界面新聞實(shí)習(xí)記者 | 薛昱婷
管束車將制備好的氫運(yùn)往摻氫站的卸氣柱，再在調(diào)壓撬中進(jìn)行減壓降溫。減壓兩次后，壓強(qiáng)從20兆帕降至約6兆帕，工作人員在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行精確調(diào)整，以匹配管道氣的壓力。調(diào)試完成后，開始將氫摻入天然氣。
這是國家電投荊門綠動(dòng)能源有限公司（下稱荊門綠動(dòng)）高比例摻氫燃燒改造試驗(yàn)的作業(yè)流程。2022年9月29日，荊門燃機(jī)項(xiàng)目取得重大突破，在運(yùn)燃機(jī)實(shí)現(xiàn)了30%的摻氫燃燒改造和運(yùn)行。
這是中國首次在重型燃機(jī)商業(yè)機(jī)組上實(shí)施高比例摻氫燃燒改造試驗(yàn)和科研攻關(guān)，也是全球范圍內(nèi)首個(gè)在天然氣聯(lián)合循環(huán)、熱電聯(lián)供商業(yè)機(jī)組中進(jìn)行高比例摻氫燃燒的示范項(xiàng)目。
7月12日，界面新聞實(shí)地探訪了這一項(xiàng)目。該項(xiàng)目對單臺(tái)54兆瓦燃機(jī)進(jìn)行了摻氫改造。在摻氫30%的情況下，該機(jī)組每年即可減少二氧化碳排放量超1.8萬噸。
該項(xiàng)目業(yè)主荊門綠動(dòng)成立于2017年，其控股股東為國家電投集團(tuán)湖北電力有限公司，后者主要負(fù)責(zé)國家電力投資集團(tuán)有限公司（下稱國家電投）在湖北省的發(fā)展和協(xié)調(diào)工作。
2021年7月23日，荊門市政府、中國重燃、國家電投湖北公司、盈德氣體簽署四方合作協(xié)議，荊門項(xiàng)目項(xiàng)目正式啟動(dòng)。項(xiàng)目由國家電投集團(tuán)北京重燃能源科技發(fā)展有限公司牽頭，西門子能源、盈德氣體(02168.HK)進(jìn)行協(xié)作，并統(tǒng)籌了上海成套院、上海舜華等多個(gè)單位，完成了從燃機(jī)本體改造、電廠內(nèi)混氫站建設(shè)到廠外供氫全流程的方案設(shè)計(jì)和組織實(shí)施。
該項(xiàng)目摻氫燃燒試驗(yàn)分為兩個(gè)階段實(shí)施。在荊門市掇刀區(qū)發(fā)改局的具體協(xié)調(diào)下，該項(xiàng)目設(shè)計(jì)建設(shè)了卸氫裝置、減壓裝置、混氫裝置和相關(guān)配套設(shè)施，對2號(hào)燃機(jī)開展燃燒器、控制系統(tǒng)相關(guān)改造。
2021年12月23日，該項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了第一階段15%摻氫燃燒改造和運(yùn)行，使機(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。這標(biāo)志國內(nèi)掌握一套完整的燃?xì)廨啓C(jī)電站摻氫改造工程設(shè)計(jì)方案。
2022年9月29日，在成功第一階段的基礎(chǔ)上，該項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了第二階段30%摻氫燃燒試驗(yàn)運(yùn)行。
天然氣摻氫是指向已有的天然氣管網(wǎng)中摻入一定比例的氫氣，以實(shí)現(xiàn)氫能的利用。氫是宇宙中分布最廣泛的物質(zhì)，具有能量密度高、碳排放量低等特點(diǎn)，被稱為“21世紀(jì)的終極能源”。
氫可以作為燃料在燃?xì)廨啓C(jī)等能源設(shè)備中燃燒。其中，氫與天然氣的混合燃燒是一條極具前景的途徑。
中國城市燃?xì)鈪f(xié)會(huì)發(fā)布的《天然氣管道摻氫輸送及終端利用可研性報(bào)告》（下稱《報(bào)告》）指出，天然氣摻氫技術(shù)既能解決大規(guī)模可再生能源消納的問題，又能高效低成本地輸送氫氣，是降低天然氣利用過程碳排放強(qiáng)度以及保障燃?xì)夤?yīng)安全的有效途徑。
