《安萨尔多将进行100%氢燃料燃气轮机燃烧室全尺寸全压试验》

  • 来源专题:中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
  • 编译者: guokm
  • 发布时间:2019-11-15
  • 意大利燃气轮机制造商安萨尔多公司宣布,将和Equinor公司(前身为挪威国家石油公司)共同出资进行100%的氢燃料燃气轮机燃烧室试验,以证明安萨尔多的H级重型燃气轮机GT36的燃烧室完全可以用氢气进行燃烧,双方已经签署协议。

    安萨尔多公司表示:“这次合作的目的就是通过全尺寸,全压力燃烧室验证测试来推进氢燃烧技术的应用落地。在这方面,主要目标是优化超低排放量(NOx),提升操作灵活性以及使得在非常高的氢燃料含量下燃气轮机的负荷降低最小。”

    “这项合作的目的是通过全尺寸,全压力燃烧器验证测试来推进氢燃烧技术。在这方面,主要目标是优化超低NOx排放量,操作灵活性以及在非常高的氢含量下使发动机降额最小化。”

    像其在重型燃气轮机市场上的所有主要竞争对手一样,包括GE发电、西门子、三菱日立动力系统公司,安萨尔多也在加大努力以使得其H级系列重型燃机具有“面向未来”的操作灵活性,从而应对竞争中不断变化的市场:低廉的价格,补贴和法规要求导致了可再生能源的激增。

    就像11月初刚刚推出新的H级重型燃气轮机型号的GE发电公司一样,安萨尔多也押注重型燃气轮机未来的市场仍然一片光明,因为从长远来看,可再生能源的间歇性仍将是一个挑战。这就是为什么现有的天然气发电厂仍将作为电网调峰可靠性的保证者,在能源市场中扮演着重要角色。

    安萨尔多还表示:“在所有可燃气体中,氢是长期可存储性和可靠性的完美组合。因此,能够单独燃烧氢燃料或与其他天然气组合的氢燃料,并保证燃烧过程的安全有效,可能会对燃气轮机市场起到很大推动作用。”

    该公司指出,其开发的先进燃气轮机燃烧系统稀薄预混技术产品系列以燃料灵活性为首要考虑因素。例如,其最新型号GT26 F级和GT36 H级重型燃气轮机,基于其顺序环境燃烧系统平台,该平台可燃烧多种比例的天然气和氢气混合燃料。尽管GT36 H级重型燃机已经可以燃烧0%~50%的含氢燃料(而GT26高达30%),但最近的全面高压测试表明“即使使用含量高达70%的氢气燃料,而不会降低功率或效率,并且有可能将这一燃料含量升至100%。”

    它指出,SEV顺序燃烧系统平台还可以克服其他燃气轮机制造商面临的主要缺陷:“与天然气相比,氢燃烧的主要挑战是反应性提高,会导致传统预混燃烧系统的性能下降。”

    安萨尔多公司进一步解释道:“在传统的预混燃气轮机燃烧室中,燃料反应性的变化意味着火焰位置的变化。特别是,较高的燃料反应性会迫使火焰向上游移动,燃烧时间过盈,从而增加NOx排放,并可能使燃烧室超温过热;而较低的燃料反应性会导致相反的情况,并将火焰推向下游,导致燃烧室时间不足,从而增加一氧化碳和未燃烧的碳氢化合物排放。”

    顺序燃烧系统平台SEV实质上需要两个燃烧阶段:常规阶段和自动点火阶段。它包括两个短燃烧室,可实现快速混合,因此火焰后停留时间足够短,并将有害的NOx排放保持在限值以下。在GT26重型燃机中,采用两个环形燃烧器进行顺序燃烧,而在GT36重型燃机中,虽然还是采用顺序燃烧技术,但是不再使用环形燃烧器,而是采用了管型燃烧室,学名为CPSC恒压连续燃烧器。

    对于氢含量较高的反应性较高的燃料,顺序燃烧系统可通过降低第一阶段的火焰温度来帮助火焰避免移动到过于靠近燃烧室出口的位置,这还会导致第二阶段的入口温度从而降低燃烧室的出口温度,稀释空气与第一阶段燃气混合。

    “由于顺序燃烧器的火焰主要是自动点火稳定的,因此与传播稳定的火焰相比,其火焰位置由入口温度而非出口温度驱动。因此,下降的混合器出口温度可以通过较高的燃料反应性补偿,在不损害燃气轮机性能的情况下,保持最佳的火焰位置和原始的理想火焰温度。这也使透平入口温度保持恒定。”

