業(yè)。

華天航空動(dòng)力瞄準(zhǔn)全球氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向，對(duì)燃?xì)淙細(xì)廨啓C(jī)的技術(shù)發(fā)展與實(shí)踐應(yīng)用進(jìn)行了深入研究，并編譯了本文，以期為燃?xì)廨啓C(jī)在氫能領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供可靠的技術(shù)支持與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

正文

隨著全球向凈零碳排放邁進(jìn)，間歇性可再生能源發(fā)電裝機(jī)容量(尤其是風(fēng)能和太陽(yáng)能)飛速發(fā)展，如何以最佳方式整合間歇性可再生能源，保障供電安全，已經(jīng)成為世界性的話題。

氫燃燒的儲(chǔ)能邏輯

可再生能源的裝機(jī)容量不斷擴(kuò)大，使電網(wǎng)資源的平衡更加復(fù)雜。雖然儲(chǔ)能電池已經(jīng)成為一種越來(lái)越廣泛的選擇，但是使用氫氣作為能源載體，將氫儲(chǔ)能與燃?xì)廨啓C(jī)相結(jié)合，確保間歇性可再生能源的最佳使用，也具有顯著的吸引力。

最前沿的概念是利用過(guò)剩的風(fēng)能和太陽(yáng)能通過(guò)電解水制取“綠氫”，將其儲(chǔ)存起來(lái)，用于燃?xì)廨啓C(jī)燃?xì)浒l(fā)電，以實(shí)現(xiàn)零碳與可調(diào)度發(fā)電。從本質(zhì)上講，綠氫可以作為風(fēng)能和太陽(yáng)能的一種存儲(chǔ)形式。

燃機(jī)電廠燃?xì)涓脑斓臉?biāo)準(zhǔn)化發(fā)展

全球燃機(jī)廠商目前正在研究的所有綠氫技術(shù)，包括綠氫的生產(chǎn)、綠氫的儲(chǔ)存以及綠氫在燃?xì)廨啓C(jī)中的應(yīng)用，均為成熟的商業(yè)技術(shù)。其挑戰(zhàn)在于擴(kuò)大這些技術(shù)的規(guī)模，并使其更快地進(jìn)入市場(chǎng)。

目前，全球幾家燃?xì)廨啓C(jī)制造商均在改造電力部門的燃?xì)廨啓C(jī)，在燃用氫氣方面取得了穩(wěn)步進(jìn)展。2020年9月，三菱電力公司(Mitsubishi Power)推出了據(jù)稱是世界上第一個(gè)綠氫一體化的“標(biāo)準(zhǔn)包”，支持了傳統(tǒng)燃?xì)怆姀S向氫能的轉(zhuǎn)變。世界其他主機(jī)廠商也一直在與客戶合作，陸續(xù)推出了各自的“標(biāo)準(zhǔn)包”，開發(fā)了一種適用于所有燃?xì)怆姀S氫能改造的標(biāo)準(zhǔn)化解決方案。“標(biāo)準(zhǔn)包”解決了發(fā)電商和電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商在整合可再生能源、燃?xì)廨啓C(jī)、綠氫和其他儲(chǔ)能技術(shù)時(shí)可能遇到的復(fù)雜問(wèn)題。這也將有助于降低成本，擴(kuò)大規(guī)模，提高市場(chǎng)接受度。

相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)包的內(nèi)容主要集中在以下幾個(gè)方面。

在電廠整體改造方面

通過(guò)共用公輔系統(tǒng)來(lái)降低改造成本。在建設(shè)電解槽系統(tǒng)時(shí)，可以共用電廠原有的冷卻水系統(tǒng)、軟化水系統(tǒng)和諸多電氣設(shè)備等。通過(guò)這個(gè)協(xié)同效應(yīng)，有助于降低系統(tǒng)復(fù)雜性，并提高運(yùn)營(yíng)效率和降低投資成本。

在物理集成方面

一是對(duì)整流器、變壓器、建筑物和所有其他輔助設(shè)備進(jìn)行一體化設(shè)計(jì);二是在電解槽和燃?xì)廨啓C(jī)的撬裝方面，正在研究如何利用燃?xì)廨啓C(jī)的余熱。例如，為電解槽提供低品位熱量，以幫助其提高啟動(dòng)和運(yùn)行效率。

