華天航空動力：燃氣輪機參與“氫儲能”的標準化路徑

編者按：

氫能是全球能源轉(zhuǎn)型與發(fā)展的新趨勢，也是現(xiàn)代能源體系的重要組成部分，將對我國能源應(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，各國能源巨頭競相布局氫能產(chǎn)業(yè)。

華天航空動力瞄準全球氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向，對燃氫燃氣輪機的技術(shù)發(fā)展與實踐應(yīng)用進行了深入研究，并編譯了本文，以期為燃氣輪機在氫能領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供可靠的技術(shù)支持與實踐經(jīng)驗。

正文

隨著全球向凈零碳排放邁進，間歇性可再生能源發(fā)電裝機容量(尤其是風(fēng)能和太陽能)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。

氫燃燒的儲能邏輯

可再生能源的裝機容量不斷擴大，使電網(wǎng)資源的平衡更加復(fù)雜。雖然儲能電池已經(jīng)成為一種越來越廣泛的選擇，但是使用氫氣作為能源載體，將氫儲能與燃氣輪機相結(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剩的風(fēng)能和太陽能通過電解水制取“綠氫”，將其儲存起來，用于燃氣輪機燃氫發(fā)電，以實現(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)能和太陽能的一種存儲形式。

燃機電廠燃氫改造的標準化發(fā)展

全球燃機廠商目前正在研究的所有綠氫技術(shù)，包括綠氫的生產(chǎn)、綠氫的儲存以及綠氫在燃氣輪機中的應(yīng)用，均為成熟的商業(yè)技術(shù)。其挑戰(zhàn)在于擴大這些技術(shù)的規(guī)模，并使其更快地進入市場。

目前，全球幾家燃氣輪機制造商均在改造電力部門的燃氣輪機，在燃用氫氣方面取得了穩(wěn)步進展。2020年9月，三菱電力公司(Mitsubishi Power)推出了據(jù)稱是世界上第一個綠氫一體化的“標準包”，支持了傳統(tǒng)燃氣電廠向氫能的轉(zhuǎn)變。世界其他主機廠商也一直在與客戶合作，陸續(xù)推出了各自的“標準包”，開發(fā)了一種適用于所有燃氣電廠氫能改造的標準化解決方案。“標準包”解決了發(fā)電商和電網(wǎng)運營商在整合可再生能源、燃氣輪機、綠氫和其他儲能技術(shù)時可能遇到的復(fù)雜問題。這也將有助于降低成本，擴大規(guī)模，提高市場接受度。

相關(guān)標準包的內(nèi)容主要集中在以下幾個方面。

在電廠整體改造方面

通過共用公輔系統(tǒng)來降低改造成本。在建設(shè)電解槽系統(tǒng)時，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。通過這個協(xié)同效應(yīng)，有助于降低系統(tǒng)復(fù)雜性，并提高運營效率和降低投資成本。

在物理集成方面

一是對整流器、變壓器、建筑物和所有其他輔助設(shè)備進行一體化設(shè)計;二是在電解槽和燃氣輪機的撬裝方面，正在研究如何利用燃氣輪機的余熱。例如，為電解槽提供低品位熱量，以幫助其提高啟動和運行效率。

數(shù)字化集成方面

在其他所有設(shè)備集成撬裝時，尋求數(shù)字集成的標準化。

三菱電力的標準化實踐案例

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

它將燃氣輪機發(fā)電廠與電解水制氫裝置集成在一起，同時結(jié)合現(xiàn)場氫氣存儲，從而生產(chǎn)100%可再生電力。此外，TOMONI 軟件和控件通過集成燃氣輪機和電解裝置實現(xiàn)快速的負載響應(yīng)。Hydaptive 套件增加了擴展/擴展存儲能力，可用于新的燃氣輪機發(fā)電廠或現(xiàn)有電廠的改造，以提高靈活性和延長資產(chǎn)壽命。

“標準包”的中國嘗試

華天航空動力聯(lián)合相關(guān)客戶與科研院所，編制了《燃氣輪機氫能發(fā)電全球技術(shù)發(fā)展藍皮書》，也系統(tǒng)地提出了國產(chǎn)版的燃氣電廠氫能改造“標準包”，其主要內(nèi)容涉及以下幾個方面。

氫燃料輸送及儲存安全

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，一旦將來使用現(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(fù)、更新并定期檢驗。

電廠廠區(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(fēng)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。

燃氫燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)電廠的改造

燃料中如果氫含量百分比低時，對減少CO2排放幾乎沒有影響，因此業(yè)內(nèi)更希望盡快達到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，可能會增加回火的風(fēng)險;較短的點火延遲時間，可能會增加意外自燃的風(fēng)險;與天然氣相比，燃燒氫氣的熱聲振幅水平和頻率也不同，可能會對燃燒穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

同等體積下，氫氣的熱值(LHV) 低于天然氣，這意味著實現(xiàn)相同的熱功率下運行需要更大的體積流量氫氣;燃燒氫氣還會增加廢氣中的水分含量，導(dǎo)致向熱端部件熱傳遞的增加，進而需要更多的冷卻;水分含量的增加還會使熱腐蝕更容易發(fā)生，可能會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)化為氮氣和水。對于現(xiàn)有的燃機電廠，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：當使用蒸汽作為稀釋劑時，擴散燃燒器已經(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、額外的能量來產(chǎn)生蒸汽，并且由于傳熱增加可能會增加燃氣輪機熱端部件的應(yīng)力。

目前對燃氫燃氣輪機的研究焦點是干低NOx(DLN)技術(shù)的預(yù)混燃燒器。

空間

燃氫電廠改造，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，因此如果電廠將來有可能使用氫氣運行，應(yīng)當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)場儲存一些氫氣以保持電廠的連續(xù)運行。這會影響一般的電廠布局并需要額外的空間，因為儲氫罐周圍還需要安全區(qū)。

當前的電解廠無法連續(xù)為大型燃機電廠提供足夠氫氣確保其持續(xù)運行。例如，目前，NEL M5000是較大的氫氣電解槽設(shè)備之一，對于1臺燃氫100%的571MW的GE 9HA.02重型燃氣輪機，僅能滿足其需求的1.2%。但是隨著市場對氫氣需求增加的適應(yīng)，這種情況會持續(xù)改善，但如果要在現(xiàn)場電解氫氣，則又會出現(xiàn)空間問題。

管道

通過管道輸送氫氣時，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的壓力下運行。較大直徑的管道可能會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。與天然氣等大分子相比，小尺寸的氫分子也更容易通過密封件和連接器逸出。

由于燃料中的天然氣水平會不斷降低，可以增加能夠檢測氫火焰的火焰探測器和升級能夠檢測碳氫化合物水平降低的氣體傳感器。

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。

建立氫能電廠燃料處理相關(guān)的標準和規(guī)范。

其他

由于燃氫燃氣輪機排氣能量可能更高，因此可能需要調(diào)整余熱鍋爐 (HRSG)，這是一項重要的資本支出。

一般情況下，還需要對控制系統(tǒng)進行大量更新，這可能會影響燃氣輪機的性能，包括輸出功率和熱效率。

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