未来已来,GE宣布已突破50%氢混合燃料燃气轮机技术

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  导读:天然气无疑是现役燃气轮机的主要燃料,但随着碳排放越来越严厉的今天,长期使用天然气开始存在问题。在未来无碳能源生态系统中,氢燃料将是一种非常好的替代燃料。今天,GE发电燃气轮机燃烧与燃料解决方案总监杰弗里-戈德米尔(Jeffrey Goldmeer)博士来告诉我们“关于GE燃气轮机技术如何运行氢燃料”的细节。

  

  自20世纪40年代,当美国通用电气(GE)启动其燃气轮机业务以来,该公司开创并商业化了一系列的大型和小型燃气轮机技术。随着全球“脱碳”运动的加快,氢燃料的呼声开始越来越高,而GE公司的燃气轮机在燃氢方面也进行了大量的研究。

  记者:你是如何参与到氢燃料项目中来的?

  戈德米尔:12年来,我一直担任燃气轮机业务中燃料灵活性方面的主管。我从GE全球研究中心来到GE发电事业部之前,在那里我工作了6年,其中最后3年在GE全球研发中心管理了一个燃烧团队。我的背景就是燃烧和燃料,我的博士专业就是燃烧。因此,在我的整个职业生涯中,我一直在以某种方式和燃烧及燃料打交道。

  作为我工作的一部分,我也会关注行业趋势,参加不同的行业研讨会、活动、与客户互动。所以我试着了解客户的要求,以及全球能源趋势是什么。大约2年前左右,我开始明白......我们的客户开始更多地谈论氢燃料了。去年更是变得非常明显,已成为能源行业的一个热点,我在欧洲参加一个名为’Electrify Europe’的会议时,在那里谈到了氢燃料,结果很多客户对我们写的白皮书很感兴趣。自此以后,我们就在不断更新这个白皮书。这确实是一个爆发时刻,之后氢燃料开始被越来越多的应用,我几乎在每天都能看到或听到氢燃料应用各种各样的故事。

  记者:在你看来,为什么最近大家才如此强烈关注氢燃料?它在未来能源系统中的潜力是什么?

  戈德米尔: 这是一个非常好的问题,我一直在思考它。我认为部分原因与我们行业的本质有关。我们是一个长周期的行业,事情发生需要很长时间。而我们的客户通常会考虑他们现有资产将会发生什么变化,因为能源行业的资产通常会被持有多年,甚至更长,因此这些资产的使用寿命有时是以几十年来衡量的。于是,很多客户试图理解“如果世界转向脱碳”,而氢燃烧又是其中一个可选项,这对这些资产意味着什么呢?在未来的无碳能源生态系统中是变得无用还是更具价值。因此,他们首先会对我们这些燃气轮机制造商提问,“嘿!GE,我在一年前或10年前从你那里购买的燃气轮机,或者2年内我可能会从你那里购买燃气轮机。如果世界发展到要求严格脱碳,那我们能做些什么来适应呢?”

  记者:制氢并不是一个新概念,在这方面有什么变化吗,是否有足够的氢燃料来供应未来的氢气发电机组?

  戈德米尔: 是的,氢燃料和制氢的概念并不新鲜。朱尔斯-凡尔纳(Jules Verne)非常具有预言性。一百多年前,在他的一本书(注:小说神秘岛)中,谈到了氢气如何成为......替代煤炭的下一代能源。我想我们可以从两个方面看待这种情况:工业用途和城市基础设施。在工业界,几十年来,我们周围都在以某种方式使用氢气作为能源的,比如当你有一个钢铁厂、或者炼油厂,基本上你就可以得到含有一定量氢气的工艺气体,然后就可以放入燃气轮机中燃烧来发电。几十年来,有许多燃气轮机机组已经这样做了。

  我认为我们今天看到的这个问题则非常不同,我们并不关注能否产生氢气,而是把氢气视为基本的化学能储存。我们为什么要制氢?也许因为可再生能源过剩,我们用它来储能。也许是因为我们想要取代含碳燃料。不管是什么原因,我们现在谈论的是产生城市基础设施规模的氢气水平。这就是我认为世界正在试图了解这里发生了什么的地方,我们再一次从客户的角度看待这一点,他们问我们,'GE,如果世界开始改变,比如高碳税,碳排放量将受到更严格的监管,燃气轮机行业将会发生什么?' 我的重点一直是帮助客户回答这个基本问题。如果这种转向发生在以氢为基础或朝着脱碳燃料需求方向发展的经济,我们是否可以在这种转变中支持我们的客户,无论是新客户还是现有客户?我认为这绝对值得思考。

  此外,当你与世界各地的人们交谈时,当你了解欧洲、澳大利亚、新西兰的变化时,你会发现他们都非常注重创造氢经济并创造大量氢燃料。在许多情况下,这个概念是由可再生能源驱动的所谓的“绿色氢”,即通过过剩电电解制氢。我认为你今天可以看到的研究,无论是来自国际能源署的“世界能源展望”的数据或者其他人告诉你的数字,今天氢气的成本仍明显高于天然气。但我认为我们需要考虑的是未来。10年,20年,30年,40年后会发生什么?在降低成本方面,技术在成熟方面会发生什么变化?我们不知道未来将会带来什么,但我们希望确保我们准备好支持我们的客户,并且这也是我们现在正在经历的那个过程的一部分。没有人真正知道未来会是什么样子,有很多途径可以实现潜在的脱碳化未来,从根本上说,我们希望在我们共同努力的过程中为客户提供支持,与他们合作。

  记者:在所有这些不确定性中,GE在氢能源领域做了什么?

