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(biāo)準(zhǔn)。

（來源：燃?xì)廨啓C(jī)聚焦 ID：GasTurbines）

英國共有39個聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)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(diǎn)，發(fā)電量約5 GW。燃?xì)廨啓C(jī)的供應(yīng)商很多，范圍從僅輸出幾兆瓦的機(jī)組到簡單循環(huán)的近600兆瓦的最新實(shí)用規(guī)模模型。

目前，并非所有的燃?xì)廨啓C(jī)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?xì)廨啓C(jī)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?xì)廨啓C(jī)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(jì)中，燃?xì)廨啓C(jī)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(biāo)準(zhǔn)。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(shí)現(xiàn)，這通常是由于引入了具有改進(jìn)性能的新材料所致。

大型燃?xì)廨啓C(jī)（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?xì)廨啓C(jī)（相當(dāng)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?xì)廨啓C(jī)服務(wù)于5兆瓦以下市場，但此處未考慮。

并非所有的燃?xì)廨啓C(jī)都將證明適用于翻新改造，以實(shí)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(jī)器的成本相比，采用較舊模型進(jìn)行相關(guān)測試進(jìn)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(jī)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(jī)和發(fā)電機(jī)，這被稱為燃?xì)廨啓C(jī)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(jī)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?xì)廨啓C(jī)（CCGT）。

當(dāng)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?xì)廨啓C(jī)，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?xì)獾奶匦圆煌虼擞斜匾獮槿細(xì)廨啓C(jī)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?xì)廨啓C(jī)制造商開發(fā)了低NOx燃燒器，對較舊型號（擴(kuò)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(jī)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(jī)葉片上并減少冷卻，從而導(dǎo)致熱點(diǎn)；

·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(rèn)為是一種資源，需要盡量減少工業(yè)淡水的使用以保護(hù)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(jī)葉片的使用壽命；

·所需的水量很大，通常不能達(dá)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(dāng)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?xì)廨啓C(jī)，以與天然氣相同的方式燃燒。可以將CO 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(jìn)行更多的更改，同時還需要對輔助系統(tǒng)進(jìn)行更改。

同樣，燃?xì)廨啓C(jī)遵循兩條路線。一種是進(jìn)一步開發(fā)注水或蒸汽擴(kuò)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(biāo)，因為它們避免了上述所有缺點(diǎn)。

如今，即使改進(jìn)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?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)品組合，從KG2燃?xì)廨啓C(jī)（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?xì)廨啓C(jī)上都具有豐富的經(jīng)驗，這些燃?xì)廨啓C(jī)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(yùn)行的大型“框架”機(jī)。

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(yùn)行經(jīng)驗。雖然主要是在擴(kuò)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?xì)廨啓C(jī)

對于天然氣/氫氣混合物，較大的機(jī)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(jī)器進(jìn)行了測試，該機(jī)器的氫氣含量在燃?xì)?中為30％至73％。測試結(jié)果表明可以達(dá)到排放和運(yùn)行目標(biāo)。

輕工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)

在開發(fā)一些西門子的較小型工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)以在擴(kuò)散/ DLE燃燒器的天然氣/氫氣混合物上運(yùn)行方面，已經(jīng)做出了相當(dāng)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?xì)廨啓C(jī)，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(jìn)行了優(yōu)化的布置進(jìn)行一些修改。但是，事實(shí)證明，在25兆瓦至57兆瓦范圍內(nèi)的渦輪機(jī)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(dá)60 vol％的氫氣（40％的天然氣）。目前正在進(jìn)行開發(fā)工作，以在100％氫氣中實(shí)現(xiàn)低NOx性能，預(yù)計將在2020年代中期完成。

航空衍生燃?xì)廨啓C(jī)

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(kuò)散燃燒器和注水以控制NOx。-A65（53.1–66MW）最高可以達(dá)到100 vol％的氫氣。（燃?xì)廨啓C(jī)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?xì)廨啓C(jī)的目標(biāo)，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(diǎn)。這是通過開發(fā)燃燒器設(shè)計實(shí)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(dá)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(jì)在未來十年中的發(fā)展，人們明確希望燃?xì)廨啓C(jī)將準(zhǔn)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(dāng)今的高性能期望。