數(shù)字化集成方面

在其他所有設(shè)備集成撬裝時(shí)，尋求數(shù)字集成的標(biāo)準(zhǔn)化。

三菱電力的標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)踐案例

三菱電力正在提供一種名為“Hydaptive Standard Flexibility Package”的綠氫解決方案。Hydaptive 套件旨在通過(guò)近乎瞬時(shí)的功率平衡資源來(lái)提供可再生能源的靈活性，從而極大地增強(qiáng)了簡(jiǎn)單循環(huán)或聯(lián)合循環(huán)電廠增/減功率的能力，來(lái)加強(qiáng)電網(wǎng)平衡服務(wù)的能力。

它將燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電廠與電解水制氫裝置集成在一起，同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)氫氣存儲(chǔ)，從而生產(chǎn)100%可再生電力。此外，TOMONI 軟件和控件通過(guò)集成燃?xì)廨啓C(jī)和電解裝置實(shí)現(xiàn)快速的負(fù)載響應(yīng)。Hydaptive 套件增加了擴(kuò)展/擴(kuò)展存儲(chǔ)能力，可用于新的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電廠或現(xiàn)有電廠的改造，以提高靈活性和延長(zhǎng)資產(chǎn)壽命。

“標(biāo)準(zhǔn)包”的中國(guó)嘗試

華天航空動(dòng)力聯(lián)合相關(guān)客戶與科研院所，編制了《燃?xì)廨啓C(jī)氫能發(fā)電全球技術(shù)發(fā)展藍(lán)皮書》，也系統(tǒng)地提出了國(guó)產(chǎn)版的燃?xì)怆姀S氫能改造“標(biāo)準(zhǔn)包”，其主要內(nèi)容涉及以下幾個(gè)方面。

氫燃料輸送及儲(chǔ)存安全

氫氣通過(guò)天然氣管道大規(guī)模不間斷的輸送是被認(rèn)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(duì)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(wèn)題亟待解決。

為保證燃機(jī)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(qiáng)燃料的運(yùn)輸能力，而氫氣對(duì)金屬材料的脆化特性和氫氣的滲透等不利因素在高壓運(yùn)行環(huán)境中得到惡性疊加。

所以輸送氫氣或混氫燃料對(duì)管材及其處理工藝的要求特別高，一旦將來(lái)使用現(xiàn)有管道輸送氫氣或混氫燃料，就必須對(duì)管道重新進(jìn)行缺陷檢測(cè)、修復(fù)、更新并定期檢驗(yàn)。

電廠廠區(qū)大量?jī)?chǔ)存氫氣必然是一個(gè)重大的危險(xiǎn)源，受到各部門的層層監(jiān)管，為降低風(fēng)險(xiǎn)事故的發(fā)生，氫氣發(fā)電的最佳模式是即制即用，消除儲(chǔ)存環(huán)節(jié)，減少中間過(guò)程的潛在危險(xiǎn)。

燃?xì)淙細(xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)電廠的改造

燃料中如果氫含量百分比低時(shí)，對(duì)減少CO2排放幾乎沒(méi)有影響，因此業(yè)內(nèi)更希望盡快達(dá)到100%體積氫含量燃料應(yīng)用。

在氫氣燃燒期間，氫氣的反應(yīng)性(火焰?zhèn)鞑ニ俣?提高，可能會(huì)增加回火的風(fēng)險(xiǎn);較短的點(diǎn)火延遲時(shí)間，可能會(huì)增加意外自燃的風(fēng)險(xiǎn);與天然氣相比，燃燒氫氣的熱聲振幅水平和頻率也不同，可能會(huì)對(duì)燃燒穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

同等體積下，氫氣的熱值(LHV) 低于天然氣，這意味著實(shí)現(xiàn)相同的熱功率下運(yùn)行需要更大的體積流量氫氣;燃燒氫氣還會(huì)增加廢氣中的水分含量，導(dǎo)致向熱端部件熱傳遞的增加，進(jìn)而需要更多的冷卻;水分含量的增加還會(huì)使熱腐蝕更容易發(fā)生，可能會(huì)使某些部件的使用壽命縮短。