  戈德米尔: 我们通过具体的工业案例积累了很多经验。我们有几型重型燃气轮机,包括6B系列、7E、6F系列、7F系列,都尝试使用了含氢燃料,无论是煤化气联合循环IGCC电厂还是炼油厂。我们实际上有一台在亚洲运行的6B机组,其使用的燃料中含有70~95%之间的氢气。我们还安装了70~75台燃气轮机,燃烧含有氢的低热值燃料,这些燃气轮机的运行时间超过了400~450万小时。如果从热值的角度来看,我们还有不少燃气轮机使用的燃料与这些氢气和天然气混合的燃料相似。如果把这些燃气轮机也算进去的话,我们的经验积累实际上已经超过600万工作小时。因此,我们在氢燃料的使用上,实际经验已经高达几十年。

  我们IGCC项目中工作的第一台燃气轮机,如果我没记错的话,那就是上世纪80年代末。所以,我们已经这样做了30年。我们从工业界获取的氢燃料经验教训也被应用在了大型城市基础建设中。因此,我们了解使用含氢燃料意味着什么,以及你如何调整一台含氢燃料的天然气电厂?很多这些课程都是从实践中获取的。

  我们必须对电厂进行整体考虑,保护系统,辅机设备等所有的这些,而不仅仅是燃气轮机本身。我们必须考虑整个燃气轮机联合循环,任何燃料可能接触的东西,任何可能受到影响的辅助系统,也包括燃烧技术。因此,我们几十年来一直致力于燃烧技术的开发,以实现整体燃料的灵活性。而不仅仅是氢气,我们专注于燃料灵活性的整个领域,无论是重油还是中东原油,无论是石脑油还是凝析油,整个范围。

  但就具体氢燃料而言,我们可以将时间倒退大约15年,16年左右。回到那个时期,美国能源部正在考虑将煤炭作为美国的主要燃料供应,因为当时天然气价格正节节高升,并供应紧张(注:那时候美国页岩气开采技术还没有突破)。因此当时,美国推出了所谓的高氢燃气轮机计划。GE公司申请并获得了该计划的资金,用于燃气轮机技术开发,特别是燃烧技术,以提高燃气轮机在使用高氢燃料时的效率。

  这背后的思考是,如果IGCC将取代天然气工厂成为未来的主要电力供应,那么碳捕获可能是我们需要处理的事情。但是如果将碳捕获系统加到燃烧后则会显著降低电厂的效率。因此GE试图了解如何提高电厂的效率,这个也促进了GE公司随后燃气轮机的演变方式。现在回想起来,15年前我们竟然会认为煤炭将成为主要的化石燃料,真的是非常有趣。

  因此,GE团队开始研究含氢燃料的特性及对应的燃烧室结构。我们在研发中心完成了相关燃烧室的研发,并把它带到了位于南卡罗来纳州格林维尔的工厂,并最终测试了一个完整的燃烧室。实际上,我就是当时进行单喷嘴测试时的经理。氢燃烧技术有很多优点,它在预混合方面做得更好。

  对于低污染燃烧室来说,如果你没有将燃料和空气充分混合,你将获得更多的氮氧化物(NOx)。一个小小的局部热点就能导致NOx排放急剧上升。但当时设计的燃烧室技术在这方面做得更好,因为它在燃料和空气搅拌方面做得更好。正因为如此,工程团队意识到它具有许多优势,不仅适用于高氢燃料应用,而且适用于天然气运行,因为我们的燃烧温度正变得越来越高。最终,我们的DLN 2.6e燃烧系统,也被应用到了最新的9HA.02重型燃气轮机上。

  因此,随着时间的推进,虽然我们开始只是研究一种专注于高氢燃料的燃烧技术,但这种技术同样可以为天然气等其他燃料提供真正的实际效益,然后我们也将这项技术应用到我们最新的HA重型燃气轮机上。

  但现在我们可以走向另一个方向。正如客户对我们说的那样,'嘿,我们对城市大型集成设施规模的发电感兴趣,我们正在考虑HA级重型燃机,但我们担心在未来我们必须使用氢燃料。“ ,而我们的燃烧系统完成支持这一改变,因为燃烧氢燃料就是它的起源,因此它带有这种能力。在实验室中,我们已经证明我们设计的燃烧系统可以运行高达50%氢燃料混合物。

  记者:相比与天然气燃料,GE认为燃烧氢燃料最具挑战性的技术方面是什么。如果开发一种可以燃烧100%或高含量氢燃料的高效燃气轮机,它面临的技术挑战是什么?

