西门子率先实现燃气轮机100%掺氢燃烧，工业用氢再进一步

在全球开展“碳达峰、碳中和”的大背景下，传统化石能源的利用率逐步降低，能源利用的多样化和低碳化开始进入市场。对于传统天然气发电企业而言，面对大型燃机市场的不断萎缩，如何既能提升能源利用效率，又能达到降碳减排的任务，成为现阶段传统能源企业的重中之重。

日前，西门子能源公司(Siemens Energy)成功运行了一台100%可再生氢的工业燃气轮机，这是全球首次。这一里程碑式的成果是在法国维埃纳河畔萨亚尔的Smurfit Kappa工厂完成的，它为碳中和发电带来了光明的前景，也为能源密集型行业脱碳带来了雄心勃勃的目标。

这个雄心勃勃的项目围绕着100%可再生氢的生产、储存和再电气化。这个过程从一个1MW的现场电解槽开始，在那里，水通过电力分解成氢和氧，电力主要来自风能和太阳能等可再生能源。这些氢气随后被储存在一个巨大的一吨重的储罐中，准备为西门子能源公司的SGT-400工业燃气轮机提供动力。

燃气轮机掺氢燃烧发电是利用燃气轮机将氢气与空气混合燃烧产生热能，并通过涡轮驱动发电机发电的一种发电技术。近年来，随着全球气候剧烈变化，国际社会对环境改善这一重大问题的关注度越来越高。氢气作为最清洁的二次能源，将在能源的可持续发展上做出重大贡献。掺氢燃气轮机是氢能众多的应用场景之一，纯氢燃烧受制于技术和成本问题发展较为缓慢，于是天然气掺氢燃烧应运而生。

20世纪80年代左右，实验性燃气轮机掺氢燃烧发电正式开始实验阶段。早期的燃气轮机掺氢燃烧更多集中在氢气的燃烧特性、混合比例、燃烧稳定性等问题。进入21世纪初，一些厂商开始开发和建造燃气轮机掺氢燃烧发电的原型机。这些原型机的目标是验证氢气燃烧的可行性，并评估在发电过程中的性能和效益。随着技术的进一步成熟和环境意识的提高，燃气轮机掺氢燃烧发电逐渐开始商业化应用。一些能源公司和发电厂开始投资和建设使用氢气燃烧的燃气轮机发电系统。为了提高燃气轮机掺氢燃烧发电系统的效率和性能，燃气轮机不断进行技术改进和创新。例如，改进燃气轮机燃烧室设计，优化混合比例和燃烧控制系统，以提高氢气燃烧的稳定性和热效率。随着燃气轮机掺氢燃烧发电技术的成熟，相关的标准和规范也逐渐制定和完善。这有助于推动技术的规模化应用，并为行业提供可持续能源过渡的支持。

总体而言，燃气轮机掺氢燃烧发电技术的发展经历了从实验阶段到商业化应用的过程。随着对可持续能源的需求增加以及氢气生产和利用技术的进步，预计燃气轮机掺氢燃烧发电将在未来继续发展并发挥重要作用。

近年来，日本三菱日立、美国通用电气、德国西门子能源和意大利安萨尔多能源公司等国际主要燃机厂商，均针对氢燃料燃机推出了相应的发展计划，开启了掺氢燃料甚至是纯氢燃料燃机的研究、开发及示范应用工作，为电力行业深度脱碳奠定了技术基础。三菱日立动力系统公司2018年开展了大型氢燃料燃机测试，氢气含量30%的氢燃料测试结果表明，新开发的专有燃烧器可以实现混氢燃料的稳定燃烧，与纯天然气发电相比可减少10%的二氧化碳排放，联合循环发电效率高于63%。

传统的天然气燃气轮机掺入氢气，意味着燃机设备对氢的适应性与掺氢后的安全性均面临挑战。

据悉，氢燃料的火焰温度比天然气高出近300摄氏度，着火延迟时间比天然气低三倍以上。当燃料中的掺氢比例较高，燃料反应性会发生变化，造成火焰向上移动、燃烧时间过盈等问题，增加氮氧化物排放，并可能使燃烧室超温过热。因此，需要对燃烧室的使用稳定性及废气排放进行测试，重新设计或优化传统燃烧室或燃烧系统。

与甲烷相比，氢气具有更高的扩散系数、更低的点火能量以及更宽的爆炸极限，因此一些天然气燃机的常规辅助系统，如通风、气体泄漏检测、管道裂纹检测系统等，对于燃氢燃机的安全使用具有更为重要的意义，需要引起重视。

使用氢燃料还面临着与整体安全相关的操作风险。氢火焰的亮度很低，肉眼难以发现，需要专门的氢火焰检测系统；其次，氢气具有比其他气体更强的渗透性，可能不适用于原天然气输送采用的传统密封系统；另外，氢气比甲烷更易燃易爆，相比甲烷而言，氢气的爆炸极限范围宽的多。因此，氢气泄漏会增加安全风险，需要考虑改变操作程序以及防爆危险区域划分等问题。

12月23日，国家电投荆门绿动电厂在运燃机，成功实现15%掺氢燃烧改造和运行，机组具备了纯天然气和天然气掺氢两种运行模式的兼容能力。这是我国首次在重型燃机商业机组上实施掺氢燃烧改造试验和科研攻关，也是全球范围内首个在天然气商业机组中进行掺氢燃烧的联合循环、热电联供示范项目。

2022年11月，西门子能源支持国家电投所属北京重型燃气轮机技术研究有限公司、国家电投湖北分公司在荆门绿动能源有限公司成功实现一台在运西门子能源SGT-800燃机30%掺氢燃烧改造。改造后的机组将具备0%-30%掺氢运行条件下自由切换的灵活性。经测算，一台改造后的西门子能源SGT-800燃机在混烧30%氢气的情况下，每年可减少超过1.8万吨二氧化碳排放。

相比于国际企业，国内掺氢燃气轮机在掺氢比例上还未实现100%，对于国内而言，燃气轮机掺氢燃烧在技术上有一定壁垒和挑战。国家电投实现30%掺氢燃烧的燃气机组也是在西门子能源的支持下成功运行，由此可见国内企业在燃气轮机掺氢燃烧这一技术上还有一段距离。