在全球開(kāi)展“碳達(dá)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(kāi)始進(jìn)入市場(chǎng)。對(duì)于傳統(tǒng)天然氣發(fā)電企業(yè)而言，面對(duì)大型燃機(jī)市場(chǎng)的不斷萎縮，如何既能提升能源利用效率，又能達(dá)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(yùn)行了一臺(tái)100%可再生氫的工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)，這是全球首次。這一里程碑式的成果是在法國(guó)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(lái)了光明的前景，也為能源密集型行業(yè)脫碳帶來(lái)了雄心勃勃的目標(biāo)。

這個(gè)雄心勃勃的項(xiàng)目圍繞著100%可再生氫的生產(chǎn)、儲(chǔ)存和再電氣化。這個(gè)過(guò)程從一個(gè)1MW的現(xiàn)場(chǎng)電解槽開(kāi)始，在那里，水通過(guò)電力分解成氫和氧，電力主要來(lái)自風(fēng)能和太陽(yáng)能等可再生能源。這些氫氣隨后被儲(chǔ)存在一個(gè)巨大的一噸重的儲(chǔ)罐中，準(zhǔn)備為西門子能源公司的SGT-400工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)提供動(dòng)力。

燃?xì)廨啓C(jī)摻氫燃燒發(fā)電是利用燃?xì)廨啓C(jī)將氫氣與空氣混合燃燒產(chǎn)生熱能，并通過(guò)渦輪驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電的一種發(fā)電技術(shù)。近年來(lái)，隨著全球氣候劇烈變化，國(guó)際社會(huì)對(duì)環(huán)境改善這一重大問(wèn)題的關(guān)注度越來(lái)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(xiàn)。摻氫燃?xì)廨啓C(jī)是氫能眾多的應(yīng)用場(chǎng)景之一，純氫燃燒受制于技術(shù)和成本問(wèn)題發(fā)展較為緩慢，于是天然氣摻氫燃燒應(yīng)運(yùn)而生。

20世紀(jì)80年代左右，實(shí)驗(yàn)性燃?xì)廨啓C(jī)摻氫燃燒發(fā)電正式開(kāi)始實(shí)驗(yàn)階段。早期的燃?xì)廨啓C(jī)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(wèn)題。進(jìn)入21世紀(jì)初，一些廠商開(kāi)始開(kāi)發(fā)和建造燃?xì)廨啓C(jī)摻氫燃燒發(fā)電的原型機(jī)。這些原型機(jī)的目標(biāo)是驗(yàn)證氫氣燃燒的可行性，并評(píng)估在發(fā)電過(guò)程中的性能和效益。隨著技術(shù)的進(jìn)一步成熟和環(huán)境意識(shí)的提高，燃?xì)廨啓C(jī)摻氫燃燒發(fā)電逐漸開(kāi)始商業(yè)化應(yīng)用。一些能源公司和發(fā)電廠開(kāi)始投資和建設(shè)使用氫氣燃燒的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)。為了提高燃?xì)廨啓C(jī)摻氫燃燒發(fā)電系統(tǒng)的效率和性能，燃?xì)廨啓C(jī)不斷進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)和創(chuàng)新。例如，改進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室設(shè)計(jì)，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?xì)廨啓C(jī)摻氫燃燒發(fā)電技術(shù)的成熟，相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范也逐漸制定和完善。這有助于推動(dòng)技術(shù)的規(guī)?；瘧?yīng)用，并為行業(yè)提供可持續(xù)能源過(guò)渡的支持。

總體而言，燃?xì)廨啓C(jī)摻氫燃燒發(fā)電技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了從實(shí)驗(yàn)階段到商業(yè)化應(yīng)用的過(guò)程。隨著對(duì)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(jìn)步，預(yù)計(jì)燃?xì)廨啓C(jī)摻氫燃燒發(fā)電將在未來(lái)繼續(xù)發(fā)展并發(fā)揮重要作用。

