能源转型：传统燃气轮机电厂使用氢燃料应该考虑哪些方面？

导读：据powermag网站10月29日报道，在欧洲绿色协议之后，欧盟设定了到 2050 年实现碳中和的目标，就像美国和许多其他加入巴黎协定的国家一样。为了实现这一目标，温室气体排放量不能超过捕获和储存量，这意味着不可避免地需要逐步淘汰化石燃料。在发电方面，氢气被视为燃气轮机联合循环发电厂的潜在燃料，可提供可靠、可调度且无碳排放的电力。

在 SS&A Power Consultancy 最近对电力公司、设备供应商、EPC（工程、采购和施工）承包商、投资者、石油和天然气公司以及行业咨询顾问公司进行的一项调查中，59% 的参与调查的公司表示氢燃料对公司未来战略非常重要或有着重要的角色，62% 的受访者表示他们正专注于氢气在燃气轮机的应用。在过去的一年中，宣布新的氢能开发和投资计划的数量呈指数级增长。在本文中，将讨论用于燃气轮机联合循环电厂的氢燃料考虑因素和机会。

燃料中氢含量百分比对燃气轮机碳排放的影响

氢气的能量密度低于天然气，如果以体积流量作为比较，那么在应用过程中会发现：燃料中如果氢含量百分比低时，对减少CO2排放几乎没有影响，因此业内更希望尽快达到 100% 体积氢含量燃料应用。

同时，在燃气轮机中燃烧氢气的挑战源于氢气与天然气不同的特性，例如增加的反应性（火焰传播速度更快）、点火延迟时间和热声特性。从表 1 中可以看出，氢气的特性通常与传统燃料有很大不同。这不一定是坏事，但确实需要仔细考虑如何在燃气轮机中有效燃烧氢气。

表 1. 氢特性与传统燃料的比较（LHV = 低热值）

在氢气燃烧期间，由于氢气的反应性增加，火焰位置
更倾向于向上游移动。如果不加以考虑，这会增加回火的风险，从而导致上游组件损坏。当前的燃烧系统通常需要通过改变燃料参数来降低回火风险。

此外，当氢含量高时，较短的点火延迟时间可能会增加意外自燃的风险。除此之外，与天然气相比，燃烧氢气的热声振幅水平和频率也不同，这会对燃烧稳定性也会产生影响。

还出现了几个进一步的小挑战。同等体积下，氢气的热值(LHV) 低于天然气，这意味着实现相同的热功率下运行需要更大的体积流量氢气。燃烧氢气还会增加废气中的水分含量，导致向热端部件热传递的增加，进而需要更多的冷却。水分含量的增加还会使热腐蚀更容易发生，从而可能会缩短某些部件的使用寿命。

电厂对燃氢方面必须考虑

的

1）NOx排放

由于氢气的火焰温度较高，在联合循环燃气轮机中燃烧氢气会导致较高的 NOx排放。因此，在现有联合循环发电厂中引入氢气可能会导致NOx排放超出限制。

选择性催化还原 (SCR) 可能会为 NO x形成问题提供一种改造解决方案。通过催化还原过程，NOx被转化为氮气和水。通常，氨或氨衍生物用作还原剂，将还原剂添加到烟道气中并在催化剂上反应。

SCR 系统的局限性包括污染、堵塞和有限的使用寿命。当温度较低时，不会发生NOx还原，当氨通过 SCR 未反应时会导致氨泄漏。对于现有的燃气轮机发电厂，如果已经安装了现成的SCR设备，可能有一些能力接受 NOx排放的增加。否则，只能改造 SCR 或增加已安装 SCR 的容量。

燃烧系统在燃烧氢气时，确保不超过 NOx限制的情况方面发挥着关键作用。燃烧系统中常用于减少 NOx的方法是喷射较少的燃料，在预混燃烧器中使用更稀薄的混合物，或在扩散燃烧器中与惰性组分预混。前面提到的方法会导致较低的火焰温度，但不幸的是也会导致较低的出口温度，因此会导致性能略有下降。

当使用蒸汽作为稀释剂时，扩散燃烧器已经能够处理富氢燃料，甚至是纯氢燃料。然而，使用蒸汽作为稀释剂将需要大量高纯度水、额外的能量来产生蒸汽，并且由于传热增加可能会增加热端部件的应力。因此，目前对燃氢燃气轮机的研究焦点是干低NOX（DLN）技术的预合燃烧器。DLN 技术的最新发展表明，能够在 H 级重型燃气轮机中使用含高达 50vol% 氢的燃料，并且具备达到 100vol% 的能力。

2）空间

当对传统的天然气燃气轮机进行改造以燃烧氢气时，需要进行调整。变化包括加宽管道和改变材料以适应更高的体积流量和防止氢脆。改造中并不总是有空间容纳更宽的管道，因此如果电厂将来有可能使用氢气运行，建议建造更大直径的管道，以容纳所需的氢气量。因为如果燃气轮机需要提升其中心轴以容纳更宽的管道，则在系统中改装氢气可能在经济上不可行。

