西門子：100%氫燃料計劃在2030年實現(xiàn)！
前言
在過去22年中，燃?xì)廨啓C的安裝量增加了兩倍，因為靈活性和效率已成為幾乎所有資源的關(guān)鍵要求，并確保了新燃?xì)廨啓C和現(xiàn)有燃?xì)廨啓C在實現(xiàn)從化石能源向脫碳電力系統(tǒng)平穩(wěn)過渡方面的另一重要作用才有意義。
根據(jù)歐洲工業(yè)協(xié)會EUTurbines設(shè)定的目標(biāo)，西門子天然氣和電力公司于2019年1月推出了一項雄心勃勃的路線圖，計劃到2020年燃?xì)廨啓C模型的氫氣燃料產(chǎn)能提高到至少20％，到2030年提高到100％。所有主要的燃?xì)廨啓C制造商都在不同程度上響應(yīng)了這一推動，他們認(rèn)為，氫能力可能會使全球燃?xì)獍l(fā)電商在低碳能源市場上有更多選擇，并防止因法規(guī)和排放限制而導(dǎo)致資產(chǎn)擱淺。
在10年內(nèi)實現(xiàn)100%的氫燃料
但是，西門子的路線圖特別突出，因為它將其產(chǎn)品組合從最小的航空驅(qū)動燃?xì)廨啓C擴展到其龐大的重型燃?xì)廨啓C，并試圖在短短10年內(nèi)實現(xiàn)100%的飛躍。正如該公司在最近的白皮書中所解釋的那樣，這一雄心勃勃的舉措源于這樣一種信心，即幾種燃?xì)廨啓C型號已經(jīng)可以使用高比例的氫燃料運行，機組的具體性能取決于型號和燃燒系統(tǒng)的類型（圖1）。
1. 此圖顯示了西門子燃?xì)廨啓C產(chǎn)品組合在新機組應(yīng)用中的氫氣能力。WLE代表濕式低排放，DLE代表干式低排放燃燒技術(shù)。（圖片來源：西門子）
該公司指出，自20世紀(jì)60年代以來，西門子為全球多個行業(yè)建造的55多臺機組燃燒了不同氫含量的燃料，累計運行時間達(dá)250萬小時。然而，盡管這為不減弱的擴散火焰、濕低排放（WLE）和干式低排放（DLE）燃燒技術(shù)帶來了重要經(jīng)驗，但確保其所有型號都具有高氫能力是一項艱巨的挑戰(zhàn)。
一個關(guān)鍵的障礙是，在絕熱和化學(xué)計量條件下，氫的火焰溫度幾乎比甲烷高出300攝氏度。更復(fù)雜的是，當(dāng)氫的層流火焰速度是甲烷的三倍多時，氫的自燃延遲時間比甲烷低三倍多。這意味著，正如西門子所解釋的那樣，研發(fā)團(tuán)隊必須在控制高反應(yīng)性燃料的火焰和保持燃燒系統(tǒng)完整性之間取得良好的平衡，同時努力達(dá)到所需的排放水平。
一些航空驅(qū)動裝置已經(jīng)實現(xiàn)了100%的氫燃料目標(biāo)
到目前為止，該公司已經(jīng)取得了令人矚目的成就。去年，該公司宣布，其所有配備了基于擴散燃燒器技術(shù)的WLE系統(tǒng)的機場驅(qū)動裝置已經(jīng)實現(xiàn)了2030年100%氫氣產(chǎn)能的目標(biāo)。WLE系統(tǒng)基本上使用注入燃燒室的水來降低燃燒火焰溫度，從而減少氮氧化物（NOx）的排放并提高燃?xì)廨啓C的功率輸出。但該公司表示，下一個關(guān)鍵步驟將需要為其DLE系統(tǒng)實現(xiàn)高溫燃燒，以擴大車隊100%的氫氣燃燒能力。
