在全球開展“碳達峰、碳中和”的大背景下，傳統(tǒng)化石能源的利用率逐步降低，能源利用的多樣化和低碳化開始進入市場。對于傳統(tǒng)天然氣發(fā)電企業(yè)而言，面對大型燃機市場的不斷萎縮，如何既能提升能源利用效率，又能達到降碳減排的任務(wù)，成為現(xiàn)階段傳統(tǒng)能源企業(yè)的重中之重。

日前，西門子能源公司(Siemens Energy)成功運行了一臺100%可再生氫的工業(yè)燃氣輪機，這是全球首次。這一里程碑式的成果是在法國維埃納河畔薩亞爾的Smurfit Kappa工廠完成的，它為碳中和發(fā)電帶來了光明的前景，也為能源密集型行業(yè)脫碳帶來了雄心勃勃的目標。

這個雄心勃勃的項目圍繞著100%可再生氫的生產(chǎn)、儲存和再電氣化。這個過程從一個1MW的現(xiàn)場電解槽開始，在那里，水通過電力分解成氫和氧，電力主要來自風(fēng)能和太陽能等可再生能源。這些氫氣隨后被儲存在一個巨大的一噸重的儲罐中，準備為西門子能源公司的SGT-400工業(yè)燃氣輪機提供動力。

燃氣輪機摻氫燃燒發(fā)電是利用燃氣輪機將氫氣與空氣混合燃燒產(chǎn)生熱能，并通過渦輪驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電的一種發(fā)電技術(shù)。近年來，隨著全球氣候劇烈變化，國際社會對環(huán)境改善這一重大問題的關(guān)注度越來越高。氫氣作為最清潔的二次能源，將在能源的可持續(xù)發(fā)展上做出重大貢獻。摻氫燃氣輪機是氫能眾多的應(yīng)用場景之一，純氫燃燒受制于技術(shù)和成本問題發(fā)展較為緩慢，于是天然氣摻氫燃燒應(yīng)運而生。

20世紀80年代左右，實驗性燃氣輪機摻氫燃燒發(fā)電正式開始實驗階段。早期的燃氣輪機摻氫燃燒更多集中在氫氣的燃燒特性、混合比例、燃燒穩(wěn)定性等問題。進入21世紀初，一些廠商開始開發(fā)和建造燃氣輪機摻氫燃燒發(fā)電的原型機。這些原型機的目標是驗證氫氣燃燒的可行性，并評估在發(fā)電過程中的性能和效益。隨著技術(shù)的進一步成熟和環(huán)境意識的提高，燃氣輪機摻氫燃燒發(fā)電逐漸開始商業(yè)化應(yīng)用。一些能源公司和發(fā)電廠開始投資和建設(shè)使用氫氣燃燒的燃氣輪機發(fā)電系統(tǒng)。為了提高燃氣輪機摻氫燃燒發(fā)電系統(tǒng)的效率和性能，燃氣輪機不斷進行技術(shù)改進和創(chuàng)新。例如，改進燃氣輪機燃燒室設(shè)計，優(yōu)化混合比例和燃燒控制系統(tǒng)，以提高氫氣燃燒的穩(wěn)定性和熱效率。隨著燃氣輪機摻氫燃燒發(fā)電技術(shù)的成熟，相關(guān)的標準和規(guī)范也逐漸制定和完善。這有助于推動技術(shù)的規(guī)模化應(yīng)用，并為行業(yè)提供可持續(xù)能源過渡的支持。

總體而言，燃氣輪機摻氫燃燒發(fā)電技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了從實驗階段到商業(yè)化應(yīng)用的過程。隨著對可持續(xù)能源的需求增加以及氫氣生產(chǎn)和利用技術(shù)的進步，預(yù)計燃氣輪機摻氫燃燒發(fā)電將在未來繼續(xù)發(fā)展并發(fā)揮重要作用。

