燃气轮机 | 日本氢燃气轮机技术趋势

导语 

 “十四五”规划提出中国到2030年实现“碳达峰”，2060年实现“碳中和”。众所周知，现有火力发电设备是碳排放大户，不论是以天然气为燃料还是使用洁净煤技术，都不能从根源上避免CO2产生。而可再生能源发电又受气候和气象条件影响出力波动较大，如何有效利用其剩余电力是一个问题。如果以风力发电、光伏发电和水力发电等绿色能源制造的氢气和氧气为燃料来发电，没有CO2排放，是真正的全过程零碳排放。因此大力发展氢能发电以及将现有火力发电设备改造为氢能发电是削减碳排放的有效途径之一。

日本在氢能方面的研究走在前列。早在1973年日本就成立“氢能源协会”。1995年日本政府出资委托美国Westinghouse公司开展以氢气和氧气为燃料的发电厂研究。2015年日本新能源与产业技术综合开发机构（简称NEDO）出台氢能源白皮书，正式把氢能源定为国内发电的第三支柱。计划到2030年氢供应量将达到300万吨，其中发电用氢占氢消耗量的64%左右，全面实现商业化氢燃料发电。2020年9月，NEDO宣布于2020-2022年开展“超越传统技术的高效氢能发电技术研发”研究课题，开发发电效率高达68%的1400℃级氢燃气轮机发电系统以及闭式热力循环的通用基础技术。

 NEDO资助三菱重工业公司和川崎重工业公司研究氢的直接燃烧以及与天然气混合燃烧的发电技术，至今取得不小的成果。本文综述对比这2家公司各自的技术特点以作参考。

 1、日本氢燃气轮机项目 

 日本氢燃气轮机项目由NEDO主导，三菱重工和川崎重工分别研制大型氢燃气轮机与中小型氢燃气轮机。从技术路线来看，目前都是只改造现有燃气轮机的燃烧器喷嘴或开发新的燃烧器喷嘴。按燃料细分，可分为以下路线：掺氢燃烧的燃气轮机（以下简称掺氢燃气轮机），纯氢燃烧的燃气轮机（以下简称纯氢燃气轮机），纯氢+纯氧燃烧的燃气轮机（以下简称氢氧燃气轮机）。表1列出这3种技术路线的特点和参与研制的公司。

 2、氢燃气轮机需要解决的若干技术问题 

 目前研究发现燃气轮机使用氢为燃料主要有以下技术问题，需要通过实验室研究—模型实验—实机验证等过程来解决。 第一，与天然气相比，氢气的最大燃烧速度更快，火焰距离更短。氢火焰更接近燃烧器的燃料喷嘴，因此喷嘴温度更高。 第二，氢气的可燃范围很广，使用预混燃烧方式有回火的可能。 第三，当氢气含量高时，较短的点火延迟时间可能会增加意外自燃的风险。 第四，与天然气相比，氢气燃烧的热声振幅水平和频率也不同，对燃烧稳定性有影响。 第五，同等体积下，氢气的热值（LHV）低于天然气，输出相同热功率需要更大体积流量的氢气。 第六，燃烧氢气还会增加废气中的水分含量，导致向热端部件的热传递增加，进而需要更多的冷却。而且水分含量的增加还会使热腐蚀更容易发生，可能会缩短某些零部件的使用寿命。

 3、川崎重工与三菱重工的技术对比

表2列出川崎重工的氢燃烧技术特点和开发情况。第1种针对工业副产氢的利用需求，在目前的天然气干式低NOx燃烧器的二次燃烧喷嘴中加入氢气。第2种是“扩散燃烧（喷水减少NOx生成）”，高浓度氢气以扩散燃烧方式稳定燃烧，并喷水或水蒸气来减少NOx生成量。第3种是“纯氢燃烧干式低NOx：微小氢火焰”方法，纯氢燃烧中无需喷水或蒸汽即可实现低NOx燃烧。表3列出三菱重工的氢燃气轮机燃烧器的技术特点。

