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前言:发电市场的驱动力一直是提高效率,降低排放和增加产量,而特别是对于航空航天市场而言,减轻重量和减小尺寸已成为关键标准。
(来源:燃气轮机聚焦 ID:GasTurbines)
英国共有39个联合循环燃气轮机发电站,铭牌容量约为30 GW,英国有350多个工业联合热电联产(CHP)站点,发电量约5 GW。燃气轮机的供应商很多,范围从仅输出几兆瓦的机组到简单循环的近600兆瓦的最新实用规模模型。
目前,并非所有的燃气轮机制造商都提供天然气/氢燃料混合物的选择,但是大多数主要的燃气轮机制造商已经开发出燃烧系统,以处理不合格的气体,以服务于钢铁厂的废气(BFG,COG),IGCC应用以及生物和废物衍生的合成气。这些不合格的气体包括氢含量高的气体,本文回顾了一家燃气轮机制造商西门子向100%氢发展的现状。
介绍
在过去的一个世纪中,燃气轮机行业发生了很大的变化。发电市场的驱动力一直是提高效率,降低排放和增加产量,而特别是对于航空航天市场而言,减轻重量和减小尺寸已成为关键标准。这些通常被证明是互斥的,但是制造商之间的竞争如此激烈,以至于上述所有这些都已经实现,这通常是由于引入了具有改进性能的新材料所致。
大型燃气轮机(在简单循环中> 50 MW)的制造(特别是用于电力和热电联产的应用)已经由相对较少的公司主导:通用电气(GE),西门子,三菱重工(MHI)和安萨尔多。
中型燃气轮机(相当于5-50 MW)通常作为主要市场用于航空航天应用,尽管也可用于陆基应用,包括CHP或分布式发电等较小规模的电力生产。还有其他燃气轮机服务于5兆瓦以下市场,但此处未考虑。
并非所有的燃气轮机都将证明适用于翻新改造,以实现部分或全部氢气燃烧。例如,与用已经完成工作的最新模型替换机器的成本相比,采用较旧模型进行相关测试进行重新设计的工作可能不合理。
氢燃烧演化
多年来,燃烧煤炭产生的热量被用来烧水,使蒸汽过热并通过涡轮/交流发电机使蒸汽膨胀来发电。这是常规发电,即朗肯循环。
产生电能的另一种方法是通过在压缩空气中燃烧天然气,通过动力涡轮膨胀热燃烧产物,并利用轴动力来驱动压缩机和发电机,这被称为燃气轮机布置(布雷顿循环)。
通过使用热废气来提高蒸汽并按常规在涡轮/交流发电机中产生更多的电力,可以有用地提取额外的能量。这种组合称为联合循环燃气轮机(CCGT)。
当树木和土地的环境破坏与发电厂的煤烟气中的二氧化硫(SO 2)排放联系在一起时,开发了两条技术路线。一种是从烟道气中洗涤SO 2,另一种是使用称为气化的过程从煤中产生合成气(“ Syngas”,一氧化碳和氢气的混合物)。合成气被送入燃气轮机,以类似于天然气的方式燃烧。为石化工业开发的化学工艺将洗净合成气中的硫。该过程称为整体气化联合循环(IGCC)。由于燃气的特性不同,因此有必要为燃气轮机开发不同的燃烧装置。
同时,人们对氮氧化物的生产提出了健康和环境方面的关注。燃煤电站采用低NOx燃烧器和选择性催化还原。燃气轮机制造商开发了低NOx燃烧器,对较旧型号(扩散型燃烧器)使用水或蒸汽喷射(所谓的“湿式”系统),最终使用分段或稀薄预混燃烧对新机器使用“干式”变体。技术(所谓的“干式低排放”或DLE燃烧器)。
由于DLE路线避免使用水或蒸汽,因此具有吸引力,因为:
·水纯度要求很高,以避免杂质沉积在膨胀涡轮机叶片上并减少冷却,从而导致热点;
·水与废气一起作为蒸汽排放,这对工厂造成了昂贵的损失;
·水资源被认为是一种资源,需要尽量减少工业淡水的使用以保护水资源;
·在某些气候条件下,可能会出现可见的羽流,如果可能应避免使用;
·特别是注水,但蒸汽也减少了涡轮机叶片的使用寿命;
·所需的水量很大,通常不能达到与“干式”技术相同的减排水平。
从正面看,由于通过膨胀涡轮的质量流量增加以及水闪蒸而使功率有所提高。对于某些燃料,湿式燃烧器目前是唯一的选择,尤其是在需要非常低水平的NOx排放的情况下。
