【行业干货】燃气轮机氢燃料的应用

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。