發(fā)電市場的驅(qū)動力一直是提高效率，降低排放和增加產(chǎn)量，而特別是對于航空航天市場而言，減輕重量和減小尺寸已成為關(guān)鍵標準。

（來源：燃氣輪機聚焦 ID：GasTurbines）

英國共有39個聯(lián)合循環(huán)燃氣輪機發(fā)電站，銘牌容量約為30 GW，英國有350多個工業(yè)聯(lián)合熱電聯(lián)產(chǎn)（CHP）站點，發(fā)電量約5 GW。燃氣輪機的供應(yīng)商很多，范圍從僅輸出幾兆瓦的機組到簡單循環(huán)的近600兆瓦的最新實用規(guī)模模型。

目前，并非所有的燃氣輪機制造商都提供天然氣/氫燃料混合物的選擇，但是大多數(shù)主要的燃氣輪機制造商已經(jīng)開發(fā)出燃燒系統(tǒng)，以處理不合格的氣體，以服務(wù)于鋼鐵廠的廢氣（BFG，COG），IGCC應(yīng)用以及生物和廢物衍生的合成氣。這些不合格的氣體包括氫含量高的氣體，本文回顧了一家燃氣輪機制造商西門子向100％氫發(fā)展的現(xiàn)狀。

介紹

在過去的一個世紀中，燃氣輪機行業(yè)發(fā)生了很大的變化。發(fā)電市場的驅(qū)動力一直是提高效率，降低排放和增加產(chǎn)量，而特別是對于航空航天市場而言，減輕重量和減小尺寸已成為關(guān)鍵標準。這些通常被證明是互斥的，但是制造商之間的競爭如此激烈，以至于上述所有這些都已經(jīng)實現(xiàn)，這通常是由于引入了具有改進性能的新材料所致。

大型燃氣輪機（在簡單循環(huán)中> 50 MW）的制造（特別是用于電力和熱電聯(lián)產(chǎn)的應(yīng)用）已經(jīng)由相對較少的公司主導(dǎo)：通用電氣（GE），西門子，三菱重工（MHI）和安薩爾多。

中型燃氣輪機（相當于5-50 MW）通常作為主要市場用于航空航天應(yīng)用，盡管也可用于陸基應(yīng)用，包括CHP或分布式發(fā)電等較小規(guī)模的電力生產(chǎn)。還有其他燃氣輪機服務(wù)于5兆瓦以下市場，但此處未考慮。

并非所有的燃氣輪機都將證明適用于翻新改造，以實現(xiàn)部分或全部氫氣燃燒。例如，與用已經(jīng)完成工作的最新模型替換機器的成本相比，采用較舊模型進行相關(guān)測試進行重新設(shè)計的工作可能不合理。

氫燃燒演化

多年來，燃燒煤炭產(chǎn)生的熱量被用來燒水，使蒸汽過熱并通過渦輪/交流發(fā)電機使蒸汽膨脹來發(fā)電。這是常規(guī)發(fā)電，即朗肯循環(huán)。

產(chǎn)生電能的另一種方法是通過在壓縮空氣中燃燒天然氣，通過動力渦輪膨脹熱燃燒產(chǎn)物，并利用軸動力來驅(qū)動壓縮機和發(fā)電機，這被稱為燃氣輪機布置（布雷頓循環(huán)）。

通過使用熱廢氣來提高蒸汽并按常規(guī)在渦輪/交流發(fā)電機中產(chǎn)生更多的電力，可以有用地提取額外的能量。這種組合稱為聯(lián)合循環(huán)燃氣輪機（CCGT）。

當樹木和土地的環(huán)境破壞與發(fā)電廠的煤煙氣中的二氧化硫（SO 2）排放聯(lián)系在一起時，開發(fā)了兩條技術(shù)路線。一種是從煙道氣中洗滌SO 2，另一種是使用稱為氣化的過程從煤中產(chǎn)生合成氣（“ Syngas”，一氧化碳和氫氣的混合物）。合成氣被送入燃氣輪機，以類似于天然氣的方式燃燒。為石化工業(yè)開發(fā)的化學(xué)工藝將洗凈合成氣中的硫。該過程稱為整體氣化聯(lián)合循環(huán)（IGCC）。由于燃氣的特性不同，因此有必要為燃氣輪機開發(fā)不同的燃燒裝置。

同時，人們對氮氧化物的生產(chǎn)提出了健康和環(huán)境方面的關(guān)注。燃煤電站采用低NOx燃燒器和選擇性催化還原。燃氣輪機制造商開發(fā)了低NOx燃燒器，對較舊型號（擴散型燃燒器）使用水或蒸汽噴射（所謂的“濕式”系統(tǒng)），最終使用分段或稀薄預(yù)混燃燒對新機器使用“干式”變體。技術(shù)（所謂的“干式低排放”或DLE燃燒器）。

由于DLE路線避免使用水或蒸汽，因此具有吸引力，因為：

·水純度要求很高，以避免雜質(zhì)沉積在膨脹渦輪機葉片上并減少冷卻，從而導(dǎo)致熱點；

·水與廢氣一起作為蒸汽排放，這對工廠造成了昂貴的損失；

·水資源被認為是一種資源，需要盡量減少工業(yè)淡水的使用以保護水資源；

·在某些氣候條件下，可能會出現(xiàn)可見的羽流，如果可能應(yīng)避免使用；

·特別是注水，但蒸汽也減少了渦輪機葉片的使用壽命；

·所需的水量很大，通常不能達到與“干式”技術(shù)相同的減排水平。

從正面看，由于通過膨脹渦輪的質(zhì)量流量增加以及水閃蒸而使功率有所提高。對于某些燃料，濕式燃燒器目前是唯一的選擇，尤其是在需要非常低水平的NOx排放的情況下。

