秦鋒，秦亞迪，單彤文

(中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100028)

2015年由近200個(gè)國家參與的巴黎氣候大會(huì)通過了《巴黎協(xié)定》，旨在將全球平均氣溫升幅控制在2 ℃以內(nèi)，爭取控制在1.5 ℃以內(nèi)，以此來應(yīng)對人類活動(dòng)帶來的氣候變化問題[1]。2020年第75屆聯(lián)合國大會(huì)上，中國提出力爭在2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。國內(nèi)多家研究機(jī)構(gòu)對近期能源轉(zhuǎn)型時(shí)期以及遠(yuǎn)期碳中和時(shí)期的能源發(fā)展路徑及能源結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入探討和研究[2-5]?！吨袊?030年能源電力發(fā)展規(guī)劃研究及2060年展望》報(bào)告結(jié)論顯示，2060年我國電力總裝機(jī)容量約8.0 TW，其中風(fēng)電及光伏合計(jì)約6.3 TW，成為電網(wǎng)中的絕對主力電源，氫燃料發(fā)電預(yù)計(jì)裝機(jī)達(dá)到0.25 TW，其在電網(wǎng)中主要起調(diào)峰作用。

可再生能源的規(guī)?；l(fā)展以及快速增長的調(diào)峰需求將會(huì)促進(jìn)氫燃料發(fā)電的發(fā)展，進(jìn)而成為電源側(cè)重要的靈活性電源之一。大規(guī)模氫燃料發(fā)電的關(guān)鍵設(shè)備是氫燃料燃?xì)廨啓C(jī)(以下簡稱“燃機(jī)”)。本文通過對國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行調(diào)研，總結(jié)目前對于含氫燃料的研究進(jìn)展。綜述全球主要燃機(jī)廠商氫燃料燃機(jī)技術(shù)歷史經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)現(xiàn)狀、面臨的問題以及未來技術(shù)發(fā)展路線，列舉燃機(jī)廠商含氫合成氣發(fā)電示范項(xiàng)目或者與新能源發(fā)電制氫相結(jié)合的氫燃料發(fā)電示范項(xiàng)目情況。針對氫燃料燃機(jī)技術(shù)未來發(fā)展前景、在電網(wǎng)中的定位以及氫燃料發(fā)電經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行初步分析與探討，認(rèn)為氫燃料燃機(jī)發(fā)電將成為我國碳中和時(shí)期的重要靈活性電源之一，并且將在實(shí)現(xiàn)碳中和前10～15年得到快速發(fā)展。

1 氫燃料燃機(jī)技術(shù)研究現(xiàn)狀

1.1 含氫燃料特性研究

干式貧預(yù)混燃燒技術(shù)是目前重型燃機(jī)中主要應(yīng)用的低NOx控制技術(shù)[6]。貧預(yù)混燃燒的火焰穩(wěn)定性較差，還可能出現(xiàn)振蕩燃燒和熄火等問題，需要在燃機(jī)燃燒器設(shè)計(jì)和運(yùn)行時(shí)重點(diǎn)關(guān)注[7-8]。氫氣是一種反應(yīng)活性較高的氣體，天然氣中加入氫氣可以擴(kuò)展燃料貧燃極限，保障燃燒的穩(wěn)定性，同時(shí)不影響CO和HC的排放[9]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對混氫天然氣有一些研究、測試及應(yīng)用試驗(yàn)，天然氣中的主要成分為甲烷，甲烷含量會(huì)影響不同氫氣含量的測試結(jié)果。美國DENVER項(xiàng)目的測試結(jié)果顯示，5%質(zhì)量分?jǐn)?shù)氫氣與天然氣的混合燃料可以使碳?xì)浠衔?、CO2和NOx排放降低30%～50%，同時(shí)氫氣含量的增加也會(huì)降低CO2的排放[10]。美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室對含氫天然氣燃料進(jìn)行了研究，結(jié)果表明在天然氣中摻入20%(體積分?jǐn)?shù)，下同)的氫氣可以降低50%的NOx排放[11]。

