继《欧洲绿色协议》之后，欧盟制定了到2050年实现气候中和的目标，这与美国和许多其他加入《巴黎协议》的国家很相似。为了实现这一目标，温室气体的排放不能超过捕获和存储，这意味着化石燃料将不可避免地需要逐步淘汰。在发电方面，氢被视为联合循环电厂的潜在燃料，可以提供可靠的、无碳排放的可调度电力。

SS&A电力咨询公司最近对电力公司、设备供应商、EPC(工程、采购和建设)承包商、投资者、石油和天然气公司和顾问进行了一项调查，59%的参与调查的公司表示，氢在公司未来的战略中扮演着重要或非常重要的角色，62%的公司表示，他们正专注于在燃气轮机上的应用。在过去的一年里，宣布新的氢开发和投资计划的数量呈指数级增长。在这篇文章中，将讨论联合循环燃气轮机氢燃料的考虑和机会。

氢的能量密度

燃气轮机的体积氢含量与碳强度之间存在非线性关系(图1)。氢气的能量密度低于天然气。如果在热含量的基础上进行比较，氢气的热含量与碳强度之间的关系是线性的。其结果是，体积氢含量的低百分比对减少二氧化碳排放的影响很小。如果降低碳足迹是目标，那么更可取的是尽快将体积氢含量提高到100%。

燃气轮机燃烧氢气的挑战

在燃气轮机中燃烧氢气的挑战来自于氢气不同于天然气的特性，如增加的反应性、点火延迟时间和热声特性。从表1中可以看出，氢的性质通常与传统燃料有很大的不同。这并不一定是一件坏事，但它确实需要考虑到在燃气轮机中有效地燃烧氢。

在氢燃烧过程中，由于氢的反应性增加，火焰位置有更大的向上移动的趋势。如果不加以考虑，则会增加回闪的风险，对上游组件造成损害。目前的燃烧系统经常通过改变燃料参数来降低闪回风险。

此外，当氢含量较高时，较低的点火延迟时间会增加不必要的自燃风险。其次，与天然气相比，氢燃烧时的热声幅值和频率也不同，这可能对燃烧稳定性产生影响。

此外还出现了几个较小的挑战。氢气的体积低热值(LHV)低于天然气，这意味着在相同的火电功率下，需要更大的体积流量运行。燃烧氢气也会增加废气中的水分含量，导致向热气体路径组件的传热增加，这将需要更多的冷却。水分含量的增加也会使热腐蚀更容易发生，可能会降低某些部件的寿命。

工厂对氢气准备的考虑

氮氧化物的排放。在联合循环燃气轮机中燃烧氢，由于氢的火焰温度较高，会导致较高的氮氧化物排放。因此，在现有联合循环发电厂引入氢气可能会导致氮氧化物排放超标。选择性催化还原(SCR)可能是解决NOx生成问题的一种改进方案。通过催化还原过程，NOx转化为氮气和水。通常，氨或氨的衍生物被用作还原剂。还原剂被加入到烟气中，并与催化剂反应。

可控硅系统的局限性包括污染、堵塞和有限的寿命。当温度较低时，不会发生NOx的还原，导致氨在通过SCR未反应时发生滑移。对于现有的发电厂，如果安装了现有的SCR功能，可能有一定的能力接受氮氧化物排放的增加。否则，改造可控硅或增加已安装可控硅的容量可能提供一个解决方案。

燃烧系统在燃烧氢气而不超过NOx限制方面发挥着关键作用。在燃烧系统中经常使用的减少NOx生成的方法是减少燃料喷射，在预混燃烧器中使用更少的混合燃料，或者在扩散燃烧器中使用惰性成分进行预混。上述方法导致较低的火焰温度，但不幸的是，也较低的出口温度，因此导致性能略有下降。

当蒸汽被用作稀释剂时，扩散燃烧器已经能够处理富氢燃料，甚至是纯氢燃料。然而，使用蒸汽作为稀释剂将需要大量的高纯水，产生蒸汽需要额外的能量，并且由于热传递增加，可能增加热气体路径部件的压力。因此，预混燃烧室干式低nox (DLN)技术是目前氢涡轮研究的重点。DLN技术的最新发展已经证明，能够在h级涡轮机中使用含有高达50vol%氢气的燃料，并可达到100vol%的能力。

空间。当一个传统的天然气涡轮机被改装以燃烧氢气时，需要做一些调整。改变包括拓宽管道和改变材料，以适应更高的体积流量和防止氢脆。在改造过程中，并不总是有空间容纳更宽的管道，因此，如果将来工厂有可能靠氢气运行，建议建造更大直径的管道，以容纳所需的氢气量。如果涡轮机需要提升中轴以适应更宽的管道，那么对系统进行氢改造在经济上可能是不可行的。

由于氢的体积能量含量比天然气低3倍左右，所以在同等能量含量的情况下，氢占据的空间会更大。在现场储存一些氢气，即使在氢气供应中断的情况下，仍可连续运行，这可能是有利的。这可能会影响工厂的总体布局，并需要额外的空间，因为还需要在储氢罐周围设置安全区。