NOx排放

由于氫氣的火焰溫度較高，因此，在現(xiàn)有聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠中引入氫氣可能會(huì)導(dǎo)致NOx排放超出限制，解決方案如下：

SCR：氨或氨衍生物用作還原劑，添加到煙道氣中并在催化劑上反應(yīng)，將NOx轉(zhuǎn)化為氮?dú)夂退?duì)于現(xiàn)有的燃機(jī)電廠，如果已安裝SCR設(shè)備，可能有一些能力承受NOx排放的增加。否則，只能改造SCR或增加已安裝SCR的容量。

蒸汽稀釋：當(dāng)使用蒸汽作為稀釋劑時(shí)，擴(kuò)散燃燒器已經(jīng)能夠處理富氫甚至純氫燃料。然而，蒸汽稀釋需要大量高純度水、額外的能量來(lái)產(chǎn)生蒸汽，并且由于傳熱增加可能會(huì)增加燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件的應(yīng)力。

目前對(duì)燃?xì)淙細(xì)廨啓C(jī)的研究焦點(diǎn)是干低NOx(DLN)技術(shù)的預(yù)混燃燒器。

空間

燃?xì)潆姀S改造，需要加寬管道和改變材料以適應(yīng)更高的體積流量和防止氫脆。改造中并不總是有空間容納更寬的管道，因此如果電廠將來(lái)有可能使用氫氣運(yùn)行，應(yīng)當(dāng)建造更大直徑的管道，以容納所需的氫氣量。

氫氣體積能量比天然氣低約3倍，因此在提供相同能量的情況下，氫氣將占據(jù)更多空間。需在現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)存一些氫氣以保持電廠的連續(xù)運(yùn)行。這會(huì)影響一般的電廠布局并需要額外的空間，因?yàn)閮?chǔ)氫罐周圍還需要安全區(qū)。

當(dāng)前的電解廠無(wú)法連續(xù)為大型燃機(jī)電廠提供足夠氫氣確保其持續(xù)運(yùn)行。例如，目前，NEL M5000是較大的氫氣電解槽設(shè)備之一，對(duì)于1臺(tái)燃?xì)?00%的571MW的GE 9HA.02重型燃?xì)廨啓C(jī)，僅能滿足其需求的1.2%。但是隨著市場(chǎng)對(duì)氫氣需求增加的適應(yīng)，這種情況會(huì)持續(xù)改善，但如果要在現(xiàn)場(chǎng)電解氫氣，則又會(huì)出現(xiàn)空間問(wèn)題。

管道

通過(guò)管道輸送氫氣時(shí)，重要的是要考慮輸送壓力和溫度，以避免管道和輔助設(shè)備中發(fā)生氫脆。氫氣通常被壓縮到35bar到 150bar之間，用于管道傳輸;而向許多最終用戶提供氣體的分配系統(tǒng)通常在低于7bar的壓力下運(yùn)行。較大直徑的管道可能會(huì)在較低的壓力下提供相等的質(zhì)量流量。

燃料處理

由于氫氣是一種非常輕的氣體，其分子非常小，可以擴(kuò)散到某些材料中，包括某些類型的鋼鐵管道，并增加它們失效的風(fēng)險(xiǎn)。與天然氣等大分子相比，小尺寸的氫分子也更容易通過(guò)密封件和連接器逸出。

由于燃料中的天然氣水平會(huì)不斷降低，可以增加能夠檢測(cè)氫火焰的火焰探測(cè)器和升級(jí)能夠檢測(cè)碳?xì)浠衔锼浇档偷臍怏w傳感器。

一般情況下，需要修改箱體和通風(fēng)系統(tǒng)以降低爆炸和火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。

建立氫能電廠燃料處理相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。

其他

由于燃?xì)淙細(xì)廨啓C(jī)排氣能量可能更高，因此可能需要調(diào)整余熱鍋爐 (HRSG)，這是一項(xiàng)重要的資本支出。

一般情況下，還需要對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行大量更新，這可能會(huì)影響燃?xì)廨啓C(jī)的性能，包括輸出功率和熱效率。

如果電廠有長(zhǎng)期服務(wù)協(xié)議，由于可能會(huì)增加維護(hù)成本，則需要與服務(wù)提供商討論燃料中能否增加氫氣含量。