2030年西门子实现燃氢100%重型燃气轮机

导读：为了解决环保中的碳排放问题，航空工业的主流解决方案是电推技术，而对地面燃气轮机，它的主流解决方案则是将燃料替换为氢气，通过先进的燃烧室设计技术，让未来的燃气轮机可以燃烧100%含量的氢燃料。

为了与欧洲工业协会EUTurbines设定的目标保持一致，西门子天然气和发电公司早在2019年1月就公布了雄心勃勃的燃氢路线图，计划在2020年将燃气轮机的燃氢能力提高到至少20%（燃料中的氢含量），到2030年则提高到100%。

其实几乎所有的主要燃气轮机制造商都在不同程度推出了自己的燃氢发展规划，它们都认为氢能不仅可以使得全球燃气发电机组在低碳能源市场获得更大的竞争力，并前有望在满足各国法规和排放限制下延长现有机组的生命力。

在过去22年中，燃气轮机机组的安装数量增加了2倍，这就如同中国房价在过去10年增长了5倍，高速发展的时期已经过去，燃气发电市场已经进入滞涨阶段，因此燃氢让新型和现有燃气轮机实现从化石能源向低碳能源过渡，对于燃气轮机的未来市场前景具有重要意义。

作为燃气轮机市场的“千年老二”（近几年，GE和三菱轮流占据市场第一位置），这次西门子立下“flag”：10年内实现100%燃氢燃气轮机，并且涵盖几乎所有产品组合——从小功率的航改燃气轮机到庞然大物的重型燃气轮机。

而且西门子对实现这个“小目标”信心满满，其在最近的白皮书《Hydrogen power with Siemens gas turbines》中解释道：“多个燃气轮机型号已经实现了燃高比例氢含量燃料的能力，并且燃烧室设计技术也再不断的推陈出新。”

上图为西门子现有燃气轮机型号的燃氢能力，其中WLE代表湿式低排放燃烧技术，DLE代表干式低排放燃烧技术。

这2种燃烧技术的区别如下：燃料在燃烧过程中，如果燃烧温度过高容易产生NOx，而过低又会导致燃料燃烧不充分，甚至产生污染物如CO。因此需要在燃烧过程中，把火焰温度控制在一个“不高不低”的狭窄区域。天然气燃料中的干式低排放燃烧技术的代表之作就是基于多喷嘴的预混燃烧技术，它通过提前将燃料和空气进行混合（空气多燃料少）后再燃烧，从而实现有效的控制火焰温度。而湿式低排放燃烧技术则无需对燃料和空气进行预先混合，它直接对扩散火焰进行“喷水”或“喷催化剂”来降低火焰温度，也能实现有效的低排放。

不过，在绝热和化学计量条件下，氢燃料的火焰温度比天然气高近300℃，而且层流火焰速度是天然气的三倍以上，但是着火延迟时间却比天然气低三倍以上（着火延迟是指燃料与空气混合物在其温度高于燃料着火温度的情况下并不立即着火燃烧的一种现象），因此控制燃氢火焰温度的难度要高得多。

据西门子介绍，自上世纪60年代以来，西门子在全球各行各业至少有55台以上的西门子燃机已经燃烧过含氢燃料，累计运行时间为250万小时。从前面的图上也可以看出，目前主要的技术成就在使用湿式低排放燃烧技术，而且型号也集中在小功率的航改燃机上。

因此，具体一点来说，西门子的2030燃氢目标其实是指使用干式低排放燃烧技术实现燃烧100%氢含量能力，这也是未来全部燃气轮机型号具有燃氢能力的关键。

西门子燃气轮机专家迈克尔-韦尔奇（Michael Welch）解释道：“水是一种宝贵的资源，它增加了供应和处理水等运营成本，而且通常会缩短燃机零部件寿命，如果在一台燃氢100%的60MW燃气轮机中使用WLE技术，每小时将消耗20吨水。”通俗一点就是WLE技术中的水并非自来水，它需要专业的水处理系统来去除各类杂质，想象一下，每小时烧60吨“农夫山泉”矿泉水是一个多大的成本。

DLE技术则非常经济，在燃烧之前混合燃料和空气，以精确地控制火焰温度，在技术也基本上可行。韦尔奇表示：“但是氢的高反应性给DLE系统中的混合技术提出了特殊的挑战，燃氢含量的比例程度取决于燃烧室的设计和燃气轮机工况。目前西门子的DLE燃烧系统通过采用旋流稳定火焰与贫燃料预混组合，已经可以实现燃氢50%的能力，但是进一步提升到100%则需要新的燃烧室设计技术和控制系统的变化。”

截至6月30日，柏林清洁能源中心对西门子SGT-600和SGT-800的DLE燃烧室全温全压试验取得了可喜的进展，例如SGT-600的DLE燃烧室已经满负荷燃烧100%氢燃料，且在整机上进行了进一步了验证，可以稳定燃烧60%的氢燃料，将来计划在巴西的热电联产电厂进一步验证。

西门子100%燃氢燃气轮机路线图

西门子认为，到2023年，许多使用DLE的工业燃气轮机就将具备100%的燃氢能力，首次测试已经于上月在法国HYFLEXPOWER项目中启动，该电厂采用的是一台现有的西门子SGT-400工业燃机，使用G30燃烧室技术，其径向旋流器预混设计可实现燃料灵活性。

但正如路线图所示，西门子预计要在今年下半年才有望实现100%燃氢重型燃气轮机的原型应用和首批客户，西门子目前仍在不断打磨它的燃氢燃烧室设计技术，最近它已经向石化行业的客户出售了一台SGT-5000E燃气轮机，要求在2020年开始使用不超过27%的氢燃料，并通过对燃烧室的几何形状进行更改，提供燃氢时的耐回火性。