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貝克休斯 凱普斯通燃氣輪機的優勢及特性

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一、純氫燃氣輪機的優勢 :jru廣州南創電子科技有限公司
燃氫燃氣輪機能夠支撐能源行業深度減碳,是銜接風能、太陽能等可再生新能源、新型儲能系統、電力系統的可靠性最高、經濟性最好的跨季節調節裝備。目前各大燃氣輪機OEM廠商均承諾在2030年前開發出低排放純氫燃氣輪機,支持全球天然氣電網向可再生能源系統的轉型。純氫燃氣輪機能夠完全使用氫氣作為燃料進行燃燒,具有以下顯著優勢:jru廣州南創電子科技有限公司
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① 零碳排放:氫氣燃燒的產物主要是水蒸氣,不產生二氧化碳,從而顯著減少溫室氣體排放,有助于應對氣候變化。jru廣州南創電子科技有限公司
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② 高效能量密度:氫的能量密度較高,意味著相同質量的燃料可以產生更多的能量,提高了燃氣輪機的效率。jru廣州南創電子科技有限公司
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③ 多樣化能源來源:氫氣可以通過多種途徑生產,如電解水、天然氣重整、固體燃料氣化、生物質轉化等,隨著電解槽成本、電耗及綠電的價格逐步降低,綠氫將逐步取代灰氫,成為工業領域用氫的主要來源。jru廣州南創電子科技有限公司
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④ 高靈活性:氫燃氣輪機可以與現有的天然氣基礎設施部分兼容,具備較好的適應性和靈活性。目前已經在實施的摻氫示范項目表明,低于30%體積比例摻氫不會對現有天然氣燃氣輪機基礎設施產生顛覆性影響,通過相對成本較低的改造即可實現10%以上的碳減排。jru廣州南創電子科技有限公司
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二、氫氣的燃燒特性jru廣州南創電子科技有限公司
氫氣燃燒特性相對于甲烷變化較大,氫氣體積熱值僅有甲烷的1/3,但是爆炸極限寬、燃燒速度快、燃燒溫度也比甲烷高150℃,因此高氫含量燃氣輪機燃燒系統具有以下特點:jru廣州南創電子科技有限公司
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① 為達到同樣的熱負荷,燃料系統需要供應更大的體積流量。jru廣州南創電子科技有限公司
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② 燃燒溫度是影響熱力NOx生成的最敏感參數,其與NOx生成速率呈指數關系。氫氣燃燒峰值溫度高,產生的熱力NOx排放較高。同時因氫氣密度低,射流穿透能力弱,易被高速氣流快速卷走,帶來局部當量比高和高溫熱點的問題,進而生成大量的NOx。jru廣州南創電子科技有限公司
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③ 氫氣質量擴散系數是天然氣的3倍,火焰速度快10倍,容易快速形成易爆環境,燃燒壓力升高率過高或者壓力波動。jru廣州南創電子科技有限公司
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④ 噴射后勢能低,凝聚性低,穩定火焰短,更靠近燃燒器噴嘴,容易發生回火。jru廣州南創電子科技有限公司
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⑤ 氫氣點火能小,點火濃度寬,極易自燃。jru廣州南創電子科技有限公司
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⑥ 氫氣的燃燒產物為高溫水蒸氣,相對于天然氣燃燒產物氣體成分不同,其焓降也會有所不同,會影響渦輪邊界條件甚至改變整個系統的動力學特性。jru廣州南創電子科技有限公司
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綜上,氫氣燃燒過程具有火焰溫度高、傳播速度快的特點,采用純氫或摻氫混合燃料的燃氣輪機燃燒技術方面存在著自燃、回火、NOx排放超標和燃燒振蕩等主要問題。jru廣州南創電子科技有限公司
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燃氣輪機技術難點及應對方案jru廣州南創電子科技有限公司
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燃氣輪機是一種燃料靈活性相對較高的發電或者驅動設備,但是氫氣和天然氣燃燒特性差異較大,在現有天然氣燃燒室開展富氫燃燒會影響燃燒穩定性及整機匹配,帶來整機的可靠性及排放問題。jru廣州南創電子科技有限公司
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目前典型的應對方案分為兩種:jru廣州南創電子科技有限公司
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(1)基于成熟構型改進,擴展天然氣燃燒室的工作范圍。目前各OEM廠商普遍使用的先進低NOx技術的貧預混燃燒室不能直接燃用純氫,為了避免回火及熱聲振蕩,一般控制燃料中氫氣體積分數少于30%,經過適應性改造可以到60~70%,但無法實現全氫燃燒。而使用傳統的擴散燃燒室可以控制回火,實現100%燃氫,但為了減少由較高的擴散燃燒火焰溫度引起的NOx增加,須要采用注入蒸汽、氮氣或者采用成本昂貴的NOx減排裝置。jru廣州南創電子科技有限公司
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(2)新研適用于全氫燃燒的新型低排放燃燒室。這其中最主流的技術路線當屬微混燃燒技術,主要原理是將大尺度火焰轉化為多個微小尺度火焰,增強了空氣和氫氣的局部混合強度,提升了混合均勻度,同時小尺度火焰顯著縮短了氫氣在高溫區的駐留時間,可以大幅度降NOx生成。目前大多數都處在研究開發過程中,基本實現了原理試驗驗證向工程應用的過渡,污染物排放抑制效果顯著。jru廣州南創電子科技有限公司
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二、貝克休斯純氫燃氣輪機發展路線jru廣州南創電子科技有限公司
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貝克休斯輕型工業燃氣輪機系列(NovaLT5/12/16)針對天然氣的干式低排放版本目前可以實現30%的摻氫混燒。為了實現100%全氫燃燒,貝克休斯分兩個階段在2026年前實現純氫低排放燃機開發并逐步推向市場。jru廣州南創電子科技有限公司
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第一階段,基于成熟部分預混燃燒技術實現純氫穩定燃燒,NOx排放控制在150ppm以下,通過選擇性催化還原(SCR)進一步降低至15ppm甚至更低。目前可以實現做到天然氣燃燒、摻氫燃燒、純氫燃燒之間輕松切換,產品在摻氫燃氣管線增壓站上已經逐步應用。jru廣州南創電子科技有限公司
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第二階段,2023年完成全預混純氫低排放燃燒技術開發,目前正在HyPowerGT項目支持下開展部件及整機驗證,全新設計的DLN純氫燃燒室全溫全壓燃燒器上開展性能及排放驗證,技術成熟度達到TRL6。2026年在NovaLT16機組上率先應用并開展長時間運行考核,技術成熟度達到TRL7。jru廣州南創電子科技有限公司
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