氢燃气轮机全球技术发展超全解析

在实现双碳目标的大背景下，氢燃气轮机的发展可以成为未来碳中和技术的重要支撑，实现能源行业长期的深度减碳，整合更多的可再生能源以支持国际社会实现其能源和气候目标。

当前，燃气轮机已经在能源系统中发挥了关键的作用，全球范围内已有大量相对新型、高效且灵活的燃气轮机，而当前可以预见的前景是燃煤发电将逐渐向燃气发电转变，而燃气轮机的燃料能力也将一步步扩展到氢气，具体的路线图如下图所示：

因此毫无疑问的是，通过将燃气轮机的燃料能力扩展到氢气，它们的作用将不仅在能源转型时期得到体现，而且在长期能源战略中也将占据主导地位。2019年1月，燃气轮机行业郑重承诺到2030年开发出燃烧100%氢气的燃气轮机，克服技术挑战，推动这一转变的迅速发生，全面支持全球天然气电网向可再生能源系统的转型。

燃气轮机本身的优势继承

基于燃气轮机的燃气蒸汽联合循环已被证明是目前最清洁的燃用化石燃料的热力循环发电形式：在相同发电量下，使用天然气为燃料的燃气轮机进行发电，其碳排放量相比燃煤电厂可以降低50%。

燃气轮机具有灵活性，适合频繁起停，可以快速响应电网需求，使其与可再生能源的波动进行互补。

氢燃气轮机的独有优势

作为伴生电源实现新能源电力的长周期储能与调节

氢燃气轮机可以在风力和日光等可再生能源充足的情况下利用多余的能源进行电解水制氢或结合采用碳捕集技术进行天然气重整制氢，构建一个包括储存在内，同时可以短时间内供应足量氢气的氢能基础设施，补充风能和太阳能的间歇性。而燃气轮机具有的从小型分散系统到大型集中系统的可扩展性使其能够适应生产能力和本地存储。

最大程度利用现有基础设施

在初期探索阶段，可再生气体与天然气混合可以进一步减少二氧化碳的排放，这可以通过直接在天然气管网或电厂内部注入可再生气体实现，这意味着在现有的基础设施内，氢气和天然气的混合物可以仅通过少量改造甚至无需改造就可以进行输送，这显著降低了推动项目试点的成本，也在很大程度上推动了各国政府在此方面的进程。例如，荷兰政府早在2008年的某个试点项目中就已经向其天然气管网注入了高达20%的氢气，而在我国，2019年，国家电投也建设了国内首个掺入“绿氢”的天然气输送应用示范项目，按照10%的掺氢比例将可再生能源电解水制取的氢气注入管线与天然气掺混。

然而需要注意的是，燃料中碳含量与体积氢含量的关系并非线性，只有在较高的氢含量下才能实现燃料中碳含量的显著降低，如下图所示。而对于100%的氢气输送而言，新的或者改装的管道基础设施是必不可少的。但该技术路线前期对基础设施的极大限度的利用有望刺激国际社会在此方面的投入，进而加快相应的发展速度。国家电投预期，在此技术路线上，全球可以通过相对有限的努力和投资，在未来十年内在燃氢燃气轮机路线的脱碳方面迈出巨大的一步。

当前所有燃气轮机制造商已经做出了相当大的努力，以更清楚地确定现有燃气轮机产品可以承受的氢含量，可能引发的有害影响（较高的氮氧化物排放量、热通道部件使用寿命缩短等）以及对应的或即使或长期的缓解措施，以使燃气轮机符合高氢含量气体燃料的要求。

为燃烧合成气开发的燃气轮机产品积累了高氢含量的主要经验，其对应氢浓度在30%-60%之间。而为了应对未来燃料气中逐渐增加的氢浓度，需要对合成气燃烧经验进行重新审视与调整。因此，大多数燃气轮机原始设备制造商可以提供专门的燃气轮机产品，也可以在氢气含量非常高的情形下运行，但这些燃气轮机需要特殊的燃烧技术（扩散燃烧器、氮气/蒸汽稀释、注水）以应对高反应性燃料混合物，而且大多数情况下氮氧化物排放值仍然高于天然气燃气轮机（25ppm）。

因此，从上述情况中可以推断，氢燃气轮机的最终研发目标是实现最先进的低氮氧化物排放（<25ppm）以及燃料中高绿氢含量。目前，主要的研发工作是基于当前干式低排放（DLE）燃烧技术（无稀释/注水的贫油混合燃烧）和新的燃烧技术的研究，或降低燃气轮机的额定功率，以及开发具有新型燃烧概念（微混燃烧，恒牙顺序燃烧等）的燃烧器。

以下是目前各主流燃气轮机厂商的研究进展。

安萨尔多（ANSALDO ENERGIA）

目前，安萨尔多能源公司的GT36 H级燃机可以适应0-50%氢含量的天然气混合燃料，而其GT26 F级燃机根据额定值不同可适应含氢量0-30%或0-45%的燃料，而AE94.3AF级燃机可以适应最高氢气含量25%的混合燃料。主要设备及特性如下：

GT26燃机

• 采用回热技术

• 额外自由度可平衡两个燃烧器

• 燃烧器内可以实现火焰温度变化

• 保持低氮氧化物排放

• 天然气氢气含量可达15-60%

GT36燃机

• 恒压顺序燃烧

• 降低燃烧阶段温度时不导致功率损失

• 用于商业运行，燃料氢含量可达50%

• 硬件不变的情况下，最高氢含量达70%

AE94.3A

• 在商业电厂的氢气运行方面获得了广泛经验

• 燃料中氢浓度为25%

• 在各种氢/天然气混合物的机组上累计数十万等效运行小时

“火焰筒燃烧室”