阻碍富氢燃料发展的一个经常被忽视的问题是，公用事业规模的燃气涡轮机所需的大量氢气供应。目前的电解厂不能持续地为大型厂提供氢气，使其以高氢燃料运行。例如，目前，NEL M5000，一种较大的现成的氢电解槽，只能提供大约1.2%的氢来运行571兆瓦的GE 9HA。02涡轮由100%氢气驱动。随着市场对氢气的适应，这一数字必然会增加，但如果氢在现场电解，则需要考虑空间问题。

管道。在管道输送氢气时，必须考虑输送压力和温度，以避免氢气在管道和辅助设备中发生脆化。氢气通常被压缩到35巴至150巴之间用于管道传输;然而，为许多终端用户提供气体的分配系统通常在压力小于7巴的情况下运行。直径较大的管道在较低的压力下可以提供相同质量的流量。

在石油和天然气应用中遇到的最大温度为50 bar和100℃时，不锈钢设备中不会发生氢脆，但将温度提高到200℃左右可能会导致H2通过材料迁移。这可能是一个问题，当预热氢气是为了提高性能，尽管316L级不锈钢被认为是非常适合减少这一影响。

如果加以考虑，很容易避免设备的氢脆。在燃气轮机中，可能需要实施新的燃烧系统，这将需要新的燃料附件管道和阀门。为了容纳更小的氢分子，可能还需要安装新的燃料橇。

新安装的低压气体分配管道通常由聚乙烯或纤维增强聚合物制成。如果这些管道已经到位，或者只需要运输氢气和天然气的混合物，只需要做很小的改变。在输送纯氢的时候需要更多的考虑。

燃料处理。在处理气体时也需要考虑一些问题。由于氢是一种非常轻的气体，它的分子非常小，以至于它可以扩散到一些材料中，包括某些类型的钢铁管道，从而增加了它们失效的几率。体积较小的氢分子也比体积较大的分子(如天然气)更容易通过密封件和连接器逃逸。

氢气是一种无毒气体，但其火焰速度高、点火范围广、点火能量低，使其极易燃烧，且其浮力和扩散系数高，消散速度快，降低了爆炸风险。氢无色无味，而且燃烧时的火焰肉眼看不到，这使得泄漏和火灾更难被探测到。氢的这些特性需要改变，以减轻安全问题。这些变化包括能够检测氢气火焰的火焰探测器，以及由于燃料中天然气含量减少而能够检测烃类含量减少的气体的升级气体传感器。外壳和通风系统可能需要改进，以减少爆炸和火灾风险。

然而，在工业上使用氢已经有几十年的经验，包括在大型、专用的分配管道中，这些地点的安全处理协议已经到位。在国际层面上，还没有发布关于燃气轮机氢气操作的标准。

其他的考虑。除了上述考虑之外，还应审查对现有工厂的其他适应性。由于可能较高的废气能量，热回收蒸汽发生器(HRSG)可能需要调整，这可能是一项重大的资本支出。控制系统也可能需要进行小的更新，这可能会影响燃气轮机的性能，包括输出和热速率。如果工厂有长期服务协议，则需要与服务提供商讨论燃料中氢含量的增加，因为这可能会增加维护成本。

当改用氢含量更高的燃料时的考虑总结

由于其灵活性，改变燃气轮机燃料可能与一些重新配置，允许使用现有的燃气轮机设备。然而，所需变化的大小取决于燃料中氢的含量。低氢燃料的燃烧通常只需要很小的改变，但配置燃气涡轮机只燃烧氢将需要对工厂进行彻底的检查。

如果新燃料将是天然气中的氢的混合物，所需的变化可能仅限于控制装置的更新和新的燃烧室燃料喷嘴。许多变体取决于应用程序。需要在案例研究中评审所需的更改。表2显示了联合循环发电厂燃烧氢的主要考虑因素。

当前的发展

一家为氢燃料燃气轮机铺平道路的公司是瑞士的SS&A电力集团，专门从事燃气轮机技术。G2P亚得里亚海AD是它的子公司之一，目前正在进行一个项目，用一个200兆瓦的燃气电厂取代黑山的一个老的燃煤电厂，并直接生产氢燃料。该项目的目标是包括整个氢链，包括绿色氢的产生。

此外，SS&A电力咨询公司正在为现有的工厂业主提供关于燃气涡轮机用氢的建议，包括关于氢的改造选项的可行性研究。许多业主也把准备氢气作为新建联合循环电厂的一个重要考虑因素。当法规要求时，或者当它具有经济优势时，有能力转换为氢气，被视为一种“防未来”的燃气技术，以确保电厂能够长期保持竞争力。

随着氢能在能源产业中站稳脚跟，氢能的发展必然会接踵而至，增加经济和技术的可行性，使氢能在绿色和强大的能源产业中得以实施。