    该公司还开发了“改型燃烧器”(retrofitcombustor),并在商业上提供了它的名称为FlameSheet,该公司声称“他们所研制的燃烧室能比其他OEM的超低排放(DLE)燃烧器所能燃烧的氢燃料能多10倍,并且无需昂贵的稀释剂注入”。

相关报告
  • 《我国燃气轮机“掺氢”技术取得突破》

    • 来源专题:能源情报网信息监测服务平台
    • 编译者:guokm
    • 发布时间:2022-01-22
    • 近日,国家电投荆门绿动电厂在运燃机实现15%掺氢燃烧改造和商业运行,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,该项目成为全球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。 全球多家燃机厂商已开始探索传统燃气轮机掺氢技术,并取得初步发展。业内人士认为,可再生能源的规模化发展以及气电行业的减排需求,将会促进燃气轮机“掺氢”技术发展,作为大规模氢燃料发电的关键设备,掺氢燃气轮机将迎来巨大的发展空间。 ■多国探路燃机“掺氢” 在现役天然气机组中增加氢燃料来源,不仅能够有效节约天然气用量,保证冬季供暖安全稳定,还能显著降碳。根据国家电投的数据,荆门一台54兆瓦的燃机,掺氢30%后,每年可减少二氧化碳排放1.8万吨以上。 事实上,在全球碳减排大势下,天然气的化石能源的属性使得传统天然气发电用大型燃机市场不断萎缩,全球各大燃机厂商找到新的市场立足点。 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%。 与三菱日立动力系统公司相似,西门子能源也致力于提高燃气轮机的燃氢能力。2019年,西门子能源承诺,将在2030年前实现100%燃氢燃气轮机,并且涵盖从小功率到重型燃气轮机的所有产品组合。 ■安全问题受关注 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。 一位天然气掺氢领域业内专家告诉记者,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。 上述业内人士介绍称,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。”上述业内人士指出。 ■经济性待提升 “以氢为连接枢纽,燃气轮机与新能源可发挥良好的互补和协同作用,由它们组成的混合发电系统具有更好的灵活性和稳定性,同时也能为纯氢燃气轮机发电产业奠定技术基础。”上述专家表示,目前,受制氢成本、能源转换效率等多重因素影响,氢燃气轮机发电面临经济性偏低问题。我国目前电解水制氢的成本较高,约为1.8-3.6元/立方米。不过伴随新能源发电占比的持续提升,预计2025年之后,电解水制氢的成本可降至1.35元/立方米以下。 集中式发电效率较低也制约着氢燃料发电的经济性。有业内人士直言,在我国风电和光伏装机容量还未远超化石能源的情况下,通过可再生能源生产的“绿氢”仍主要供应给交通、工业等领域使用,在集中式氢燃料发电方面将会进展缓慢。虽然将陆续推出混氢或纯氢燃料燃机发电示范项目,但在可再生能源尚未实现更大规模发展情况下,“电-氢-电”这一转化过程降低了能源整体利用效率,如不解决上述问题,将很难得到广泛应用。
  • 《“命门火衰”,重型燃气轮机的叶片之殇》

    • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者:冯瑞华
    • 发布时间:2018-05-10
    • 重型燃气轮机(以下简称重燃),名副其实的大国重器。作为迄今为止热/功转换效率最高的动力机械,广泛应用于机械驱动(如舰船、火车)和大型电站。我国现已具备轻型燃机(功率5万千瓦以下)自主化能力;但重燃(功率5万千瓦以上)仍基本依赖引进。据悉,重燃发电机组目前占全国发电装机总量的3%左右,虽不是一大块,却是不可或缺的一块——启停快捷、热效率更高、污染更少的燃机机组,作为大电网调峰容量的最佳选择,在国家能源安全中扮演着无可替代的全局性角色。没有自主化能力,意味着我国能源安全的重要一环,仍然受制于人,存在被“卡脖子”的风险。 极致技术:对质量和性能近乎变态的追求 把熔化的液态金属浇入模具,等它凝固;在显微镜下看其金相,会呈现形似“干裂农田”状的缝隙,专业术语称之为“晶界”。 “晶界是金属的薄弱环节。”国家科技重大专项“重型燃气轮机”技术负责人表示。为提高金属材料在高温下的强度,就要想办法消除晶界。 这是一个极其复杂、漫长的过程,包括精确的温度控制,以及精密铸造、定向/拉单晶等工艺。其核心部件的毛坯“都是来自国外”;核心设备单晶炉,也须从国外进口。 该技术负责人解释,作为一种旋转叶轮式热力发动机,燃气轮机的叶片是最重要的核心部件之一。它要在1400℃—1600℃的高温下长期稳定地工作,目前没有任何金属可以做到。怎么办? 极限工况催生出极致技术,一种对质量和性能疯狂到近乎变态的追求。除了消除晶界、提高所用材料本身的强度之外,“只有靠冷却”:叶片是中空的,以便通冷却空气;表面有陶瓷涂层、冷却气膜,使它跟高温燃气隔离,等等。 更关键一点,在以上复杂流程的所有环节,任何一项技术参数都不能有丝毫偏差,“这是它跟常规制造流程最大的不同”。他强调,常规制造中还有一个安全系数,即一定的容错裕量;而“极限制造完全是另一概念”:叶片是空心的、又很薄,除了精铸,目前没有其他工艺手段可以做出来,未来3D打印能不能解决还不清楚;铸造过程中,材料的夹渣、裂纹、疏松、气孔以及变形等,都会影响叶片的强度和性能。因为“它本身是不可能的,要靠好多极限手段硬让它变得可能”,所有技术必须做到极致。所以,一就是一,二就是二,偏差根本不能容忍、不被允许。 体系差距:即使有钱也不知从哪下手 美国GE公司高层曾声称,要买重燃成套技术,除非买下整个GE。 “重型燃气轮机”重大专项总设计师顾春伟教授和上述技术负责人都谈到,国际上大的重燃厂家,主要就是美国GE、日本三菱、德国西门子、意大利安萨尔多4家,与国内三大动力合作的也是这4家。但他们都附带苛刻条件:首先,设计技术不转让;其次,核心的热端部件制造技术也不转让,仅以许可证方式许可本土制造非核心部件。 这两条注定了,没有自主设计能力,我们需要什么样的重燃、能要到什么样的重燃,只能听从人家的意志。核心制造技术不转让,国内上了那么多重燃发电机组,设备运维、备件提供完全受制于人,长期安全稳定运行堪忧;本土制造的许可证又都有期限,到期之后能否付钱再延,还须看他人眼色。所谓“卡脖子”,莫此为甚。 跨国公司秘不示人、惜之如命的设计技术,是真正的核心技术。顾春伟表示,重燃三大部件(压气机、燃烧室、燃气透平)的设计都是难上加难,因为它们需要“大量基础研究支撑”和“长期试验验证及经验积累”,没有长期积累,“即使有钱你也不知从哪儿下手”。 仍以叶片为例。即使分毫不差做足各种极致功课,叶片材料仍是有寿命期限的:重燃叶片,寿命在5万小时、3万小时不等,到期必须报废。 怎么证明5万小时安全运行没问题?极限工况下、5万小时连续不断的材料试验必不可少。试想,一年8000多小时,5万小时要做将近6年,“这还只是做一轮配方、一轮工艺所需时间”,所以“一个人一辈子都做不了几个母合金”。它意味着巨量的投资、巨量的耗时和巨量的数据采集,而且每一步都必须亲历亲为,否则就“不知其所以然”。 “尽早建立起我国完整的设计体系、试验验证体系,才是重燃自主化的关键所在”,中国联合重型燃气轮机技术有限公司负责人如是说。 三位一体:工匠的经验仍不可或缺 叶片精铸过程中,“拉单晶”工艺很有画面感。 上述技术负责人介绍,一般的铸造,是把金属液浇入模坑、自然冷却,出来的产品是多晶体,就会有晶界。而透平叶片单晶/定向铸造,“是在底下选一个晶体,让它慢慢往上走;上面保持高温,还是液体;然后这个界面一点点往上冷却,所以凝固时间特别长”。 顾春伟称之为“多物理场耦合”,即制造流程中,每一环节涉及各种细节的工艺控制,这种控制又受到各种物理条件的影响,比如湿度、温度、速度等控制下的成型,“每一步都是工匠、工艺、设备的‘三位一体’”。 三位一体中,设备当然必不可少,“先进单晶炉须从德国进口,国产的目前仍不完善。但光强调设备也不行”。单晶制造过程中,涉及多个环节、多位顶尖高手,每人各管一段;每人都身怀绝技,相互不可替代。包括所有的参数控制、补偿等,既靠数据标准,更有“手上的功夫”,也就是经验积累。因为“多物理场耦合”中,没有一把尺子可以包打天下。这是基于大数据的3D打印仍无法终结工匠的道理,也是我国高端制造流程中目前最紧缺的一环。 (科技日报北京5月8日电)