西門(mén)子：100%氫燃料計(jì)劃在2030年實(shí)現(xiàn)！
前言
在過(guò)去22年中，燃?xì)廨啓C(jī)的安裝量增加了兩倍，因?yàn)殪`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(jī)和現(xiàn)有燃?xì)廨啓C(jī)在實(shí)現(xiàn)從化石能源向脫碳電力系統(tǒng)平穩(wěn)過(guò)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(huì)EUTurbines設(shè)定的目標(biāo)，西門(mén)子天然氣和電力公司于2019年1月推出了一項(xiàng)雄心勃勃的路線圖，計(jì)劃到2020年燃?xì)廨啓C(jī)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(jī)制造商都在不同程度上響應(yīng)了這一推動(dòng)，他們認(rèn)為，氫能力可能會(huì)使全球燃?xì)獍l(fā)電商在低碳能源市場(chǎng)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(shí)現(xiàn)100%的氫燃料
但是，西門(mén)子的路線圖特別突出，因?yàn)樗鼘⑵洚a(chǎn)品組合從最小的航空驅(qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)擴(kuò)展到其龐大的重型燃?xì)廨啓C(jī)，并試圖在短短10年內(nèi)實(shí)現(xiàn)100%的飛躍。正如該公司在最近的白皮書(shū)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(jī)型號(hào)已經(jīng)可以使用高比例的氫燃料運(yùn)行，機(jī)組的具體性能取決于型號(hào)和燃燒系統(tǒng)的類(lèi)型（圖1）。
1. 此圖顯示了西門(mén)子燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)品組合在新機(jī)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(lái)源：西門(mén)子）
該公司指出，自20世紀(jì)60年代以來(lái)，西門(mén)子為全球多個(gè)行業(yè)建造的55多臺(tái)機(jī)組燃燒了不同氫含量的燃料，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間達(dá)250萬(wàn)小時(shí)。然而，盡管這為不減弱的擴(kuò)散火焰、濕低排放（WLE）和干式低排放（DLE）燃燒技術(shù)帶來(lái)了重要經(jīng)驗(yàn)，但確保其所有型號(hào)都具有高氫能力是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)。
一個(gè)關(guān)鍵的障礙是，在絕熱和化學(xué)計(jì)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(shí)，氫的自燃延遲時(shí)間比甲烷低三倍多。這意味著，正如西門(mén)子所解釋的那樣，研發(fā)團(tuán)隊(duì)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(shí)努力達(dá)到所需的排放水平。
一些航空驅(qū)動(dòng)裝置已經(jīng)實(shí)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(kuò)散燃燒器技術(shù)的WLE系統(tǒng)的機(jī)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)裝置已經(jīng)實(shí)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(lái)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(jī)的功率輸出。但該公司表示，下一個(gè)關(guān)鍵步驟將需要為其DLE系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高溫燃燒，以擴(kuò)大車(chē)隊(duì)100%的氫氣燃燒能力。
當(dāng)被問(wèn)及為什么西門(mén)子正在開(kāi)發(fā)用于100%氫氣的DLE技術(shù)時(shí)，已經(jīng)證明帶有擴(kuò)散燃燒器的非DLE系統(tǒng)能夠處理“各種西門(mén)子非DLE燃?xì)廨啓C(jī)上的燃料成分和100%氫氣的大包絡(luò)線”，Michael Welch，一位西門(mén)子燃?xì)廨啓C(jī)專(zhuān)家說(shuō)：“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(yùn)行成本—您不能僅僅使用自來(lái)水，而且它通常會(huì)縮短組件的使用壽命，因?yàn)樵黾恿司S護(hù)檢查，從而增加了運(yùn)行成本。舉個(gè)例子，用100%的氫來(lái)運(yùn)行一臺(tái)60兆瓦的燃?xì)廨啓C(jī)，并達(dá)到百萬(wàn)分之二十五的氮氧化物，你每小時(shí)將消耗20噸或2萬(wàn)公升的水?！表f爾奇還指出，西門(mén)子的機(jī)場(chǎng)試驗(yàn)只覆蓋很小的功率范圍，西門(mén)子希望在其5兆瓦至600兆瓦的燃?xì)廨啓C(jī)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(guò)程的速率。然而，西門(mén)子解釋說(shuō)：“氫的高反應(yīng)性給DLE系統(tǒng)的混合技術(shù)帶來(lái)了特殊的挑戰(zhàn)?！??！皻涞目山邮苋剂戏?jǐn)?shù)取決于具體的燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)和發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行條件?！北M管西門(mén)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(shí)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(jì)。
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(yàn)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(yùn)行?！拔鏖T(mén)子在巴西的一個(gè)熱電廠中以60%的功率穩(wěn)定運(yùn)行，這是經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的?！?/p>
西門(mén)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(jī)都能實(shí)現(xiàn)100%的氫氣發(fā)電。第一個(gè)測(cè)試將在今年6月在法國(guó)啟動(dòng)的HYFLEXPOWER項(xiàng)目上進(jìn)行。正如西門(mén)子公司所解釋的，參與英吉聯(lián)合熱電廠HYFLEXPOWER項(xiàng)目的現(xiàn)有西門(mén)子SGT-400渦輪機(jī)是一種小型工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)，采用G30燃燒器技術(shù)，這是一種經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的徑向旋流器預(yù)混合設(shè)計(jì)，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(yùn)行氫的體積。
2. 西門(mén)子截至2020年4月的100%氫氣渦輪機(jī)路線圖。（圖片來(lái)源：西門(mén)子）
但至少目前來(lái)看，100%氫重型燃?xì)廨啓C(jī)的原型應(yīng)用和第一批客戶(hù)預(yù)計(jì)要到20世紀(jì)20年代末，如路線圖所示（圖2）。盡管如此，西門(mén)子似乎在改進(jìn)燃燒器設(shè)計(jì)方面取得了重大進(jìn)展，其大型燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)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(hù)出售了一臺(tái)2000E的公用事業(yè)規(guī)模的燃?xì)廨啓C(jī)，要求從2020年開(kāi)始，其氫含量不得超過(guò)27%。西門(mén)子表示：“西門(mén)子標(biāo)準(zhǔn)能力的擴(kuò)展是通過(guò)對(duì)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(lái)實(shí)現(xiàn)的，以提高在較高氫含量下的抗回火能力?！?/p>
文章轉(zhuǎn)自：燃?xì)廨啓C(jī)聚焦