接下来,当全球变暖与大气中CO2含量上升相关时,发电厂的煤烟气排放被确定为主要排放源之一。再次,开发了两条技术路线。一种是燃烧后捕集,其中涉及从常规发电站产生的烟气中洗涤CO 2。
另一种是燃烧前捕集,包括处理IGCC工厂产生的合成气,仅产生氢气,并将其供入燃气轮机,以与天然气相同的方式燃烧。可以将CO 2与SO 2一起洗掉。与天然气相比,由于氢气作为燃料气体的特性差异很大,因此需要对燃烧系统进行更多的更改,同时还需要对辅助系统进行更改。
同样,燃气轮机遵循两条路线。一种是进一步开发注水或蒸汽扩散燃烧器以使用氢气,另一种是重新设计DLE燃烧器以燃烧氢气。两种方法都由制造商开发,DLE是最终目标,因为它们避免了上述所有缺点。
如今,即使改进的设计继续成为主流,燃烧过程中每个开发阶段的示例(请参见图1和2)仍在使用中。
西门子
西门子提供了广泛的燃气轮机产品组合,从KG2燃气轮机(简单循环为2 MW)到SGT5-9000HL(简单循环为593MW,在其联合循环配置中更为常见,在1x1配置中为870MW)。较小的模型在英国的林肯,瑞典的芬斯蓬和加拿大的蒙特利尔生产,较大的模型在柏林的工厂生产。
除天然气外,该公司在大型和小型燃气轮机上都具有丰富的经验,这些燃气轮机使用高氢燃料,主要处理废气,包括在IGCC工厂中使用合成气运行的大型“框架”机。
西门子在燃烧来自炼油厂,炼钢厂和炼焦厂的含氢燃料方面拥有超过200万小时的运行经验。虽然主要是在扩散燃烧器上获得了这种经验,但在南美最近的订单中,DLE燃烧器中使用了约60%vol的氢气作为工艺废气。
大型燃气轮机
对于天然气/氢气混合物,较大的机器根据所安装的燃烧室类型而具有不同的功能。西门子已经对其F级机器进行了测试,该机器的氢气含量在燃气1中为30%至73%。测试结果表明可以达到排放和运行目标。
轻工业燃气轮机
在开发一些西门子的较小型工业燃气轮机以在扩散/ DLE燃烧器的天然气/氢气混合物上运行方面,已经做出了相当大的努力。该领域的工作仍在继续,尤其是DLE燃烧器,正在研究提高氢气的能力。
对于这些装有DLE燃烧器的小型燃气轮机,对于大多数型号而言,将不超过30%的氢气引入天然气系统显然不会带来技术问题,但在此之上,有必要对针对天然气进行了优化的布置进行一些修改。但是,事实证明,在25兆瓦至57兆瓦范围内的涡轮机上使用的DLE燃烧室设计(简单循环,天然气燃料)可燃烧高达60 vol%的氢气(40%的天然气)。目前正在进行开发工作,以在100%氢气中实现低NOx性能,预计将在2020年代中期完成。
航空衍生燃气轮机
带有DLE燃烧器的SGT-A35(27.2–32.1MWe)航空衍生物可处理SGT-A35和SGT的15vol%天然气燃料中的氢,但带有扩散燃烧器和注水以控制NOx。-A65(53.1–66MW)最高可以达到100 vol%的氢气。(燃气轮机的输出数据均为“简单循环”,并取决于配置和型号,其中天然气燃料处于ISO条件下。)
走向未来
与其他制造商一样,西门子已设定了能够提供可在整个范围内燃烧100%氢气的燃气轮机的目标,并且正在开发DLE燃烧器以满足预期需求。面临的挑战是如何在不影响效率,启动时间和NOx排放的情况下做到这一点。这是通过开发燃烧器设计实现的,其中天然气中氢气的比例不断增加。SGT-700(33 MW)上使用的DLE燃烧器设计显示出高达40 vol%的H 2容量。最近的测试表明,SGT-800(50 MW)可能占50 vol%,而SGT-600(25 MW)可能在较低温度下转化为60 vol%。
随着氢经济在未来十年中的发展,人们明确希望燃气轮机将准备迎接即将到来的市场,同时在排放,响应和效率方面不损害当今的高性能期望。
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