與天然氣相比，氫的可燃范圍更廣，最小點(diǎn)火能更低，能拓展傳統(tǒng)碳燃料的可燃范圍，但氫的自燃和爆炸風(fēng)險(xiǎn)更大，燃機(jī)也更易發(fā)生回火、脈動(dòng)等不穩(wěn)定問題。
回火是指本應(yīng)當(dāng)穩(wěn)固在火箭筒內(nèi)部的火焰向上游傳播到預(yù)混段內(nèi)，影響是顯著增加污染物排放，甚至可能損壞噴嘴和整個(gè)燃燒系統(tǒng)。
國家電投湖北鄂中區(qū)域公司副總經(jīng)理（主持工作）于紅偉對界面新聞表示，為解決該問題，聯(lián)合項(xiàng)目部優(yōu)化了預(yù)混燃燒器結(jié)構(gòu)構(gòu)型的設(shè)計(jì)，完善自動(dòng)檢測裝置，進(jìn)行控制系統(tǒng)改造，加裝相關(guān)測點(diǎn)，建設(shè)輔助設(shè)施設(shè)備，提升閥門的性能，以降低設(shè)備的回火風(fēng)險(xiǎn)。
除穩(wěn)定燃燒外，環(huán)保排放也是摻氫燃燒的關(guān)鍵問題。
盡管氫本身不具備碳元素，燃燒不會(huì)產(chǎn)生一氧化碳，但在高溫燃燒條件下，空氣中的氮?dú)夂脱鯕鈺?huì)進(jìn)行反應(yīng)，導(dǎo)致較高的氮氧化物排放。荊門綠動(dòng)經(jīng)過多輪試驗(yàn)和調(diào)試，終于將氮氧化物排放量從超100毫克/立方米控制在50毫克/立方米以內(nèi)。
國家電投湖北鄂中區(qū)域公司副總經(jīng)理白紅濤對界面新聞表示，燃燒器燃料氣有三路，分別是中心氣、值班氣和主燃料，通過在不同負(fù)荷狀態(tài)下改變?nèi)啡剂狭髁康谋壤?，可以完成對但氮氧化物排放的控制。一般在欠氧條件下燃燒，產(chǎn)生的氮氧化物相對更少。
重要的是，經(jīng)升級改造的燃料氣兼顧了控制氮氧化物排放和降低燃燒不穩(wěn)定性的雙重作用。氮氧化物的排放水平與燃機(jī)的脈動(dòng)有時(shí)呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，氮氧化物排放低時(shí)，脈動(dòng)頻率突然增大，氮氧化物排放高時(shí)，脈動(dòng)頻率相對較低。因此，只有經(jīng)過多輪調(diào)試才能找到兩者之中的最佳點(diǎn)。
為了保證整體系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，荊門綠動(dòng)對燃機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)、天然氣調(diào)壓站、卸混氫系統(tǒng)、余熱鍋爐等相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行了聯(lián)合調(diào)試，對相關(guān)技術(shù)重點(diǎn)升級，也提升了燃機(jī)本體的燃料適應(yīng)性。
當(dāng)前，業(yè)內(nèi)對天然氣摻氫的探索興趣和力度不斷增加。
上述《報(bào)告》顯示，“十四五”時(shí)期，新增天然氣管道摻氫示范項(xiàng)目15-25個(gè)，摻氫比例達(dá)到3%-20%。
成本經(jīng)濟(jì)性仍然是制約氫氣作為燃料推廣的最重要條件。白紅濤表示，一立方米天然氣產(chǎn)生的熱值約等于三立方米氫氣，氫氣的成本降至天然氣的三分之一時(shí)，才能在經(jīng)濟(jì)性方面具備競爭力。
《報(bào)告》指出，綠氫價(jià)格下降是未來摻氫天然氣規(guī)?；l(fā)展的必然要求。樂觀情境下，2026年左右開始進(jìn)入商業(yè)化導(dǎo)入階段，2042年進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用階段。