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近日，国家电投荆门绿动电厂实现了运燃机15%掺氢燃烧改造和商业运行。这是中国首次在重型燃气机商业机组实施掺氢燃烧改造试验和科研研究。该项目已成为世界上第一个在天然气商业机组进行掺氢燃烧的联合循环、热电供应示范项目。
世界上许多燃机厂商已经开始探索传统的燃气轮机掺氢技术，并取得了初步的发展。业内人士认为，可再生能源的大规模发展和气电行业的减排需求将促进燃气轮机掺氢技术的发展。掺氢燃气轮机作为大规模氢燃料发电的关键设备，将迎来巨大的发展空间。
多国探路燃机掺氢
在现役天然气机组中增加氢燃料来源，不仅可以有效节约天然气消耗，保证冬季供暖的安全稳定，而且可以显著降低碳。根据国家电投数据，荆门54兆瓦燃气机每年可减少二氧化碳排放1.8万吨以上。
事实上，在全球碳减排的趋势下，天然气的化石能源属性使得传统天然气发电用大型燃气发电机市场萎缩，世界各大燃气发电机制造商找到了新的市场立足点。
近年来，日本三菱日立、美国通用电气、德国西门子能源、意大利安萨尔多能源公司等国际主要燃气厂商都为氢燃料燃气机推出了相应的发展计划，开展了氢燃料甚至纯氢燃料燃气机的研究、开发和示范应用，为电力行业深度脱碳奠定了技术基础。2018年，三菱日立电力系统公司对大型氢燃料燃气机进行了测试。氢含量30%的氢燃料测试结果表明，新开发的专用燃烧器可以实现氢混合燃料的稳定燃烧，与纯天然气发电相比，二氧化碳排放可减少10%，联合循环发电效率高于63%。
与三菱日立动力系统公司类似，西门子能源也致力于提高燃气轮机的燃氢能力。2019年，西门子能源承诺在2030年前实现100%燃氢燃气轮机，涵盖从小功率到重型燃气轮机的所有产品组合。
关注安全问题
与氢混合的传统天然气燃气轮机意味着燃气设备对氢的适应性和掺氢后的安全性面临挑战。
一位天然气掺氢领域的专家表示，氢燃料的火焰温度比天然气高出近300℃，着火延迟时间比天然气低三倍以上。当燃料中掺氢比例较高时，燃料的反应性会发生变化，导致火焰向上移动、燃烧时间过多等问题，增加氮氧化物的排放，并可能使燃烧室过热。因此，有必要测试燃烧室的使用稳定性和废气排放，重新设计或优化传统燃烧室或燃烧系统。
据业内人士介绍，与甲烷相比，氢气具有更高的扩散系数、更低的点火能量和更宽的爆炸极限。因此，一些常规的天然气燃烧器辅助系统，如通风、气体泄漏检测、管道裂纹检测系统等。对于燃氢燃机的安全使用具有更重要的意义，需要注意。
氢燃料的使用也面临着与整体安全相关的操作风险。“氢火焰的亮度很低，肉眼很难找到，需要一个特殊的氢火焰检测系统；其次，氢气比其他气体具有更强的渗透性，可能不适用于传统的原始天然气输送密封系统；此外，氢气比甲烷更易燃易爆，氢气的爆炸极限比甲烷宽得多。因此，氢泄漏会增加安全风险，需要考虑改变操作程序和防爆危险区域划分。”业内人士指出。
经济性有待提高
“以氢为连接枢纽，燃气轮机和新能源可以起到很好的互补和协同作用，由它们组成的混合发电系统具有更好的灵活性和稳定性，也可以为纯氢燃气轮机发电行业奠定技术基础。”上述专家表示，目前氢燃气轮机发电受制氢成本、能源转换效率等多种因素影响，面临经济性低下的问题。目前我国电解水制氢成本较高，约1.8-3.6元/立方米。但随着新能源发电比重的不断提高，预计2025年后电解水制氢成本将降至1.35元/立方米以下。
集中式发电效率低也制约了氢燃料发电的经济性。有业内人士直言，在我国风电和光伏装机容量远远超过化石能源的情况下，可再生能源生产的绿氢仍主要供应给交通、工业等领域，集中氢燃料发电进展缓慢。虽然混氢或纯氢燃料燃机发电示范项目将陆续推出，但在可再生能源尚未实现更大规模发展的情况下，电－氢－电的转化过程降低了能源的整体利用效率。如果不解决上述问题，将难以广泛应用。
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