  戈德米尔: 让我们来从根本上了解下氢气和天然气之间的差异。物理上,氢是一种较小的分子,所以我们不得不担心氢气泄漏,而之前只要配件和密封保持到一定水平,我们就不会担心天然气泄漏。而且氢气比天然气或甲烷更易燃。甲烷的可燃性下限约为7%,最高可达20%。而氢气在较低的可燃性下限则约为4%最高可达75%。因此,氢气更易燃。如果你有氢泄漏,它会变得更危险。用肉眼观察到氢火比传统的天然气火焰更难。所以,当我们开始考虑氢气对燃气轮机的影响时,在我们讨论燃烧挑战之前,我们需要先考虑这个基本的安全问题。因此,比如通风系统、有害气体检测系统等等,很多在天然气燃机上并不重要的辅机系统,却成为了我们与客户进行对话的关键部分。

  另一个区别就是,氢气是典型的低热值燃料,其热值为274.7 Btu/scf,而无论是液化天然气还是页岩气,其热值都在900~1000 Btu/scf之间。因此,同等体积下,氢燃料只含有大约三分之一的热值,这意味着为了让燃气轮机达到同样的功率,需要注入流量更大的氢气,这会影响你的辅助系统的配置等等。

  因此,您不能使用标准燃油喷嘴,因为您无法通过它实现3倍流量的提升,所以你必须修改燃料喷嘴才能流动那么多。从燃烧的角度来看,氢气还具有令人难以置信的化学反应性。而燃料化学反应性的一个度量就是火焰速度。你想知道火焰想要传播到未燃烧燃料的速度有多快。从燃烧设计的角度来看,这一直是您想知道的,这样您就可以保持火焰稳定和闪回问题的裕度。根据之前的研究,氢气的火焰速度比甲烷快一个数量级。因此,氢火焰将更快地向上游传播到未燃烧的燃料中。所以你必须有一个明确配置的燃烧系统来处理这个问题。这就是为什么在燃烧系统中燃烧60%,70%,80%,100%氢燃烧混合物是一个真正的挑战。你如何保证让火焰去某个地方,特别是不想要火焰?

  但话虽如此,当你能够掌握所有这些挑战所需的知识时,氢气就变成了一种清洁燃烧的燃料。它不含任何碳,因此这是正面的。反面教训是氢燃烧比燃烧甲烷或其他碳氢化合物生产的温度更高,因此在你获得低CO2的同时,NOx排放可能更高。因此,您必须考虑的另一件事,那就是无论是现役还是未来燃气轮机,当你在燃料中混入氢气时,你的计算它对排放有什么影响。

  所以想象一下,你必须满足最低NOx排放要求,因此你可能需要一个更大的选择性催化还原(SCR)床。今天毕竟简单的处理办法就是将余热锅炉中的空间放大一点,这样就可以更容易地根据需要添加催化剂,相比之下30年后你必须弄明白怎么去投入额外的催化剂。想想如何使用现有的余热锅炉结构来处理这个问题。所以今天你可以做一些简单的事情,因为氢燃料使用本身就是可行的,只是我们必须考虑所有相互关联的系统和排放方面。

  记者:我们都多久就能看到GE公司燃烧高含量氢燃料混合物的H级重型燃气轮机

  戈德米尔: 正如我之前所说,对于DLN 2.6e燃烧系统,我们还将继续在实验室中使用该系统并评估其氢能力。我们公开谈论的数字是它有能力达到使用50%氢燃料混合物。目前全球并没有氢燃料发电厂(注:全球首个氢燃料发电厂由日本三菱日立电力系统有限公司在2018年动工,要到2020年才能建成,但仅能使用30%氢燃料混合物),因此对于我们今天所处的位置,50%这个数字在欧洲或其他地方都非常的赞。现在很多地方讨论的并非直接从0%到100%氢燃料混合物,而是逐步改变。刚开始可能只是5%、10%或20%氢燃料混合物,直到最后达到100%氢燃料混合物。

  而GE公司能够让你在今天一开始就拥有一台50%氢燃料混合物的燃气轮机,从而获得一些真正的利润,而不是噱头。另一件需要考虑的事情就是制造大量氢气所需的投资。如果一个国家决定要沿着这条道路前进,那么就会花费时间来建设相关基础设施、更新管道,燃气传输系统等。

  我认为,当我们考虑未来的能源系统时,我们应该确保让人们思考一件事:那就是无碳能源的可能性。而燃气轮机可以与之相辅相成,它既不是一个燃气轮机或可再生能源解决方案。燃气轮机可以作为一个基础设施。我认为有时人们会忽视这一点,由于燃气轮机固有的燃料灵活性,它绝对可以成为未来能源系统的一部分。

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