多种技术路线与型号并进，大中小型机一起实验与研制，这是日本推进新产业惯有的特点。

 4掺氢燃气轮机的技术特点与开发进展

 4.1川崎重工的掺氢燃气轮机的燃烧器

 川崎重工掺氢燃气轮机燃烧器的特点是在燃烧器后半段增加二次燃烧喷嘴，氢气只在二次燃料中掺混，主燃料仍然是天然气。使用天然气进行点火/启动和低负荷运行，当负荷达到DLN运行范围时，向二次燃烧喷嘴供应氢气，进行氢燃烧发电。图1为原型机剖面图。实验结果确认使用二次燃烧喷嘴时，掺氢燃气轮机与天然气燃气轮机的运行范围、设计点和NOx排放量几乎相同，且没有发生回火或烧蚀。并且NOx排放量为25ppm（按O2=16%换算）。

 4.2三菱重工的掺氢燃气轮机的燃烧器

 与川崎重工的燃烧器不同，三菱重工的燃烧器是在主燃料喷嘴就进行氢气混合，如图2所示。压气机排气进入燃烧器内部后通过旋流器叶片成为旋流，与此同时燃料从旋流器叶片表面的小孔喷出，在旋流效应下与周围空气快速混合。目前已了解到在旋流中心（以下简称涡核）存在一个低流速区域，导致火焰逆向蔓延，从而发生回火。因此新型燃烧器的设计特点是从喷嘴的尖端喷出空气，以增大涡核的流速。喷射的空气补充涡核的低流速区域，从而防止回火的发生。 

 考虑到最低流速是控制回火现象发生的关键，因此新型燃烧器的最低流速是常规燃烧器的2.5倍以上，如图3所示。另外，从新型燃烧器喷嘴顶端的小孔喷入的空气量非常少，因此，除了涡核附近区域之外，其他区域几乎不受影响，流速分布与常规燃烧器同等。

5、纯氢燃气轮机技术特点

5.1川崎重工的纯氢燃气轮机的燃烧器

 尽管从化学反应式来看，纯氢燃烧不会有NOX产生，但是在燃烧室封闭的高温环境下，送入的压缩空气中的氮气也会与氧气反应生成NOx，生成量甚至高于同等体积的纯天然气燃烧。所以纯氢燃气轮机的燃烧器同样要使用各种抑制NOx生成的措施。 川崎重工的纯氢燃气轮机的燃烧器有2种技术路线：扩散燃烧器与干式低NOx燃烧器。

 5.1.1喷水减NOx的扩散燃烧器（纯氢）

 目前使用含有高浓度氢气的高反应性燃气作为燃气轮机的燃料进行发电时，多采用火焰稳定性优良的扩散燃烧法。这种燃烧方式稳定性极好，但会产生大量NOx。因此，为了减少燃烧气体中的NOx，使用喷入水或水蒸气减少火焰高温部分产生的NOx的方法。图4为扩散燃烧器、燃料喷射阀和雾化喷水的示例。

 5.1.2干式低NOx燃烧器（纯氢）

 天然气通过预混燃烧可以实现低NOx燃烧。但氢气的反应性太强烈，会发生回火。因此川崎重工研究使用微小氢火焰的纯氢干式低NOx燃烧技术及其在工业燃气轮机中的应用。

图5为氢火焰形成模式图和试验喷嘴中的氢火焰。氢气从一个微小的氢气注入孔（直径1mm或更小）注入，与正交方向的空气射流快速混合，形成氢火焰。通过形成微小的氢气火焰，避免局部高温区的产生，缩短反应时间，从而抑制NOx的产生。

 图6为配备该微小氢火焰喷嘴的工业燃气轮机燃烧器的形状图（初始概念设计阶段）。供应氢气的喷嘴呈环形布置，其数量可根据氢气燃烧量（运行负荷）调整，因此可以同时实现从燃气轮机启动后低负荷时的高燃烧效率和高负荷时的低NOx燃烧。