氫氣的加入會(huì)導(dǎo)致傳統(tǒng)碳?xì)淙剂系奈锢砗突瘜W(xué)性質(zhì)發(fā)生較大變化，氫氣會(huì)拓寬傳統(tǒng)碳?xì)淙剂系目扇挤秶?，加快燃料的火焰?zhèn)鞑ニ俣龋岣呷剂贤牧魅紵械娜紵俣?，避免局部熄火。在燃機(jī)中，火焰速度是判斷燃燒室是否存在火焰從燃燒區(qū)上游傳播到預(yù)混區(qū)(靠近燃料噴嘴)現(xiàn)象的一個(gè)重要指標(biāo)。在旋流穩(wěn)定的燃燒室中，向天然氣中加入氫氣，軸向動(dòng)量的増加及流動(dòng)旋流度的降低，使得燃燒回流強(qiáng)度被削弱，回流量減少，但使火焰鋒面褶皺加劇，火焰面的面積增加，燃燒速度加快[9]。絕熱和完全燃燒條件下，氫燃料的火焰溫度比天然氣高近300 ℃，而且層流火焰速度是天然氣的3倍以上，但是著火延遲時(shí)間卻比天然氣低3倍以上(著火延遲是指燃料與空氣混合物在其溫度高于燃料著火溫度的情況下并不立即著火燃燒的一種現(xiàn)象)，因此控制燃?xì)浠鹧鏈囟鹊碾y度要高得多。

1.2 適應(yīng)含氫燃料的燃機(jī)結(jié)構(gòu)研究

氫氣的加入向干式低排放燃燒技術(shù)提出了特殊的挑戰(zhàn)，燃機(jī)設(shè)計(jì)工況以及燃燒室設(shè)計(jì)因氫氣含量不同而有差異。一般的燃機(jī)是按照標(biāo)準(zhǔn)燃料(如天然氣等)設(shè)計(jì)的，由于氫氣的熱值、火焰?zhèn)鞑ニ俣取⒚芏?、比熱容等不同于天然氣，?dāng)燃燒室用于燃燒氫氣時(shí)，需要對燃燒室結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，如腔體大小、射流孔及摻混孔位置等[12-14]。

氫的低位熱值為10.8 MJ/m3(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，下同)或120 MJ/kg。相比之下，純甲烷的低位熱值為35.8 MJ/m3或50 MJ/kg。氫的質(zhì)量能量密度是甲烷的2倍，但從體積上看，氫的能量密度約為甲烷的三分之一，因此需要3倍體積的氫氣提供與甲烷相同的熱量。一般而言，特定燃燒系統(tǒng)匹配特定火焰速度范圍的燃料，由于甲烷和氫氣在火焰速度上的顯著差異，用于甲烷(或天然氣)的燃燒系統(tǒng)可能不適合用于高富氫燃料。典型的干式低排放燃燒系統(tǒng)可以適應(yīng)少量的氫，但這些燃燒系統(tǒng)無法處理中、高富氫燃料。燃用高富氫燃料需要為不同燃燒條件專門設(shè)計(jì)的燃燒室、新的燃料輔助管道和閥門，以及可能需要升級燃機(jī)外殼和通風(fēng)系統(tǒng)等。

王陽墚旭等人針對含氫燃料燃機(jī)環(huán)管型燃燒室結(jié)構(gòu)，借助熱力設(shè)計(jì)計(jì)算方法進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)和改進(jìn)，提出將燃機(jī)燃燒室的腔體長度、擴(kuò)壓器長度、火焰管直徑、火焰管長度、燃燒室的最大橫截面積、主燃孔/補(bǔ)燃孔到旋流器的距離擴(kuò)大為原來燃用天然氣時(shí)的1.4～2倍[15]。