近年來，日本三菱日立、美國通用電氣、德國西門子能源和意大利安薩爾多能源公司等國際主要燃機廠商，均針對氫燃料燃機推出了相應(yīng)的發(fā)展計劃，開啟了摻氫燃料甚至是純氫燃料燃機的研究、開發(fā)及示范應(yīng)用工作，為電力行業(yè)深度脫碳奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。三菱日立動力系統(tǒng)公司2018年開展了大型氫燃料燃機測試，氫氣含量30%的氫燃料測試結(jié)果表明，新開發(fā)的專有燃燒器可以實現(xiàn)混氫燃料的穩(wěn)定燃燒，與純天然氣發(fā)電相比可減少10%的二氧化碳排放，聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率高于63%。

傳統(tǒng)的天然氣燃氣輪機摻入氫氣，意味著燃機設(shè)備對氫的適應(yīng)性與摻氫后的安全性均面臨挑戰(zhàn)。

據(jù)悉，氫燃料的火焰溫度比天然氣高出近300攝氏度，著火延遲時間比天然氣低三倍以上。當(dāng)燃料中的摻氫比例較高，燃料反應(yīng)性會發(fā)生變化，造成火焰向上移動、燃燒時間過盈等問題，增加氮氧化物排放，并可能使燃燒室超溫過熱。因此，需要對燃燒室的使用穩(wěn)定性及廢氣排放進行測試，重新設(shè)計或優(yōu)化傳統(tǒng)燃燒室或燃燒系統(tǒng)。

與甲烷相比，氫氣具有更高的擴散系數(shù)、更低的點火能量以及更寬的爆炸極限，因此一些天然氣燃機的常規(guī)輔助系統(tǒng)，如通風(fēng)、氣體泄漏檢測、管道裂紋檢測系統(tǒng)等，對于燃氫燃機的安全使用具有更為重要的意義，需要引起重視。

使用氫燃料還面臨著與整體安全相關(guān)的操作風(fēng)險。氫火焰的亮度很低，肉眼難以發(fā)現(xiàn)，需要專門的氫火焰檢測系統(tǒng)；其次，氫氣具有比其他氣體更強的滲透性，可能不適用于原天然氣輸送采用的傳統(tǒng)密封系統(tǒng)；另外，氫氣比甲烷更易燃易爆，相比甲烷而言，氫氣的爆炸極限范圍寬的多。因此，氫氣泄漏會增加安全風(fēng)險，需要考慮改變操作程序以及防爆危險區(qū)域劃分等問題。

12月23日，國家電投荊門綠動電廠在運燃機，成功實現(xiàn)15%摻氫燃燒改造和運行，機組具備了純天然氣和天然氣摻氫兩種運行模式的兼容能力。這是我國首次在重型燃機商業(yè)機組上實施摻氫燃燒改造試驗和科研攻關(guān)，也是全球范圍內(nèi)首個在天然氣商業(yè)機組中進行摻氫燃燒的聯(lián)合循環(huán)、熱電聯(lián)供示范項目。

2022年11月，西門子能源支持國家電投所屬北京重型燃氣輪機技術(shù)研究有限公司、國家電投湖北分公司在荊門綠動能源有限公司成功實現(xiàn)一臺在運西門子能源SGT-800燃機30%摻氫燃燒改造。改造后的機組將具備0%-30%摻氫運行條件下自由切換的靈活性。經(jīng)測算，一臺改造后的西門子能源SGT-800燃機在混燒30%氫氣的情況下，每年可減少超過1.8萬噸二氧化碳排放。

相比于國際企業(yè)，國內(nèi)摻氫燃氣輪機在摻氫比例上還未實現(xiàn)100%，對于國內(nèi)而言，燃氣輪機摻氫燃燒在技術(shù)上有一定壁壘和挑戰(zhàn)。國家電投實現(xiàn)30%摻氫燃燒的燃氣機組也是在西門子能源的支持下成功運行，由此可見國內(nèi)企業(yè)在燃氣輪機摻氫燃燒這一技術(shù)上還有一段距離。