接下來，當全球變暖與大氣中CO2含量上升相關(guān)時，發(fā)電廠的煤煙氣排放被確定為主要排放源之一。再次，開發(fā)了兩條技術(shù)路線。一種是燃燒后捕集，其中涉及從常規(guī)發(fā)電站產(chǎn)生的煙氣中洗滌CO 2。

另一種是燃燒前捕集，包括處理IGCC工廠產(chǎn)生的合成氣，僅產(chǎn)生氫氣，并將其供入燃氣輪機，以與天然氣相同的方式燃燒?？梢詫O 2與SO 2一起洗掉。與天然氣相比，由于氫氣作為燃料氣體的特性差異很大，因此需要對燃燒系統(tǒng)進行更多的更改，同時還需要對輔助系統(tǒng)進行更改。

同樣，燃氣輪機遵循兩條路線。一種是進一步開發(fā)注水或蒸汽擴散燃燒器以使用氫氣，另一種是重新設(shè)計DLE燃燒器以燃燒氫氣。兩種方法都由制造商開發(fā)，DLE是最終目標，因為它們避免了上述所有缺點。

如今，即使改進的設(shè)計繼續(xù)成為主流，燃燒過程中每個開發(fā)階段的示例（請參見圖1和2）仍在使用中。

西門子

西門子提供了廣泛的燃氣輪機產(chǎn)品組合，從KG2燃氣輪機（簡單循環(huán)為2 MW）到SGT5-9000HL（簡單循環(huán)為593MW，在其聯(lián)合循環(huán)配置中更為常見，在1x1配置中為870MW）。較小的模型在英國的林肯，瑞典的芬斯蓬和加拿大的蒙特利爾生產(chǎn)，較大的模型在柏林的工廠生產(chǎn)。

除天然氣外，該公司在大型和小型燃氣輪機上都具有豐富的經(jīng)驗，這些燃氣輪機使用高氫燃料，主要處理廢氣，包括在IGCC工廠中使用合成氣運行的大型“框架”機。

西門子在燃燒來自煉油廠，煉鋼廠和煉焦廠的含氫燃料方面擁有超過200萬小時的運行經(jīng)驗。雖然主要是在擴散燃燒器上獲得了這種經(jīng)驗，但在南美最近的訂單中，DLE燃燒器中使用了約60％vol的氫氣作為工藝廢氣。

大型燃氣輪機

對于天然氣/氫氣混合物，較大的機器根據(jù)所安裝的燃燒室類型而具有不同的功能。西門子已經(jīng)對其F級機器進行了測試，該機器的氫氣含量在燃氣1中為30％至73％。測試結(jié)果表明可以達到排放和運行目標。

輕工業(yè)燃氣輪機

在開發(fā)一些西門子的較小型工業(yè)燃氣輪機以在擴散/ DLE燃燒器的天然氣/氫氣混合物上運行方面，已經(jīng)做出了相當大的努力。該領(lǐng)域的工作仍在繼續(xù)，尤其是DLE燃燒器，正在研究提高氫氣的能力。

對于這些裝有DLE燃燒器的小型燃氣輪機，對于大多數(shù)型號而言，將不超過30％的氫氣引入天然氣系統(tǒng)顯然不會帶來技術(shù)問題，但在此之上，有必要對針對天然氣進行了優(yōu)化的布置進行一些修改。但是，事實證明，在25兆瓦至57兆瓦范圍內(nèi)的渦輪機上使用的DLE燃燒室設(shè)計（簡單循環(huán)，天然氣燃料）可燃燒高達60 vol％的氫氣（40％的天然氣）。目前正在進行開發(fā)工作，以在100％氫氣中實現(xiàn)低NOx性能，預(yù)計將在2020年代中期完成。

航空衍生燃氣輪機

帶有DLE燃燒器的SGT-A35（27.2–32.1MWe）航空衍生物可處理SGT-A35和SGT的15vol％天然氣燃料中的氫，但帶有擴散燃燒器和注水以控制NOx。-A65（53.1–66MW）最高可以達到100 vol％的氫氣。（燃氣輪機的輸出數(shù)據(jù)均為“簡單循環(huán)”，并取決于配置和型號，其中天然氣燃料處于ISO條件下。）

走向未來

與其他制造商一樣，西門子已設(shè)定了能夠提供可在整個范圍內(nèi)燃燒100％氫氣的燃氣輪機的目標，并且正在開發(fā)DLE燃燒器以滿足預(yù)期需求。面臨的挑戰(zhàn)是如何在不影響效率，啟動時間和NOx排放的情況下做到這一點。這是通過開發(fā)燃燒器設(shè)計實現(xiàn)的，其中天然氣中氫氣的比例不斷增加。SGT-700（33 MW）上使用的DLE燃燒器設(shè)計顯示出高達40 vol％的H 2容量。最近的測試表明，SGT-800（50 MW）可能占50 vol％，而SGT-600（25 MW）可能在較低溫度下轉(zhuǎn)化為60 vol％。

隨著氫經(jīng)濟在未來十年中的發(fā)展，人們明確希望燃氣輪機將準備迎接即將到來的市場，同時在排放，響應(yīng)和效率方面不損害當今的高性能期望。