干式低排放燃燒室通常使用基于稀預(yù)混燃燒技術(shù)的常規(guī)旋流式預(yù)混噴嘴，但是該燃燒室燃用富氫燃料氣時(shí)易發(fā)生噴嘴內(nèi)部自燃和回火問題[16-17]。研究人員為解決這一問題，希望針對富氫燃料開發(fā)低排放燃燒裝置，貧燃料直接噴射技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。貧燃料直接噴射技術(shù)可以避免預(yù)混過程中的自燃和回火問題，但不均勻混合會(huì)導(dǎo)致火焰局部高溫，一定程度上增加NOx排放。V. McDonell等人根據(jù)“多點(diǎn)噴射、多點(diǎn)燃燒”理念，研制了富氫燃料微小混合噴嘴，對噴嘴的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了精巧設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)燃料與空氣的分層噴射，使得燃料與空氣的接觸面積增大，強(qiáng)化了著火前燃料與空氣的混合，即使燃燒溫度達(dá)到1 577 ℃，NOx排放量仍可控制在20 mg/m3﹝氧量(指氧氣的體積分?jǐn)?shù)，下同)15%)﹞以下[18-20]。采用微小噴嘴的單個(gè)燃燒室需要配置上百個(gè)貧燃料直接噴射噴嘴，在燃燒室結(jié)構(gòu)和燃料控制策略上與現(xiàn)有燃機(jī)有較大差異。于宗明等人基于陣列駐渦燃料-空氣預(yù)混的概念，設(shè)計(jì)了陣列駐渦預(yù)混噴嘴，利用模型實(shí)驗(yàn)研究了甲烷、合成氣(CO、H2、CO2)和不同氫氣含量的H2-N2混合氣體在燃燒室的性能。結(jié)果表明，采用陣列駐渦預(yù)混噴嘴的干式低排放技術(shù)可以在F級燃機(jī)燃用富氫燃料，運(yùn)行安全且噪音較低，多數(shù)工況下NOx排放低于50 mg/m3(氧量15%)[21]。

華能集團(tuán)研發(fā)了一種富氫燃料燃機(jī)噴嘴結(jié)構(gòu)，包括中部的液體燃料通道，通過對空氣通道、旋流器的巧妙設(shè)計(jì)，配合內(nèi)壁上恰當(dāng)設(shè)置的穩(wěn)焰孔以及遮焰環(huán)，可以實(shí)現(xiàn)燃料穩(wěn)定、安靜燃燒，同時(shí)降低噴嘴內(nèi)壁的溫度，保證噴嘴的安全性，延長噴嘴壽命[22]。

使用氫燃料還面臨著與整體安全相關(guān)的操作風(fēng)險(xiǎn)。首先，氫火焰的亮度很低，肉眼難以發(fā)現(xiàn)，這就需要設(shè)置專門的氫火焰檢測系統(tǒng)；其次，氫氣具有比其他氣體更強(qiáng)的滲透性，原天然氣輸送采用的傳統(tǒng)密封系統(tǒng)可能需要用焊接連接或其他適當(dāng)?shù)慕M件來取代；第三，氫氣比甲烷更易燃易爆，相比甲烷而言，氫氣的爆炸極限范圍寬的多[23]。因此，氫氣泄漏會(huì)增加安全風(fēng)險(xiǎn)，需要考慮改變操作程序以及防爆危險(xiǎn)區(qū)域劃分等問題。

2 燃機(jī)廠商的氫燃料燃機(jī)研究進(jìn)展

限制CO2排放已成為全球共識(shí)，傳統(tǒng)以天然氣為燃料的燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電是一種清潔低碳電力，但化石能源的屬性一定程度上影響了其未來的市場空間，氫能的發(fā)展以及氫能未來在能源行業(yè)的應(yīng)用前景使得各大燃機(jī)廠商看到了新的業(yè)務(wù)方向。電力行業(yè)在未來幾十年里將進(jìn)行深度脫碳，全球主要燃機(jī)廠商正在開發(fā)可燃用高富氫燃料的燃機(jī)，通過先進(jìn)的燃燒室設(shè)計(jì)技術(shù)，使未來的燃機(jī)可以燃燒純氫燃料。

