7月14日12時30分，國家電力投資集團有限公司（簡稱國家電投）湖北公司鄂中區(qū)域公司荊門燃機項目熱網(wǎng)東線工程高能環(huán)保段蒸汽正式并入主管網(wǎng)供汽。該項目特色在于，其在重型燃機商業(yè)機組上成功實現(xiàn)了30%摻氫燃燒。這將提高荊門燃機項目的供熱能力和可靠性，增加零碳熱源點。
據(jù)報道，2021年7月，國家電投荊門氫混燃機示范項目正式簽約；2021年12月成功實現(xiàn)15%摻氫運行；2022年9月成功實現(xiàn)30%摻氫燃燒改造和運行。
國家電投一直以來致力于加快“減碳”步伐，已實現(xiàn)清潔能源裝機占比超過60%。其承擔的國家科技重大專項重型燃氣輪機研發(fā)工作正在加快推進，并致力于構(gòu)建“風光電—氫—電熱”生態(tài)能源發(fā)展新模式，以期實現(xiàn)在氫能戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)的全球引領(lǐng)。該模式將顯著提高我國的能源自給率和清潔化水平，減少油氣進口依賴，實實在在地將能源飯碗端在自己手里。
天然氣摻氫，被業(yè)內(nèi)認為是未來實現(xiàn)氫能大規(guī)模輸送、解決氫能供需錯配的重要路徑之一。此次在重型燃機商業(yè)機組上實現(xiàn)的30%摻氫燃燒改造和運行需要克服哪些困難？下一步，天然氣摻氫又該如何走？
荊門燃機項目，圖源科技日報
高比例摻氫要攻克回火和排放難題
走進國家電投荊門綠動能源有限公司，記者見到了大型調(diào)壓設備、配套管道設施、燃機控制系統(tǒng)以及4根卸氫柱。
“氫氣供應商通過高壓管束車將氫氣運到公司卸氫柱，氫氣卸下來后要進行2次調(diào)壓，然后在混氫罐同天然氣進行摻和，最終通過燃機產(chǎn)生電、熱。”國家電投湖北鄂中區(qū)域公司負責人于紅偉向科技日報記者介紹了荊門燃機項目運行流程。他告訴記者，項目配套建設了熱力管網(wǎng)，以電、熱、水、冷多聯(lián)供的方式實施綜合能源供應，替代了區(qū)域的分散鍋爐，實現(xiàn)了較高的能源綜合利用率。
“此前，在國際上沒有商業(yè)機組實現(xiàn)過30%摻氫燃燒這么高的比例。”于紅偉表示，為實現(xiàn)30%天然氣摻氫燃燒試驗，科研人員攻克了多項難題。其中，最困難的當屬回火和達標排放問題。
回火是指正在燃燒的氣體火焰引燃了還未燃燒的可燃混合氣的現(xiàn)象。于紅偉解釋道：“氫氣和天然氣具有不同的物理化學特性，這導致兩者在管道中的燃燒條件不同，易造成回火。回火極易破壞燃燒穩(wěn)定性，對點火器和管道設備都會產(chǎn)生極大的損壞。”
面對這一難題，項目團隊對燃機的燃燒器和控制系統(tǒng)進行了改造，多次進行摻氫試驗和設備調(diào)試，最終找到了混合氣體的中間值，攻克了燃機高比例摻氫帶來的回火難題。
不僅如此，項目團隊還實現(xiàn)了大規(guī)模摻氫摻混精準控制技術(shù)與燃機的聯(lián)調(diào)技術(shù)，使改造后的燃機機組能夠兼容純天然氣和天然氣摻氫兩種運行模式，可在0%—30%摻氫運行條件下自由切換。
“在環(huán)保方面，降低摻氫天然氣的氮氧化物排放是一大難題。”國家電投湖北公司鄂中區(qū)域公司副總經(jīng)理白紅濤說，由于混合氣體帶來的變化，原有天然氣排放調(diào)節(jié)系統(tǒng)難以適應新的工況，難以達到氮氧化物排放低于50毫克每立方米的國家規(guī)定。
“通過反復實驗和對設備進行調(diào)試改動，燃機最終實現(xiàn)了氮氧化物達標排放。”白紅濤表示，目前燃機在摻氫運行過程中，環(huán)保排放等各項指標合格穩(wěn)定。
大規(guī)模商業(yè)應用要降低用氫成本
在現(xiàn)役天然氣機組中增加氫燃料來源，不僅能夠保證冬季供暖安全穩(wěn)定，同時還能有效減少天然氣用氣量，減少碳排放。白紅濤說，僅荊門一臺54兆瓦的燃機在摻氫30%情況下每年就可減少二氧化碳排放1.8萬噸以上。
相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，截至2020年底，全球天然氣摻氫項目約有40個。多個國家已將天然氣摻氫的應用列入國家規(guī)劃中，旨在通過天然氣摻氫技術(shù)實現(xiàn)建筑和工業(yè)供熱領(lǐng)域深度脫碳。
天然氣摻氫具有減碳、促進制造業(yè)升級、調(diào)整優(yōu)化產(chǎn)業(yè)和能源結(jié)構(gòu)等重要優(yōu)勢。于紅偉表示，在探索大規(guī)模天然氣摻氫商業(yè)應用方面，荊門燃機項目還要降低用氫成本。
白紅濤給記者算了一筆賬：目前荊門燃機項目購買1立方米天然氣大約需花費2.7元，購買1立方米氫氣需要花費3元，而氫氣的熱值卻僅為天然氣的三分之一左右，這意味著燃燒約3立方米氫氣才能產(chǎn)生燃燒1立方米天然氣的熱量。“什么時候1立方米氫氣的價格降到0.9元了，摻氫燃燒就具有經(jīng)濟效益了。”他說。
這也為全國其他地區(qū)天然氣摻氫項目提供了啟示：在具有制氫、輸氫、儲氫區(qū)位優(yōu)勢的地方，摻氫項目更具大規(guī)模商業(yè)化優(yōu)勢。
除降低用氫成本外，打開天然氣摻氫大規(guī)模商業(yè)應用場景，還需進一步完善頂層設計和相關(guān)標準體系，推進終端燃氣技術(shù)迭代，加強摻氫天然氣應用安全風險管理。
今年3月發(fā)布的《天然氣管道摻氫輸送及終端利用可行性研究報告》預測，“十四五”時期，我國預計新增天然氣管道摻氫示范項目15—25個，摻氫比例達到3%—20%，氫氣消納量每年15萬噸。
中國城市燃氣協(xié)會理事長劉賀明認為，我國具備較好的發(fā)展天然氣管道摻氫輸送技術(shù)的產(chǎn)業(yè)基礎。“目前我國城鎮(zhèn)用氣人口有5.3億人，天然氣管道長度達113.5萬公里。未來15—20年，我國天然氣產(chǎn)業(yè)將得到進一步發(fā)展，天然氣管網(wǎng)基礎設施建設將為氫能運輸提供更大可能性與空間。”
