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中國首個(gè)高比例摻氫重型燃機(jī),CO?年排放可少1.8萬多噸

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中國首個(gè)高比例摻氫重型燃機(jī),CO?年排放可少1.8萬多噸

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。

荊門綠動(dòng)摻氫站。攝影:薛昱婷

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。2022929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。

712日,界面新聞實(shí)地探訪了這一項(xiàng)目。該項(xiàng)目對(duì)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。

國家電投荊門燃機(jī)項(xiàng)目。圖片來源:國家電投

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。

2021723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(duì)2號(hào)燃機(jī)開展燃燒器、控制系統(tǒng)相關(guān)改造。

20211223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。

2022929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。

技術(shù)人員對(duì)燃機(jī)壓氣機(jī)入口進(jìn)氣可調(diào)導(dǎo)葉執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢查。 圖片來源:荊門綠動(dòng)

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(duì)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)。

技術(shù)人員檢查燃機(jī)與齒輪箱連接軸。圖片來源:荊門綠動(dòng)

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(duì)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梢酝瓿蓪?duì)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(duì)更少。

重要的是,經(jīng)升級(jí)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(duì)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(duì)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(duì)相關(guān)技術(shù)重點(diǎn)升級(jí),也提升了燃機(jī)本體的燃料適應(yīng)性。

當(dāng)前,業(yè)內(nèi)對(duì)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。

未經(jīng)正式授權(quán)嚴(yán)禁轉(zhuǎn)載本文,侵權(quán)必究。

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中國首個(gè)高比例摻氫重型燃機(jī),CO?年排放可少1.8萬多噸

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。

荊門綠動(dòng)摻氫站。攝影:薛昱婷

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。2022929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。

712日,界面新聞實(shí)地探訪了這一項(xiàng)目。該項(xiàng)目對(duì)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。

國家電投荊門燃機(jī)項(xiàng)目。圖片來源:國家電投

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。

2021723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(duì)2號(hào)燃機(jī)開展燃燒器、控制系統(tǒng)相關(guān)改造。

20211223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。

2022929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。

技術(shù)人員對(duì)燃機(jī)壓氣機(jī)入口進(jìn)氣可調(diào)導(dǎo)葉執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢查。 圖片來源:荊門綠動(dòng)

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)??稍偕茉聪{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(duì)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)。

技術(shù)人員檢查燃機(jī)與齒輪箱連接軸。圖片來源:荊門綠動(dòng)

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(duì)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梢酝瓿蓪?duì)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(duì)更少。

重要的是,經(jīng)升級(jí)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(duì)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(duì)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(duì)相關(guān)技術(shù)重點(diǎn)升級(jí),也提升了燃機(jī)本體的燃料適應(yīng)性。

當(dāng)前,業(yè)內(nèi)對(duì)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。

未經(jīng)正式授權(quán)嚴(yán)禁轉(zhuǎn)載本文,侵權(quán)必究。