2019年以來，三菱日立動(dòng)力系統(tǒng)公司、通用電氣發(fā)電公司、西門子能源公司和安薩爾多能源公司等主要燃機(jī)廠商均針對氫燃料燃機(jī)推出了相應(yīng)的發(fā)展計(jì)劃，開啟了富氫燃料甚至是純氫燃料燃機(jī)的研究、開發(fā)、優(yōu)化、測試及示范應(yīng)用工作。

2.1 三菱日立動(dòng)力系統(tǒng)公司

三菱日立動(dòng)力系統(tǒng)公司認(rèn)為借助氫燃料燃機(jī)可以推動(dòng)全球?qū)崿F(xiàn)以可再生能源為基礎(chǔ)的“氫能社會(huì)”，該公司希望在以往含氫燃料燃機(jī)設(shè)計(jì)及制造的經(jīng)驗(yàn)積累上，通過進(jìn)一步的投入及研發(fā)，未來10年內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)燃機(jī)燃燒純氫燃料的目標(biāo)。

自1970年以來，三菱日立動(dòng)力系統(tǒng)公司業(yè)已為客戶生產(chǎn)制造了29臺(tái)氫氣含量30%～90%的氫燃料燃機(jī)，總運(yùn)行時(shí)間已超過3.5×106h。在保證燃機(jī)高熱效率的同時(shí)保持低NOx排放，是氫燃料燃機(jī)技術(shù)的關(guān)鍵。相比天然氣，氫氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣雀?，富氫燃料的火焰更靠近噴嘴，有回火風(fēng)險(xiǎn)，燃燒過程中放熱與壓力釋放耦合易產(chǎn)生燃燒振蕩。為解決以上問題，三菱日立動(dòng)力系統(tǒng)公司提出將開發(fā)干式低排放技術(shù)和注水/主蒸汽技術(shù)結(jié)合的燃燒室，在保證低NOx排放的同時(shí)實(shí)現(xiàn)較寬的燃料適應(yīng)范圍，使燃燒器能夠燃燒富氫燃料。2018年，該公司開展了大型氫燃料燃機(jī)測試，氫氣含量30%的氫燃料測試結(jié)果表明，新開發(fā)的專有燃燒器可以實(shí)現(xiàn)富氫燃料的穩(wěn)定燃燒，與純天然氣發(fā)電相比可減少10%的CO2排放，聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率高于63%。該公司認(rèn)為，已在運(yùn)行的燃機(jī)僅通過燃燒器的升級改造即可實(shí)現(xiàn)燃燒富氫燃料，控制用戶燃料轉(zhuǎn)換的成本。

2.2 西門子能源公司

與三菱日立動(dòng)力系統(tǒng)公司相似，西門子能源公司在氫燃料燃機(jī)開發(fā)方面需要解決的關(guān)鍵問題也是NOx低排放和回火控制問題，但是與三菱日立動(dòng)力系統(tǒng)公司不同的是，西門子能源公司仍將在氫燃料燃機(jī)中繼續(xù)采用干式低排放技術(shù)。西門子常規(guī)旋流穩(wěn)定火焰結(jié)合貧燃料預(yù)混燃燒的干式低NOx排放技術(shù)可以適應(yīng)氫氣含量50%的氫燃料。柏林清潔能源中心在SGT-600及SGT-800上的測試結(jié)果表明，氫氣含量60%的氫燃料穩(wěn)定燃燒是可行的，但是燃燒純氫燃料時(shí)則需要進(jìn)行新的燃燒室設(shè)計(jì)并對控制系統(tǒng)進(jìn)行修改。增材制造技術(shù)為西門子氫燃料燃機(jī)干式低NOx排放燃燒室的設(shè)計(jì)與制造提供了新的工具及手段，可以完成更復(fù)雜精巧的燃燒室設(shè)計(jì)，突破原來燃燒科學(xué)上的一些限制，同時(shí)減少燃燒室的重量及制造時(shí)間。2019年該公司用純氫燃料對優(yōu)化設(shè)計(jì)的燃燒室進(jìn)行了測試，結(jié)果表明針對純氫燃料優(yōu)化設(shè)計(jì)的燃燒室還不具備很好的NOx低排放特性，該技術(shù)還需要進(jìn)一步的研究。該公司計(jì)劃2030年實(shí)現(xiàn)采用干式低NOx排放技術(shù)的燃機(jī)均具備燃用純氫燃料能力。

