西门子：100%氢燃料计划在2030年实现！

根据欧洲工业协会EUTurbines设定的目标，西门子天然气和电力公司于2019年1月推出了一项雄心勃勃的路线图，计划到2020年燃气轮机模型的氢气燃料产能提高到至少20％，到2030年提高到100％。所有主要的燃气轮机制造商都在不同程度上响应了这一推动，他们认为，氢能力可能会使全球燃气发电商在低碳能源市场上有更多选择，并防止因法规和排放限制而导致资产搁浅。

在10年内实现100%的氢燃料

但是，西门子的路线图特别突出，因为它将其产品组合从最小的航空驱动燃气轮机扩展到其庞大的重型燃气轮机，并试图在短短10年内实现100%的飞跃。正如该公司在最近的白皮书中所解释的那样，这一雄心勃勃的举措源于这样一种信心，即几种燃气轮机型号已经可以使用高比例的氢燃料运行，机组的具体性能取决于型号和燃烧系统的类型（图1）。

1. 此图显示了西门子燃气轮机产品组合在新机组应用中的氢气能力。WLE代表湿式低排放，DLE代表干式低排放燃烧技术。（图片来源：西门子）

该公司指出，自20世纪60年代以来，西门子为全球多个行业建造的55多台机组燃烧了不同氢含量的燃料，累计运行时间达250万小时。然而，尽管这为不减弱的扩散火焰、湿低排放（WLE）和干式低排放（DLE）燃烧技术带来了重要经验，但确保其所有型号都具有高氢能力是一项艰巨的挑战。

一个关键的障碍是，在绝热和化学计量条件下，氢的火焰温度几乎比甲烷高出300摄氏度。更复杂的是，当氢的层流火焰速度是甲烷的三倍多时，氢的自燃延迟时间比甲烷低三倍多。这意味着，正如西门子所解释的那样，研发团队必须在控制高反应性燃料的火焰和保持燃烧系统完整性之间取得良好的平衡，同时努力达到所需的排放水平。

一些航空驱动装置已经实现了100%的氢燃料目标

到目前为止，该公司已经取得了令人瞩目的成就。去年，该公司宣布，其所有配备了基于扩散燃烧器技术的WLE系统的机场驱动装置已经实现了2030年100%氢气产能的目标。WLE系统基本上使用注入燃烧室的水来降低燃烧火焰温度，从而减少氮氧化物（NOx）的排放并提高燃气轮机的功率输出。但该公司表示，下一个关键步骤将需要为其DLE系统实现高温燃烧，以扩大车队100%的氢气燃烧能力。

当被问及为什么西门子正在开发用于100%氢气的DLE技术时，已经证明带有扩散燃烧器的非DLE系统能够处理“各种西门子非DLE燃气轮机上的燃料成分和100%氢气的大包络线”，Michael Welch，一位西门子燃气轮机专家说：“水是一种宝贵的资源；它增加了供水和处理到合适质量的运行成本—您不能仅仅使用自来水，而且它通常会缩短组件的使用寿命，因为增加了维护检查，从而增加了运行成本。举个例子，用100%的氢来运行一台60兆瓦的燃气轮机，并达到百万分之二十五的氮氧化物，你每小时将消耗20吨或2万公升的水。”韦尔奇还指出，西门子的机场试验只覆盖很小的功率范围，西门子希望在其5兆瓦至600兆瓦的燃气轮机产品组合中采用高氢方案。

DLE技术的工作原理是在燃烧前混合燃料和空气，以精确控制火焰温度，从而控制产生NOx排放的化学过程的速率。然而，西门子解释说：“氢的高反应性给DLE系统的混合技术带来了特殊的挑战。”。“氢的可接受燃料分数取决于具体的燃烧系统设计和发动机运行条件。”尽管西门子的DLE燃烧系统通常使用涡流稳定火焰结合贫预混合，以在不稀释燃料的情况下实现低NOx，将氢气体积提高到50%到100%需要改变硬件和控制系统，比如新的燃烧器设计。

胜利在望

柏林清洁能源中心在SGT-600到SGT-800燃烧器上进行的全压燃烧试验迄今为止为DLE系统取得了有希望的进展。例如，SGT-600的燃烧器可以在DLE上100%运行。“西门子在巴西的一个热电厂中以60%的功率稳定运行，这是经过验证的。”

西门子现在已经着手证明，到2023年，许多使用DLE的工业燃气轮机都能实现100%的氢气发电。第一个测试将在今年6月在法国启动的HYFLEXPOWER项目上进行。正如西门子公司所解释的，参与英吉联合热电厂HYFLEXPOWER项目的现有西门子SGT-400涡轮机是一种小型工业燃气轮机，采用G30燃烧器技术，这是一种经过验证的径向旋流器预混合设计，允许燃料的灵活性，并且已经证明能够在高达10%的条件下运行氢的体积。

2. 西门子截至2020年4月的100%氢气涡轮机路线图。（图片来源：西门子）

但至少目前来看，100%氢重型燃气轮机的原型应用和第一批客户预计要到20世纪20年代末，如路线图所示（图2）。尽管如此，西门子似乎在改进燃烧器设计方面取得了重大进展，其大型燃气轮机机组也取得了进展。例如，最近，该公司向一家石化行业的客户出售了一台2000E的公用事业规模的燃气轮机，要求从2020年开始，其氢含量不得超过27%。西门子表示：“西门子标准能力的扩展是通过对燃烧器的几何结构进行渐进式和可改造性的改变来实现的，以提高在较高氢含量下的抗回火能力。”