西門子：100%氫燃料計劃在2030年實現！
前言
在過去22年中，燃氣輪機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鍵要求，并確保了新燃氣輪機和現有燃氣輪機在實現從化石能源向脫碳電力系統平穩過渡方面的另一重要作用才有意義。
根據歐洲工業協會EUTurbines設定的目標，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年燃氣輪機模型的氫氣燃料產能提高到至少20％，到2030年提高到100％。所有主要的燃氣輪機制造商都在不同程度上響應了這一推動，他們認為，氫能力可能會使全球燃氣發電商在低碳能源市場上有更多選擇，并防止因法規和排放限制而導致資產擱淺。
在10年內實現100%的氫燃料
但是，西門子的路線圖特別突出，因為它將其產品組合從最小的航空驅動燃氣輪機擴展到其龐大的重型燃氣輪機，并試圖在短短10年內實現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，即幾種燃氣輪機型號已經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的類型（圖1）。
1. 此圖顯示了西門子燃氣輪機產品組合在新機組應用中的氫氣能力。WLE代表濕式低排放，DLE代表干式低排放燃燒技術。（圖片來源：西門子）
該公司指出，自20世紀60年代以來，西門子為全球多個行業建造的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）燃燒技術帶來了重要經驗，但確保其所有型號都具有高氫能力是一項艱巨的挑戰。
一個關鍵的障礙是，在絕熱和化學計量條件下，氫的火焰溫度幾乎比甲烷高出300攝氏度。更復雜的是，當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，研發團隊必須在控制高反應性燃料的火焰和保持燃燒系統完整性之間取得良好的平衡，同時努力達到所需的排放水平。
一些航空驅動裝置已經實現了100%的氫燃料目標
到目前為止，該公司已經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的WLE系統的機場驅動裝置已經實現了2030年100%氫氣產能的目標。WLE系統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）的排放并提高燃氣輪機的功率輸出。但該公司表示，下一個關鍵步驟將需要為其DLE系統實現高溫燃燒，以擴大車隊100%的氫氣燃燒能力。
當被問及為什么西門子正在開發用于100%氫氣的DLE技術時，已經證明帶有擴散燃燒器的非DLE系統能夠處理“各種西門子非DLE燃氣輪機上的燃料成分和100%氫氣的大包絡線”，Michael Welch，一位西門子燃氣輪機專家說：“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60兆瓦的燃氣輪機，并達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600兆瓦的燃氣輪機產品組合中采用高氫方案。
DLE技術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，從而控制產生NOx排放的化學過程的速率。然而，西門子解釋說：“氫的高反應性給DLE系統的混合技術帶來了特殊的挑戰。”。“氫的可接受燃料分數取決于具體的燃燒系統設計和發動機運行條件。”盡管西門子的DLE燃燒系統通常使用渦流穩定火焰結合貧預混合，以在不稀釋燃料的情況下實現低NOx，將氫氣體積提高到50%到100%需要改變硬件和控制系統，比如新的燃燒器設計。
勝利在望
柏林清潔能源中心在SGT-600到SGT-800燃燒器上進行的全壓燃燒試驗迄今為止為DLE系統取得了有希望的進展。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%的功率穩定運行，這是經過驗證的。”
西門子現在已經著手證明，到2023年，許多使用DLE的工業燃氣輪機都能實現100%的氫氣發電。第一個測試將在今年6月在法國啟動的HYFLEXPOWER項目上進行。正如西門子公司所解釋的，參與英吉聯合熱電廠HYFLEXPOWER項目的現有西門子SGT-400渦輪機是一種小型工業燃氣輪機，采用G30燃燒器技術，這是一種經過驗證的徑向旋流器預混合設計，允許燃料的靈活性，并且已經證明能夠在高達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%氫重型燃氣輪機的原型應用和第一批客戶預計要到20世紀20年代末，如路線圖所示（圖2）。盡管如此，西門子似乎在改進燃燒器設計方面取得了重大進展，其大型燃氣輪機機組也取得了進展。例如，最近，該公司向一家石化行業的客戶出售了一臺2000E的公用事業規模的燃氣輪機，要求從2020年開始，其氫含量不得超過27%。西門子表示：“西門子標準能力的擴展是通過對燃燒器的幾何結構進行漸進式和可改造性的改變來實現的，以提高在較高氫含量下的抗回火能力。”
文章轉自：燃氣輪機聚焦