• 用于低排放和高燃料灵活性的改装

• 可在E/F级燃气轮机中商业运行，氢气比例达40%

• 燃烧试验台上氢气混合体积可达80%，正在推动• 证明其0-100%的氢气燃烧能力

• 氮氧化物排放量低于9ppm

• 已在7台F级GE机器上投入商业运行

贝克休斯（Baker Hughes）

最近贝克休斯新推出了轻型工业燃气轮机（NovaLT）系列，旨在以20MW的功率范围为目标，实现高效率、可用性、灵活性及低成本。

对于NovaLT系列，其燃机配备了布置在环形燃烧室中的先导预混燃烧器，能够根据燃料组分不同，沿运行范围调节先导和预混燃烧之间的燃料分配比例，这种灵活性将允许其燃烧纯氢并具备可变的氮氧化物排放水平。

新型燃烧器技术方面，贝克休斯对最有潜力的贫油预混燃烧技术进行了探究，而结果表明最成熟的解决方案由一组部分预混的燃烧器组成，显示出与天然气最佳可用技术一致的排放，并具有很强的抗回火能力，远远高于标称运行条件。同时，贝克休斯还进行了专门的火焰保持技术研究，以更详细地关注火焰锚固机制，并界定干预范围，提供需要解决的薄弱环节，以增加方案的回火裕度。

通用电气（GE）

30多年来，通用电气一直在提供使用氢燃料运行的燃气轮机：超过75台燃气轮机使用含氢燃料运行，累计运行时数达到500万小时以上，使用的燃料氢含量范围由5%到100%不等。各系列燃气轮机产品的燃氢能力如下图所示。

改进方面，一个显著的例子是GT13E2：燃烧试验表明AEV燃烧器在能够不稀释的情况下使用含氢量最高60%的燃料，并且氮氧化物排放量小于15ppm；而通用电气最新的燃烧系统DLN 2.6e目前已被证明可以燃烧含氢量50%的燃料，对其燃料如何达到100%也进行了相应规划，且其已在7HA和9HA燃机上实现了全天然气的全速全负荷运行，配备该燃烧系统的首台机组也已于2018年进入市场。

华天航空动力（HuaTian Aeropower）

华天航空动力凭借燃气轮机与航空发动机技术同源、产品同根的优势实现了航空发动机燃烧技术和知识积累向燃气轮机的转移，正在开展预混燃烧方式的富氢燃料干式低排放燃烧和燃气轮机氢能发电技术研究，计划2024年完成试验验证。其对燃气轮机氢能发电所需突破的主要关键技术进行了研究，包括：防回火设计技术、热声震荡移植技术、防氢脆材料技术、环境热障涂层技术、火焰筒壁温控制技术。

同时，华天航空动力对四种主要燃气轮机燃氢燃烧室设计技术进行了深入分析，包括贫燃旋流预混、贫燃旋流直喷、稀释扩散和微混，通过比较其掺氢范围和优缺点，综合燃机系统集成和宽负荷调节需求，继承了成熟的低排放技术，采用贫燃旋流多点直喷方案，数值模拟对燃烧室的氮氧化物排放评估值低于25ppm，具体示意图如下图所示。

• 允许氢气含量达到60%

• 需要排气处理达到低氮氧化物排放

• 部分配备干式低排放燃烧系统，设计为先进环管型燃烧系统，可实现超低排放，无需注水和排气处理，氢气体积分数可达20%

• 具有6个环形布置的燃烧室

三菱日立（MHPS）

目前三菱日立已开发了三种类型的燃氢燃气轮机燃烧室，概述如下图。

• 通过旋流器使进入燃烧室的空气形成旋流，燃料由旋流器翼部表面小孔供应，可实现燃料与周围空气的快速混合

• 在30%氢气含量下成功进行燃烧实验

• 可以实现火焰分散和更精细的燃料吹出

• 可以在不适用旋流的情况下以较小的规模混合空气和氢气，允许兼容高回火阻力和低氮氧化物排放的燃烧

• 需要注入蒸汽或水减少氮氧化物排放

作为一种高效、成熟且通用的技术，燃气轮机可以有效地促进氢能的使用，进而促进社会向脱碳未来的平稳过渡。而为了充分释放燃氢燃气轮机技术在未来能源领域的潜力，将技术准备水平提高至示范水平，则需要制造商、终端用户和学术界之间充分合作，以克服燃烧不稳定性，并进一步开发预混燃烧技术，降低氮氧化物排放，减少氢气燃烧的物理特性变化对热通道部件等的影响。

在现实环境中部署新技术将是示范运行阶段需要克服的另一个挑战：为了确保未来燃氢燃气轮机的充分部署，燃烧广泛的可变氢/天然气混合物同时保持灵活性，全球电网都需要适当的示范项目。这将需要相关方对公共管网中特定的氢气水平进行评估，考虑对燃料撬、控制和燃烧系统的改进，进而验证不同地方/区域边界条件的新系统解决方案的可行性。同时，与燃气轮机发电厂改造解决方案相关的资本支出也必须有利于广泛引进该技术，因此监管措施应确保所有技术供应商的公平竞争环境，营造良好的市场条件。