當(dāng)被問及為什么西門子正在開發(fā)用于100%氫氣的DLE技術(shù)時，已經(jīng)證明帶有擴散燃燒器的非DLE系統(tǒng)能夠處理“各種西門子非DLE燃?xì)廨啓C上的燃料成分和100%氫氣的大包絡(luò)線”，Michael Welch，一位西門子燃?xì)廨啓C專家說：“水是一種寶貴的資源；它增加了供水和處理到合適質(zhì)量的運行成本—您不能僅僅使用自來水，而且它通常會縮短組件的使用壽命，因為增加了維護(hù)檢查，從而增加了運行成本。舉個例子，用100%的氫來運行一臺60兆瓦的燃?xì)廨啓C，并達(dá)到百萬分之二十五的氮氧化物，你每小時將消耗20噸或2萬公升的水。”韋爾奇還指出，西門子的機場試驗只覆蓋很小的功率范圍，西門子希望在其5兆瓦至600兆瓦的燃?xì)廨啓C產(chǎn)品組合中采用高氫方案。
DLE技術(shù)的工作原理是在燃燒前混合燃料和空氣，以精確控制火焰溫度，從而控制產(chǎn)生NOx排放的化學(xué)過程的速率。然而，西門子解釋說：“氫的高反應(yīng)性給DLE系統(tǒng)的混合技術(shù)帶來了特殊的挑戰(zhàn)。”。“氫的可接受燃料分?jǐn)?shù)取決于具體的燃燒系統(tǒng)設(shè)計和發(fā)動機運行條件。”盡管西門子的DLE燃燒系統(tǒng)通常使用渦流穩(wěn)定火焰結(jié)合貧預(yù)混合，以在不稀釋燃料的情況下實現(xiàn)低NOx，將氫氣體積提高到50%到100%需要改變硬件和控制系統(tǒng)，比如新的燃燒器設(shè)計。
勝利在望
柏林清潔能源中心在SGT-600到SGT-800燃燒器上進(jìn)行的全壓燃燒試驗迄今為止為DLE系統(tǒng)取得了有希望的進(jìn)展。例如，SGT-600的燃燒器可以在DLE上100%運行。“西門子在巴西的一個熱電廠中以60%的功率穩(wěn)定運行，這是經(jīng)過驗證的。”
西門子現(xiàn)在已經(jīng)著手證明，到2023年，許多使用DLE的工業(yè)燃?xì)廨啓C都能實現(xiàn)100%的氫氣發(fā)電。第一個測試將在今年6月在法國啟動的HYFLEXPOWER項目上進(jìn)行。正如西門子公司所解釋的，參與英吉聯(lián)合熱電廠HYFLEXPOWER項目的現(xiàn)有西門子SGT-400渦輪機是一種小型工業(yè)燃?xì)廨啓C，采用G30燃燒器技術(shù)，這是一種經(jīng)過驗證的徑向旋流器預(yù)混合設(shè)計，允許燃料的靈活性，并且已經(jīng)證明能夠在高達(dá)10%的條件下運行氫的體積。
2. 西門子截至2020年4月的100%氫氣渦輪機路線圖。（圖片來源：西門子）
但至少目前來看，100%氫重型燃?xì)廨啓C的原型應(yīng)用和第一批客戶預(yù)計要到20世紀(jì)20年代末，如路線圖所示（圖2）。盡管如此，西門子似乎在改進(jìn)燃燒器設(shè)計方面取得了重大進(jìn)展，其大型燃?xì)廨啓C機組也取得了進(jìn)展。例如，最近，該公司向一家石化行業(yè)的客戶出售了一臺2000E的公用事業(yè)規(guī)模的燃?xì)廨啓C，要求從2020年開始，其氫含量不得超過27%。西門子表示：“西門子標(biāo)準(zhǔn)能力的擴展是通過對燃燒器的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行漸進(jìn)式和可改造性的改變來實現(xiàn)的，以提高在較高氫含量下的抗回火能力。”
文章轉(zhuǎn)自：燃?xì)廨啓C聚焦