2.3 安薩爾多能源公司

安薩爾多能源公司開展了一系列的燃燒室測試，結(jié)果證明其燃機(jī)可以燃用純氫燃料。該公司通過開發(fā)可適應(yīng)不同燃料的先進(jìn)燃燒系統(tǒng)，使燃機(jī)具備燃燒富氫燃料的能力，例如為F級GT26燃機(jī)和H級GT36燃機(jī)開發(fā)的順序燃燒系統(tǒng)。該公司可為在運(yùn)行的F級燃機(jī)進(jìn)行氫燃料轉(zhuǎn)換的改造，使現(xiàn)役F級燃機(jī)也具備燃?xì)淠芰?。該公司還將針對GT36開展純氫燃料適應(yīng)性測試。

2.4 通用電氣發(fā)電公司

通用電氣發(fā)電公司1990年以前就研發(fā)了能夠適應(yīng)富氫燃料的燃燒器，并應(yīng)用在航改型燃機(jī)和B、E級重型燃機(jī)上。環(huán)形燃燒器在超過2 500臺(tái)的航改型燃機(jī)上得到應(yīng)用，該燃燒器可以適應(yīng)氫氣含量30%～85%的富氫燃料；安裝在超過1 700臺(tái)重型燃機(jī)上的多噴嘴靜音燃燒器也具備高富氫燃料的適應(yīng)能力，在其他氣體均為惰性氣體(氮?dú)饣蛘哒羝?的情況下，可以燃燒氫氣含量43.5%～89%的富氫燃料。該公司評估了多噴嘴靜音燃燒器對高富氫燃料的適應(yīng)情況，結(jié)果表明燃燒純氫燃料是可行的，多噴嘴靜音燃燒器可以燃用氫氣含量高達(dá)90%～100%的富氫燃料[24]。

通用電氣發(fā)電公司現(xiàn)役重型燃機(jī)也能適應(yīng)一定范圍內(nèi)的富氫燃料：GE的6B、7E和9E燃機(jī)的干式低NOx燃燒系統(tǒng)能夠在燃料中含有少量氫的情況下運(yùn)行，在與天然氣混合時(shí)，氫氣含量可達(dá)33%；DLN 2.6+燃燒器可以在氫氣含量15%的情況下正常工作；9H機(jī)組的DLE2.6e燃燒器采用先進(jìn)預(yù)混技術(shù)，并且使用了增材制造技術(shù)，該燃燒器可以燃用氫氣含量約50%的富氫燃料。

燃機(jī)廠商氫燃料燃機(jī)研究進(jìn)展總結(jié)見表1。

3 氫燃料燃機(jī)在新能源主導(dǎo)時(shí)期的定位與作用

在過去22年中，全球燃機(jī)機(jī)組的安裝數(shù)量增加了2倍，燃?xì)獍l(fā)電市場保持持續(xù)增長但是增速不高。燃用混氫或者純氫燃料使新型和現(xiàn)有燃機(jī)實(shí)現(xiàn)從化石能源向低碳能源過渡，對于燃機(jī)的未來市場前景具有重要意義。減少傳統(tǒng)發(fā)電資產(chǎn)、控制碳排放的愿景推動(dòng)了可再生能源發(fā)電的增長，但是可再生能源發(fā)電大量并網(wǎng)存在的一個(gè)問題是缺乏可調(diào)度性；如果不增加儲(chǔ)能或增強(qiáng)靈活性電源發(fā)電能力，可再生能源的增加會(huì)給電網(wǎng)造成壓力?？稍偕茉纯焖侔l(fā)展時(shí)期，天然氣發(fā)電作為調(diào)峰電源仍有較大發(fā)展空間，氫靈活存儲(chǔ)及輸送技術(shù)將會(huì)得到大力發(fā)展，為大功率工業(yè)燃機(jī)提供氫燃料，氫燃料燃機(jī)燃燒時(shí)不會(huì)產(chǎn)生任何碳排放，將是火力發(fā)電技術(shù)的重要發(fā)展方向。