近年來(lái)，日本三菱日立、美國(guó)通用電氣、德國(guó)西門子能源和意大利安薩爾多能源公司等國(guó)際主要燃機(jī)廠商，均針對(duì)氫燃料燃機(jī)推出了相應(yīng)的發(fā)展計(jì)劃，開(kāi)啟了摻氫燃料甚至是純氫燃料燃機(jī)的研究、開(kāi)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(dòng)力系統(tǒng)公司2018年開(kāi)展了大型氫燃料燃機(jī)測(cè)試，氫氣含量30%的氫燃料測(cè)試結(jié)果表明，新開(kāi)發(fā)的專有燃燒器可以實(shí)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?xì)廨啓C(jī)摻入氫氣，意味著燃機(jī)設(shè)備對(duì)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(shí)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(huì)發(fā)生變化，造成火焰向上移動(dòng)、燃燒時(shí)間過(guò)盈等問(wèn)題，增加氮氧化物排放，并可能使燃燒室超溫過(guò)熱。因此，需要對(duì)燃燒室的使用穩(wěn)定性及廢氣排放進(jìn)行測(cè)試，重新設(shè)計(jì)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(kuò)散系數(shù)、更低的點(diǎn)火能量以及更寬的爆炸極限，因此一些天然氣燃機(jī)的常規(guī)輔助系統(tǒng)，如通風(fēng)、氣體泄漏檢測(cè)、管道裂紋檢測(cè)系統(tǒng)等，對(duì)于燃?xì)淙紮C(jī)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(xiǎn)。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(cè)系統(tǒng)；其次，氫氣具有比其他氣體更強(qiáng)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(huì)增加安全風(fēng)險(xiǎn)，需要考慮改變操作程序以及防爆危險(xiǎn)區(qū)域劃分等問(wèn)題。

12月23日，國(guó)家電投荊門綠動(dòng)電廠在運(yùn)燃機(jī)，成功實(shí)現(xiàn)15%摻氫燃燒改造和運(yùn)行，機(jī)組具備了純天然氣和天然氣摻氫兩種運(yùn)行模式的兼容能力。這是我國(guó)首次在重型燃機(jī)商業(yè)機(jī)組上實(shí)施摻氫燃燒改造試驗(yàn)和科研攻關(guān)，也是全球范圍內(nèi)首個(gè)在天然氣商業(yè)機(jī)組中進(jìn)行摻氫燃燒的聯(lián)合循環(huán)、熱電聯(lián)供示范項(xiàng)目。

2022年11月，西門子能源支持國(guó)家電投所屬北京重型燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)研究有限公司、國(guó)家電投湖北分公司在荊門綠動(dòng)能源有限公司成功實(shí)現(xiàn)一臺(tái)在運(yùn)西門子能源SGT-800燃機(jī)30%摻氫燃燒改造。改造后的機(jī)組將具備0%-30%摻氫運(yùn)行條件下自由切換的靈活性。經(jīng)測(cè)算，一臺(tái)改造后的西門子能源SGT-800燃機(jī)在混燒30%氫氣的情況下，每年可減少超過(guò)1.8萬(wàn)噸二氧化碳排放。

相比于國(guó)際企業(yè)，國(guó)內(nèi)摻氫燃?xì)廨啓C(jī)在摻氫比例上還未實(shí)現(xiàn)100%，對(duì)于國(guó)內(nèi)而言，燃?xì)廨啓C(jī)摻氫燃燒在技術(shù)上有一定壁壘和挑戰(zhàn)。國(guó)家電投實(shí)現(xiàn)30%摻氫燃燒的燃?xì)鈾C(jī)組也是在西門子能源的支持下成功運(yùn)行，由此可見(jiàn)國(guó)內(nèi)企業(yè)在燃?xì)廨啓C(jī)摻氫燃燒這一技術(shù)上還有一段距離。