 川崎重工已开发出使用纯氢低NOx燃烧技术的2MW级燃气轮机燃烧器的关键技术。达到以下2个目标：

（1）在从50%负荷到100%额定负荷运行的燃烧器进气条件下NOx达到35ppm（按02=16%转化率计算）或更低。（2）氢气燃烧不熄火、不回火，稳定产生500℃以上的燃烧气体，实现稳定燃烧。 

 图7为2MW纯氢燃气轮机制造的纯氢干式低NOx燃烧器和喷嘴。实验结果表明点火性能、火焰保持性能和高负荷燃烧条件下的NOx性能都达到设计要求。

 川崎重工在神户市港岛建设了一个氢能热电联产示范电厂。电厂自2017年12月建成以来，先进行了燃气轮机使用天然气的运行试验，随后进行了一次氢气天然气混合燃烧及纯氢燃烧的热电联产验证试验。在2018年4月19～20日进行的示范试验中，以纯氢气为燃料向邻近4个设施同时供应热电，成为世界上第1个使用氢燃气轮机为城市供应热电的电厂。氢气流量约为2200Nm3/h（此时天然气流量为ONm3/h，氢燃料占比100%），喷水时NOx值为50ppm（按O2=16%转化率计算）。从2020年开始，在该机组中进行不喷水（用于减少NOx）的纯氢干式低NOx燃烧器的验证试验运行。由于不需要喷水，因此降低了运行成本。

 5.2三菱重工纯氢燃气轮机的燃烧器

 与川崎重工一样，三菱重工纯氢燃气轮机的燃烧器也有2种技术路线：扩散燃烧器与多点燃烧器（仍然是干式低NOx燃烧器）。 5.2.1扩散燃烧器 三菱重工的扩散燃烧器如图8所示。正在计划将这种扩散燃烧器应用于荷兰NuonMagnum发电厂改用氢燃料的项目。

 5.2.2用于纯氢燃烧的多点燃烧器

 随着氢气浓度的增加，回火风险增大。掺氢燃烧DLN燃烧器使用旋流器混合燃料和空气需要相对大的空间，并且回火的风险增加，需要短时间内在狭窄空间中混合。因此设计了1种微孔喷射燃料使火焰分散且更细长的混合方式。与传统的DLN燃烧器的燃料喷嘴（8个）相比，多点燃烧器有更多喷嘴且喷嘴孔径更小。空气被送到此处，然后采用吹入氢气混合的方法。可以在不使用旋流器的情况下用较小的体积混合空气和氢气，并且同时实现高回火阻力和低NOx燃烧。目前正在进行燃料喷嘴结构的基础研究。图9为三菱重工的多点燃烧器（开发中）。

 6、成本考虑 

 从上文可知，现阶段的氢燃气轮机的研发主要改造现有燃气轮机的燃烧器或者设计制造新的燃烧器，整个开发过程的成本不是很高，需要考虑的是燃料成本。从目前的情况看，日本氢能主要还是从天然气、石油、煤炭等化石能源加工过程中的副产品获得，可再生能源电解氢只占4%。氢的储藏和运输主要有液氢、有机氢化物和氨3个方法，送达用户后，先经过气化或脱氢的步骤，产生氢气供利用。

 目前日本的100%氢气发电成本为97.3日元/千瓦时，10%氢气和90%天然气混合发电成本为20.9日元/千瓦时，约是普通电力的2倍。日本政府的目标是到2030年将氢燃料的价格降低到19.4日元/千瓦时（约合人民币1.08元），2050年降为13.7日元/千瓦时（约合人民币0.76元），这样才能与天然气发电进行竞争。

（文/邹昆 东方电气集团东方汽轮机有限公司，东方汽轮机）

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