導讀：為了解決環(huán)保中的碳排放問題，航空工業(yè)的主流解決方案是電推技術，而對地面燃氣輪機，它的主流解決方案則是將燃料替換為氫氣，通過先進的燃燒室設計技術，讓未來的燃氣輪機可以燃燒100%含量的氫燃料。
為了與歐洲工業(yè)協(xié)會EUTurbines設定的目標保持一致，西門子天然氣和發(fā)電公司早在2019年1月就公布了雄心勃勃的燃氫路線圖，計劃在2020年將燃氣輪機的燃氫能力提高到至少20%（燃料中的氫含量），到2030年則提高到100%。
其實幾乎所有的主要燃氣輪機制造商都在不同程度推出了自己的燃氫發(fā)展規(guī)劃，它們都認為氫能不僅可以使得全球燃氣發(fā)電機組在低碳能源市場獲得更大的競爭力，并前有望在滿足各國法規(guī)和排放限制下延長現(xiàn)有機組的生命力。
在過去22年中，燃氣輪機機組的安裝數(shù)量增加了2倍，這就如同中國房價在過去10年增長了5倍，高速發(fā)展的時期已經(jīng)過去，燃氣發(fā)電市場已經(jīng)進入滯漲階段，因此燃氫讓新型和現(xiàn)有燃氣輪機實現(xiàn)從化石能源向低碳能源過渡，對于燃氣輪機的未來市場前景具有重要意義。
作為燃氣輪機市場的“千年老二”（近幾年，GE和三菱輪流占據(jù)市場第一位置），這次西門子立下“flag”：10年內(nèi)實現(xiàn)100%燃氫燃氣輪機，并且涵蓋幾乎所有產(chǎn)品組合——從小功率的航改燃氣輪機到龐然大物的重型燃氣輪機。
而且西門子對實現(xiàn)這個“小目標”信心滿滿，其在最近的白皮書《Hydrogen power with Siemens gas turbines》中解釋道：“多個燃氣輪機型號已經(jīng)實現(xiàn)了燃高比例氫含量燃料的能力，并且燃燒室設計技術也再不斷的推陳出新。”
上圖為西門子現(xiàn)有燃氣輪機型號的燃氫能力，其中WLE代表濕式低排放燃燒技術，DLE代表干式低排放燃燒技術。
這2種燃燒技術的區(qū)別如下：燃料在燃燒過程中，如果燃燒溫度過高容易產(chǎn)生NOx，而過低又會導致燃料燃燒不充分，甚至產(chǎn)生污染物如CO。因此需要在燃燒過程中，把火焰溫度控制在一個“不高不低”的狹窄區(qū)域。天然氣燃料中的干式低排放燃燒技術的代表之作就是基于多噴嘴的預混燃燒技術，它通過提前將燃料和空氣進行混合（空氣多燃料少）后再燃燒，從而實現(xiàn)有效的控制火焰溫度。而濕式低排放燃燒技術則無需對燃料和空氣進行預先混合，它直接對擴散火焰進行“噴水”或“噴催化劑”來降低火焰溫度，也能實現(xiàn)有效的低排放。
不過，在絕熱和化學計量條件下，氫燃料的火焰溫度比天然氣高近300℃，而且層流火焰速度是天然氣的三倍以上，但是著火延遲時間卻比天然氣低三倍以上（著火延遲是指燃料與空氣混合物在其溫度高于燃料著火溫度的情況下并不立即著火燃燒的一種現(xiàn)象），因此控制燃氫火焰溫度的難度要高得多。
據(jù)西門子介紹，自上世紀60年代以來，西門子在全球各行各業(yè)至少有55臺以上的西門子燃機已經(jīng)燃燒過含氫燃料，累計運行時間為250萬小時。從前面的圖上也可以看出，目前主要的技術成就在使用濕式低排放燃燒技術，而且型號也集中在小功率的航改燃機上。
因此，具體一點來說，西門子的”2030燃氫”目標其實是指使用干式低排放燃燒技術實現(xiàn)燃燒100%氫含量能力，這也是未來全部燃氣輪機型號具有燃氫能力的關鍵。
西門子燃氣輪機專家邁克爾-韋爾奇（Michael Welch）解釋道：“水是一種寶貴的資源，它增加了供應和處理水等運營成本，而且通常會縮短燃機零部件壽命，如果在一臺燃氫100%的60MW燃氣輪機中使用WLE技術，每小時將消耗20噸水。”通俗一點就是WLE技術中的水并非自來水，它需要專業(yè)的水處理系統(tǒng)來去除各類雜質(zhì)，想象一下，每小時燒60噸“農(nóng)夫山泉”礦泉水是一個多大的成本。
DLE技術則非常經(jīng)濟，在燃燒之前混合燃料和空氣，以精確地控制火焰溫度，在技術也基本上可行。韋爾奇表示：“但是氫的高反應性給DLE系統(tǒng)中的混合技術提出了特殊的挑戰(zhàn)，燃氫含量的比例程度取決于燃燒室的設計和燃氣輪機工況。目前西門子的DLE燃燒系統(tǒng)通過采用旋流穩(wěn)定火焰與貧燃料預混組合，已經(jīng)可以實現(xiàn)燃氫50%的能力，但是進一步提升到100%則需要新的燃燒室設計技術和控制系統(tǒng)的變化。”
截至6月30日，柏林清潔能源中心對西門子SGT-600和SGT-800的DLE燃燒室全溫全壓試驗取得了可喜的進展，例如SGT-600的DLE燃燒室已經(jīng)滿負荷燃燒100%氫燃料，且在整機上進行了進一步了驗證，可以穩(wěn)定燃燒60%的氫燃料，將來計劃在巴西的熱電聯(lián)產(chǎn)電廠進一步驗證。
西門子100%燃氫燃氣輪機路線圖
西門子認為，到2023年，許多使用DLE的工業(yè)燃氣輪機就將具備100%的燃氫能力，首次測試已經(jīng)于上月在法國HYFLEXPOWER項目中啟動，該電廠采用的是一臺現(xiàn)有的西門子SGT-400工業(yè)燃機，使用G30燃燒室技術，其徑向旋流器預混設計可實現(xiàn)燃料靈活性。
但正如路線圖所示，西門子預計要在今年下半年才有望實現(xiàn)100%燃氫重型燃氣輪機的原型應用和首批客戶，西門子目前仍在不斷打磨它的燃氫燃燒室設計技術，最近它已經(jīng)向石化行業(yè)的客戶出售了一臺SGT-5000E燃氣輪機，要求在2020年開始使用不超過27%的氫燃料，并通過對燃燒室的幾何形狀進行更改，提供燃氫時的耐回火性。”