由于其体积能量含量比天然气低约3倍，因此在提供相同能量含量的情况下，氢气将占据更多空间。在现场储存一些氢气以允许连续操作可能是有利的，即使氢气供应中断。这会影响一般的电厂布局并需要额外的空间，因为储氢罐周围还需要安全区。

阻碍富氢燃料的一个经常被忽视的问题是为燃气轮机提供动力所需的大量氢气供应。当前的电解厂无法连续为大型电厂提供氢气确保其持续运行。例如，目前，NEL M5000 是可用的较大的现成氢气电解槽设备之一，对于1台燃氢100%的571MW的GE 9HA.02重型燃气轮机，仅能满足其需求的1.2%。但是随着市场对氢气需求增加的适应，这种情况肯定会持续改善，但如果要在现场电解氢气，则又会出现空间问题。

3）管道

通过管道输送氢气时，重要的是要考虑输送压力和温度，以避免管道和辅助设备中的氢脆。氢气通常被压缩到 35 bar到 150 bar之间，用于管道传输；而向许多最终用户提供气体的分配系统通常在低于 7 bar 的压力下运行。较大直径的管道可能会在较低的压力下提供相等的质量流量。

虽然不锈钢设备在 50 bar 和 100C（这是石油和天然气应用中遇到的最大值）下不会发生氢脆，但将温度提高到 200C 左右可能会导致 H 2迁移通过材料。当需要对氢气进行预热以提高性能时，这可能是一个问题，尽管 316L 级不锈钢被认为非常适合减少这种影响。

如果考虑到，很容易避免设备的氢脆。在燃气轮机中，可能需要实施新的燃烧系统，这将需要新的燃料辅助管道和阀门，可能还需要安装新的燃料撬以容纳较小的氢分子。

新安装的低压气体分配管道通常由聚乙烯或纤维增强聚合物制成。如果这些管道已经就位，或者只需要运输氢气和天然气的混合物，则只需进行最小的更改，运输纯氢时则需要更多考虑。

4）燃料处理

处理气体时也需要考虑一些问题。由于氢气是一种非常轻的气体，其分子非常小，可以扩散到某些材料中，包括某些类型的钢铁管道，并增加它们失效的风险。与天然气等大分子相比，小尺寸的氢分子也更容易通过密封件和连接器逸出。

氢气是一种无毒气体，但其火焰速度高、点火范围广、点火能量低，因此具有高度易燃性，而其高浮力和扩散性使其快速消散，降低了爆炸风险。氢气无色无味，燃烧时会产生肉眼不可见的火焰，因此更难检测到泄漏和火灾。氢的这些特性需要改变以减轻安全问题。这些变化包括能够检测氢火焰的火焰探测器和升级能够检测碳氢化合物水平降低的气体的气体传感器，因为燃料中的天然气水平降低。可能需要修改外壳和通风系统以减轻爆炸和火灾风险。

然而，在工业上使用氢气已经有几十年的经验，包括在大型专用分配管道中，并且这些地点的安全处理协议已经到位。在国际层面，尚未发布在燃气轮机中运行氢气的标准。

5）其他注意事项

除了上述考虑因素外，还应审查对现有电厂进一步各种调整。由于燃气轮机排气能量可能更高，因此可能需要调整余热锅炉 (HRSG)，这可能是一项主要的资本支出。还可能还需要对控制系统进行大量更新，这可能会影响燃气轮机的性能，包括输出功率和热效率。如果电厂有长期服务协议，则需要与服务提供商讨论燃料中氢含量的增加，因为可能会增加维护成本。

改用富氢燃料时的注意事项摘要

由于它们的灵活性，可以通过一些重新配置来改变燃气轮机燃料，从而允许使用现有的燃气轮机设备。然而，所需变化的幅度是燃料中氢含量的函数。低氢燃料通常只需少量改动即可燃烧，但将燃气轮机配置为仅燃烧纯氢气需要对电厂进行彻底审查。

如果新燃料将是天然气中的氢气混合物，则所需的更改可能仅限于控制系统更新以及新的燃烧器燃料喷嘴。许多变化取决于应用。需要在案例研究中审查所需的更改。表 2 显示了联合循环发电厂燃烧氢气的主要考虑因素。

表 2. 重新配置燃气轮机以燃烧富氢燃料时的注意事项摘要

当前的发展

总部位于瑞士的 SS&A Power Group公司是勇于进军氢燃料发电电厂的公司之一，G2P Adriatic AD 是其子公司之一，目前正在开展一个项目，用一座 200 MW的燃气轮机电厂替换一个旧燃煤发电厂，新的电厂可直接获得氢燃料。该项目的目标是包括整个氢链，包括绿色氢的产生。

此外，SS&A Power Consultancy 正在为现有电厂业主提供燃气轮机燃氢方面的建议，包括对氢气改造方案的可行性研究。许多业主还将氢气准备情况视为新建联合循环电厂的重要考虑因素。在法规要求或在经济上有利时切换到氢燃料的能力被视为一种“面向未来”的发电能力，以确保电厂能够长期保持竞争力。

随着氢能在能源行业站稳脚跟，发展势必会接踵而至，但只有提高经济和技术可行性，才有可能在绿色和稳健的能源行业中实施氢能。