华天航空动力：燃气轮机参与“氢储能”的标准化路径

编者按：

氢能是全球能源转型与发展的新趋势，也是现代能源体系的重要组成部分，将对我国能源应用的前景产生深刻影响。世界氢能产业的商业化步伐正在不断加快，各国能源巨头竞相布局氢能产业。

华天航空动力瞄准全球氢能产业发展方向，对燃氢燃气轮机的技术发展与实践应用进行了深入研究，并编译了本文，以期为燃气轮机在氢能领域的广泛应用提供可靠的技术支持与实践经验。

正文

随着全球向净零碳排放迈进，间歇性可再生能源发电装机容量(尤其是风能和太阳能)飞速发展，如何以最佳方式整合间歇性可再生能源，保障供电安全，已经成为世界性的话题。

氢燃烧的储能逻辑

可再生能源的装机容量不断扩大，使电网资源的平衡更加复杂。虽然储能电池已经成为一种越来越广泛的选择，但是使用氢气作为能源载体，将氢储能与燃气轮机相结合，确保间歇性可再生能源的最佳使用，也具有显著的吸引力。

最前沿的概念是利用过剩的风能和太阳能通过电解水制取“绿氢”，将其储存起来，用于燃气轮机燃氢发电，以实现零碳与可调度发电。从本质上讲，绿氢可以作为风能和太阳能的一种存储形式。

燃机电厂燃氢改造的标准化发展

全球燃机厂商目前正在研究的所有绿氢技术，包括绿氢的生产、绿氢的储存以及绿氢在燃气轮机中的应用，均为成熟的商业技术。其挑战在于扩大这些技术的规模，并使其更快地进入市场。

目前，全球几家燃气轮机制造商均在改造电力部门的燃气轮机，在燃用氢气方面取得了稳步进展。2020年9月，三菱电力公司(Mitsubishi Power)推出了据称是世界上第一个绿氢一体化的“标准包”，支持了传统燃气电厂向氢能的转变。世界其他主机厂商也一直在与客户合作，陆续推出了各自的“标准包”，开发了一种适用于所有燃气电厂氢能改造的标准化解决方案。“标准包”解决了发电商和电网运营商在整合可再生能源、燃气轮机、绿氢和其他储能技术时可能遇到的复杂问题。这也将有助于降低成本，扩大规模，提高市场接受度。

相关标准包的内容主要集中在以下几个方面。

在电厂整体改造方面

通过共用公辅系统来降低改造成本。在建设电解槽系统时，可以共用电厂原有的冷却水系统、软化水系统和诸多电气设备等。通过这个协同效应，有助于降低系统复杂性，并提高运营效率和降低投资成本。

在物理集成方面

一是对整流器、变压器、建筑物和所有其他辅助设备进行一体化设计;二是在电解槽和燃气轮机的撬装方面，正在研究如何利用燃气轮机的余热。例如，为电解槽提供低品位热量，以帮助其提高启动和运行效率。

数字化集成方面

在其他所有设备集成撬装时，寻求数字集成的标准化。

三菱电力的标准化实践案例

三菱电力正在提供一种名为“Hydaptive Standard Flexibility Package”的绿氢解决方案。Hydaptive 套件旨在通过近乎瞬时的功率平衡资源来提供可再生能源的灵活性，从而极大地增强了简单循环或联合循环电厂增/减功率的能力，来加强电网平衡服务的能力。

它将燃气轮机发电厂与电解水制氢装置集成在一起，同时结合现场氢气存储，从而生产100%可再生电力。此外，TOMONI 软件和控件通过集成燃气轮机和电解装置实现快速的负载响应。Hydaptive 套件增加了扩展/扩展存储能力，可用于新的燃气轮机发电厂或现有电厂的改造，以提高灵活性和延长资产寿命。

“标准包”的中国尝试

华天航空动力联合相关客户与科研院所，编制了《燃气轮机氢能发电全球技术发展蓝皮书》，也系统地提出了国产版的燃气电厂氢能改造“标准包”，其主要内容涉及以下几个方面。

氢燃料输送及储存安全

氢气通过天然气管道大规模不间断的输送是被认为最方便有效的，然而氢气有着比天然气更宽的爆炸极限和更快的燃烧速率，再加上氢气对金属材料的劣化作用，利用现有天然气管输送混氢或纯氢燃料的安全性问题亟待解决。

为保证燃机的出力保持不变，管线中天然气的体积流量需要提高3.3倍，因此必须要提高管程的压降，增强燃料的运输能力，而氢气对金属材料的脆化特性和氢气的渗透等不利因素在高压运行环境中得到恶性叠加。

所以输送氢气或混氢燃料对管材及其处理工艺的要求特别高，一旦将来使用现有管道输送氢气或混氢燃料，就必须对管道重新进行缺陷检测、修复、更新并定期检验。

电厂厂区大量储存氢气必然是一个重大的危险源，受到各部门的层层监管，为降低风险事故的发生，氢气发电的最佳模式是即制即用，消除储存环节，减少中间过程的潜在危险。

燃氢燃气轮机联合循环电厂的改造

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。

在氢气燃烧期间，氢气的反应性(火焰传播速度)提高，可能会增加回火的风险;较短的点火延迟时间，可能会增加意外自燃的风险;与天然气相比，燃烧氢气的热声振幅水平和频率也不同，可能会对燃烧稳定性产生影响。

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，可能会使某些部件的使用寿命缩短。

NOx排放

由于氢气的火焰温度较高，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，解决方案如下：

SCR：氨或氨衍生物用作还原剂，添加到烟道气中并在催化剂上反应，将NOx转化为氮气和水。对于现有的燃机电厂，如果已安装SCR设备，可能有一些能力承受NOx排放的增加。否则，只能改造SCR或增加已安装SCR的容量。

蒸汽稀释：当使用蒸汽作为稀释剂时，扩散燃烧器已经能够处理富氢甚至纯氢燃料。然而，蒸汽稀释需要大量高纯度水、额外的能量来产生蒸汽，并且由于传热增加可能会增加燃气轮机热端部件的应力。

目前对燃氢燃气轮机的研究焦点是干低NOx(DLN)技术的预混燃烧器。

空间

燃氢电厂改造，需要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，应当建造更大直径的管道，以容纳所需的氢气量。

氢气体积能量比天然气低约3倍，因此在提供相同能量的情况下，氢气将占据更多空间。需在现场储存一些氢气以保持电厂的连续运行。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。

当前的电解厂无法连续为大型燃机电厂提供足够氢气确保其持续运行。例如，目前，NEL M5000是较大的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。

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发生氢脆。氢气通常被压缩到35bar到 150bar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7bar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。

燃料处理

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。

由于燃料中的天然气水平会不断降低，可以增加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传感器。

一般情况下，需要修改箱体和通风系统以降低爆炸和火灾风险。

建立氢能电厂燃料处理相关的标准和规范。

其他

由于燃氢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)，这是一项重要的资本支出。

一般情况下，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，由于可能会增加维护成本，则需要与服务提供商讨论燃料中能否增加氢气含量。