儲(chǔ)存波動(dòng)的可再生能源是能源轉(zhuǎn)型的主要挑戰(zhàn)之一?？衫檬Ｓ嗟碾娏﹄娊馑a(chǎn)氫氣，從而將“綠氫”存儲(chǔ)起來，并在后續(xù)需要用電的時(shí)候使用基于氫燃料燃機(jī)的燃?xì)庹羝?聯(lián)合循環(huán)進(jìn)行發(fā)電。通過打通發(fā)電到制氫再到發(fā)電的所有技術(shù)環(huán)節(jié)，在可再生能源發(fā)電高峰時(shí)期，將多余電力制成氫氣存儲(chǔ)，然后在電力需求旺盛時(shí)又通過氫燃料燃機(jī)發(fā)電上網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)真正的綠色能源。

將新能源與氫進(jìn)行耦合以減少大量新能源接入電網(wǎng)時(shí)因發(fā)電不穩(wěn)定產(chǎn)生的沖擊，是解決可再生能源波動(dòng)性和不可控性問題的方法之一。趙軍超等人考慮氫儲(chǔ)能與超級電容器儲(chǔ)能結(jié)合，構(gòu)建了風(fēng)-氫與氫燃料燃機(jī)耦合系統(tǒng)模型，基于風(fēng)電場實(shí)測數(shù)據(jù)，通過仿真模擬手段驗(yàn)證了這樣的儲(chǔ)能系統(tǒng)配置能夠?qū)崿F(xiàn)新能源電力的友好接入[25]。

考慮到可再生能源使用的顯著增長，有可能利用過剩的可再生能源來支持氫動(dòng)力系統(tǒng)。美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室正在通過整合風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電和生產(chǎn)氫的電解槽系統(tǒng)，研究新能源發(fā)電轉(zhuǎn)氫的技術(shù)可行性[26]。ITM Power公司在歐洲有多個(gè)小型裝置，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)通過可再生能源制取氫氣進(jìn)而發(fā)電。

4 氫燃料燃機(jī)發(fā)電示范項(xiàng)目情況

使用E級和F級燃機(jī)的多個(gè)整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)裝置在全球范圍內(nèi)已投入商業(yè)運(yùn)行，包括Tampa 電站、Duke Edwardsport 電站和Korea Western Power(KOWEPO)TaeAn 電站。韓國的大山精煉廠使用6B.03燃機(jī)燃用氫氣含量70%的氫

表1 燃機(jī)廠商氫燃料燃機(jī)研究進(jìn)展Tab.1 Research progress of hydrogen fueled gas turbine

燃料超過20年，最大氫氣含量超過90%[27]，到目前為止，該裝置已累計(jì)使用富氫燃料超過105h。Gibraltar-San Roque煉油廠采用6B.03燃機(jī)，以不同氫氣含量的煉油廠燃料氣為燃料，如果燃料中氫氣含量超過32%，則將煉油廠燃料氣與天然氣混合。截至2015年，該燃機(jī)已經(jīng)運(yùn)行了超過9 000 h[28]。意大利國家電力公司(ENEL)的富西納電廠自2010年起就開始使用一臺(tái)11 MW的GE-10燃機(jī)燃用氫氣含量97.5%的氫燃料。美國的陶氏鉑礦工廠于2010年開始在4臺(tái)配備DLN 2.6燃燒系統(tǒng)的GE 7FA燃機(jī)燃用5∶95(體積比)混合的氫氣和天然氣混合物[29]。

