随着全球气候变化压力的不断增大,世界各国都在加大可再生能源的研究利用,作为促进低碳经济发展的氢能产业也日益受到重视,美国、日本、德国等发达国家相继将氢能发展列入国家能源发展规划,产业链技术的开发、利用水平也日趋成熟。自2011年以来,我国也一直在积极鼓励和引导氢能产业的发展,多个政府机构部门从战略路线、产业结构、科技、财政等方面制定了系列的规划路线和政策措施,特别是在《能源发展“十三五”规划》中,氢能和燃料电池被列为需要集中攻关的关键技术。

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另一方面天然气发电作为电力结构的重要组成部分,《电力发展“十三五”规划》已明确了天然气发电项目建设目标,2020年将实现气电装机容量占比超过5%,总体规模达110GW。如果能将以上两者结合,用清洁的氢燃料替换天然气通过使用升级改造后的燃气轮机发电,那么每年将会减少巨量的碳排放。

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1、氢燃料燃气轮机的发展状况

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上世纪80～90年代开始,多个国家和国际机构制定了氢燃气轮机和氢能相关研究计划。2005年美国能源部(DOE)同时启动为期6年的“先进IGCC/H2燃气轮机”项目和“先进燃氢透平的发展”项目,这2个项目以NOx排放小于3ppm的燃气轮机为目标,主要研究内容包括富氢燃料/氢燃料的燃烧、透平及其冷却、高温材料、系统优化等。2007年欧盟在其第七框架协议(FP7)中启动了“高效低排放燃气轮机和联合循环”重大项目,以氢燃料燃气轮机为主要研究对象。2008年欧盟第七框架又把“发展高效富氢燃料燃气轮机”作为一项重大项目,旨在加强针对富氢燃料燃气轮机的研究。日本将高效富氢燃料IGCC系统的研究作为未来基于氢的清洁能源系统的一部分列入其为期28年的“新日光计划”中(WE-NET),以效率大于60%的低污染煤基IGCC系统为目标展开研究[1]。如今世界上富氢燃料燃气轮机已有较多的应用业绩,主要是以合成气扩散燃烧模式的IGCC电厂系统。

日本三菱日立自1970年开始研发含氢燃料的燃气轮机,早期扩散燃烧器已被证实能在含氢0～100%的燃料中安全稳定运行,截止至2018年含氢燃料的燃气轮机业绩已达29台,运行小时数超过3.57百万小时,以M系列和H系列机型为主。2018年三菱日立在700MW输出功率的J系列重型燃气轮机上使用含氢30%的混合燃料测试成功,测试结果证实该公司最新研发的新型预混燃烧器可实现30%氢气和天然气混合气体的稳定燃烧,二氧化碳排放可降低10%,NOx排放在可接受范围内。