三菱日立動(dòng)力系統(tǒng)公司計(jì)劃在2023年將瓦騰福公司裝機(jī)容量1.3 GW的馬格南電廠3套聯(lián)合循環(huán)機(jī)組中的1套機(jī)組改造成氫燃料機(jī)組，在該廠的M701F燃機(jī)上應(yīng)用新的干式低排放技術(shù)，使其具備燃燒純氫燃料的能力，同時(shí)保證維持同樣的NOx排放水平。

世界上首個(gè)可再生能源制氫與燃?xì)浒l(fā)電相結(jié)合的示范工程HYFLEXPOWER項(xiàng)目2020年正式啟動(dòng)。該電廠將采用西門子能源公司基于G30燃燒室技術(shù)的SGT-400工業(yè)燃機(jī)，徑向旋流器預(yù)混設(shè)計(jì)使燃燒室具備更大的燃料適應(yīng)性。該示范項(xiàng)目旨在探索從發(fā)電到制氫再到發(fā)電的工業(yè)化可行性，證明通過氫氣生產(chǎn)、存儲(chǔ)再利用的方式可以解決可再生能源波動(dòng)性問題。

氫燃料燃機(jī)示范項(xiàng)目見表2。

5 制氫技術(shù)及氫燃料發(fā)電經(jīng)濟(jì)性

目前我國氫氣主要來自化石能源天然氣和煤，氫氣制備工藝主要有天然氣轉(zhuǎn)化制氫、水煤氣制氫、工業(yè)副產(chǎn)氫、電解水制氫等。其中，天然氣制氫主要由天然氣和蒸汽催化轉(zhuǎn)化、氫氣吸附提純兩部分組成，工藝較為成熟，除在工廠規(guī)模化生產(chǎn)外，還能設(shè)計(jì)成小型化撬裝制氫設(shè)備供加氫站使用；水煤氣制氫工藝流程較長，裝置規(guī)模普遍較大，可進(jìn)行大規(guī)模量產(chǎn)，我國煤炭資源相對豐富且價(jià)格較低，氫氣制備主要采用水煤氣制氫工藝，技術(shù)較為成熟；工業(yè)副產(chǎn)氫是我國氫氣的另一主要來源，可從石化、焦化、合成氨、發(fā)酵等行業(yè)副產(chǎn)物中提取氫氣；電解水制氫可與可再生能源發(fā)電相結(jié)合，通過氫能的存儲(chǔ)和再利用克服可再生能源波動(dòng)性問題，在未來以新能源為主的能源結(jié)構(gòu)中具有廣闊的應(yīng)用前景，是目前主要研究和發(fā)展的技術(shù)方向[30-32]。

根據(jù)李海波[33]等人的測算：如采用煤炭和天然氣制氫，假定23 022 kJ/kg煤炭價(jià)格為640元/t，天然氣價(jià)格為2.3元/m3，氫氣產(chǎn)品的價(jià)格分別為0.95元/m3和1.20元/m3；假定燃用氫燃料后燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)的發(fā)電效率保持不變，按照F級燃機(jī)發(fā)電效率分別估算天然氣發(fā)電、煤制氫發(fā)電、天然氣制氫發(fā)電的燃料度電成本分別為0.438元/kWh、0.597元/kWh以及0.754元/kWh，化石能源制氫發(fā)電的燃料度電成本已遠(yuǎn)高于平價(jià)上網(wǎng)的風(fēng)電及光伏電價(jià)。如需滿足未來零碳排放要求，二氧化碳捕集及封存(carbon capture and storage，CCS)的成本將會(huì)進(jìn)一步增加發(fā)電成本，因此結(jié)合CCS的化石能源制氫發(fā)電不是未來的主流發(fā)展方向。

氫燃料發(fā)電發(fā)展前景將深度依賴可再生能源發(fā)電及可再生能源電解水制氫技術(shù)的發(fā)展。目前電價(jià)下電解水制氫的成本較高，約為1.8～3.6元/m3(不同區(qū)域制氫電價(jià)不同)。預(yù)計(jì)2025年之后，伴隨新能源發(fā)電占比的持續(xù)提升，通過富余新能源電力制氫，可將電解水制氫的成本降至1.35元/ m3以下，預(yù)計(jì)2040年后進(jìn)一步下降至0.90元/ m3左右。規(guī)模效應(yīng)對于新能源發(fā)電制氫成本的影響較為明顯，因此區(qū)域集中式大規(guī)模制氫將是中長期新能源電力制氫成本下降的主要路線。

表2 氫燃料燃機(jī)示范項(xiàng)目Tab.2 Hydrogen fueled gas turbine demonstration projects list

使用富余新能源電力生產(chǎn)的“綠氫”進(jìn)行氫燃料發(fā)電，在實(shí)現(xiàn)發(fā)電零碳排放的同時(shí)為大規(guī)模新能源電力接入提供調(diào)峰服務(wù)，通過氫能存儲(chǔ)及氫燃料發(fā)電這一途徑間接實(shí)現(xiàn)了新能源電力的自我調(diào)峰，建立了新能源發(fā)展的良性循環(huán)，有利于我國碳中和目標(biāo)的順利實(shí)現(xiàn)。

在我國碳達(dá)峰前，在風(fēng)電和光伏裝機(jī)容量還未極大超過化石能源裝機(jī)的情況下，通過新能源生產(chǎn)的“綠氫”主要供應(yīng)給交通、工業(yè)、燃料電池等領(lǐng)域使用[34-35]，難以用于集中式氫燃料發(fā)電；這是因?yàn)樵谛履茉瓷形串惓３渥愕那闆r下，電轉(zhuǎn)變成氫，氫再轉(zhuǎn)變成電，中間增加了轉(zhuǎn)化過程，降低了能源整體利用效率，很難得到廣泛的支持[36]。本文認(rèn)為近10年內(nèi)，基于燃機(jī)的調(diào)峰電源的燃料還是以天然氣為主，可能有個(gè)別項(xiàng)目會(huì)進(jìn)行混氫或者純氫燃料燃機(jī)發(fā)電嘗試。氫燃料燃機(jī)發(fā)電在我國發(fā)展較快的時(shí)期可能是實(shí)現(xiàn)碳中和前的10～15年，以純氫燃料燃機(jī)發(fā)電為主。

6 結(jié)論及展望

國內(nèi)外學(xué)者及主要燃機(jī)廠商均對混氫/純氫燃料用于燃機(jī)開展了一些研究、試驗(yàn)及示范應(yīng)用工作，已經(jīng)取得一定的技術(shù)突破和少量的實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。全球?qū)淙剂先紮C(jī)的研究還處于起步階段，氫燃料發(fā)電未來規(guī)?；瘧?yīng)用還面臨較多問題需要解決，包括：①高效、穩(wěn)定富氫燃料干式低氮燃燒器的開發(fā)，保障氫燃料燃機(jī)的高效率以及CO、NOx的低排放；②集中式可再生能源發(fā)電結(jié)合更高效率的電解水制氫技術(shù)形成規(guī)?；?、低成本“綠氫”生產(chǎn)基地，為氫燃料發(fā)電提供充足且有價(jià)格競爭力的氫氣；③氫氣存儲(chǔ)及輸送系統(tǒng)得到充分的升級與更新，保障氫氣存儲(chǔ)及運(yùn)輸安全，同時(shí)降低中間環(huán)節(jié)成本。當(dāng)可再生能源制氫、儲(chǔ)氫、輸氫及氫燃料發(fā)電各個(gè)環(huán)節(jié)的技術(shù)成熟后，氫燃料發(fā)電因其零碳、低NOx排放、靈活可控等優(yōu)勢，必將成為碳中和時(shí)期以新能源為主的新型電網(wǎng)中重要的靈活性電源之一。