隨著能源行業(yè)供給清潔化、消費(fèi)電氣化、利用高效化趨勢深入，天然氣摻混氫氣燃燒發(fā)電（簡稱摻氫燃?xì)獍l(fā)電）在環(huán)保效益、調(diào)峰調(diào)頻、維護(hù)電網(wǎng)安全運(yùn)行、緩解天然氣供應(yīng)壓力等方面的優(yōu)勢逐步凸顯，可在推動天然氣發(fā)電由低碳加速邁向零碳以及全球發(fā)電轉(zhuǎn)型變革中持續(xù)發(fā)揮重要作用。

相比燃煤發(fā)電，同等出力下，摻氫燃?xì)獍l(fā)電具有大幅減少二氧化碳和常規(guī)污染物、100%可調(diào)節(jié)、建設(shè)周期短、運(yùn)行流程和操作方式相對簡單靈活等優(yōu)勢。與可再生能源直接發(fā)電相比，摻氫燃?xì)獍l(fā)電具有供電持續(xù)性高、安全可靠力強(qiáng)、調(diào)節(jié)性能出色等特點，可以相應(yīng)地彌補(bǔ)可再生能源電力間歇性、隨機(jī)性和反調(diào)峰的不足，是理想的過渡性和調(diào)節(jié)性電源。此外，摻氫燃?xì)獍l(fā)電可緩解天然氣供應(yīng)壓力，保障國內(nèi)供應(yīng)安全，同時加快氫能利用落地。

盡管摻氫燃?xì)獍l(fā)電在全球尚屬前沿領(lǐng)域，但其代表著未來清潔低碳發(fā)電的新趨勢。開展摻氫燃?xì)獍l(fā)電示范應(yīng)用進(jìn)而實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用，將有助于推動可再生能源與氣電融合發(fā)展，是邁向“雙碳”目標(biāo)的可行技術(shù)路徑之一。

【資料圖】

1國外摻氫燃?xì)獍l(fā)電進(jìn)展

天然氣摻氫技術(shù)在國外已有20余年深入研究的歷史，但僅有極少數(shù)國家已開展摻氫燃?xì)獍l(fā)電項目。

1.1歐洲

英國首個向燃?xì)庵凶⑷霘錃獾脑圏c項目HyDeploy于2020年1月全面運(yùn)行。該項目于2017年啟動，2018年獲得HSE許可，隨后在基爾大學(xué)開展20%比例（按體積）的天然氣摻氫試驗，用于為100戶家庭和30座教學(xué)樓供氣。其成功運(yùn)行為氫氣—天然氣混合燃燒提供了安全案例。英國能源網(wǎng)絡(luò)協(xié)會在2022年1月發(fā)布了氫氣混合交付計劃，提到英國的天然氣電網(wǎng)將于2023年開始在全國范圍內(nèi)提供20%的混合氫氣，可替代目前使用天然氣量的1/5。

這意味著英國的燃?xì)獍l(fā)電廠將能夠使用混合氫來生產(chǎn)更加清潔的電力。英國的威爾士和西部公用事業(yè)公司正在加快氫混合技術(shù)研究，已在斯溫登現(xiàn)有電網(wǎng)中測試了1%的氫氣混合。Uniper公司在英國肯特郡的1365兆瓦燃?xì)怆姀S開始評估摻氫40%的可行方案。英國官方機(jī)構(gòu)曾測算稱，按英國的天然氣消費(fèi)水平，如果能夠?qū)崿F(xiàn)20%的摻氫比例，每年英國在供熱供電方面有望減少600萬噸二氧化碳排放。

德國公用事業(yè)公司意昂子公司Avacon同德國天然氣和水科學(xué)技術(shù)協(xié)會于2019年共同資助了薩克森–安哈爾特項目，計劃將氫氣分別以10%、15%和20%的比例注入天然氣電網(wǎng)，旨在證明比現(xiàn)在更高比例的氫氣混合到天然氣電網(wǎng)中是可行的。德國天然氣網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商協(xié)會還曾建議政府逐年提高氫氣摻入天然氣管網(wǎng)的比例，如從2021年的1%提升至2030年的10%。德國還充分利用在燃?xì)廨啓C(jī)方面的技術(shù)優(yōu)勢，大力發(fā)展和推行基于氫燃?xì)廨啓C(jī)的熱電聯(lián)產(chǎn)示范項目，嘗試更多摻氫燃?xì)獍l(fā)電的可能性，并擴(kuò)大氫能在氣電領(lǐng)域的應(yīng)用。

西班牙第二大天然氣分銷商N(yùn)ortegas公司于2022年5月22日宣布推出首個國家級天然氣摻氫示范項目H2SAREA，向現(xiàn)有的8000余千米天然氣管道注入綠氫，同時計劃逐步提高天然氣基礎(chǔ)設(shè)施和設(shè)備中的氫氣比例，嘗試使用天然氣和氫氣的混合氣體發(fā)電。

1.2日本

日本作為全球第二大液化天然氣進(jìn)口國，其天然氣發(fā)電量占比達(dá)37%，在所有發(fā)電形式中占比最高。在2021年日本政府發(fā)布的第6次《能源基本計劃》中，對2030年能源結(jié)構(gòu)展望首次提出氫/氨發(fā)電占比1%的目標(biāo)，要求新建和在役的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組逐步具備摻氫燃燒能力，計劃先采用混燒技術(shù)，之后逐步提升氫的混燒比例，至2050年實現(xiàn)100%的氫燃燒發(fā)電。

2017年，日本的大林組和川崎重工基于1兆瓦級燃?xì)廨啓C(jī)搭建熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，成功開發(fā)全球首個氫能發(fā)電項目，通過燃燒2∶8的氫和天然氣混合氣體進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn)，為居民和商業(yè)用戶供熱發(fā)電，通過該項目可有效減少20%以上的二氧化碳排放。2020年5月，大林組和川崎重工又與日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)驗證了川崎重工基于“微混合燃燒”技術(shù)開發(fā)的干式低NOx氫燃?xì)廨啓C(jī)，實驗獲得成功。

2021年9月，日本電力巨頭JERA宣布2021年10月至2025年3月實施大規(guī)模天然氣電廠摻氫30%燃燒示范項目。JERA計劃建設(shè)氫氣供應(yīng)及相關(guān)設(shè)施，在燃?xì)廨啓C(jī)中加裝能夠燃燒氫氣和天然氣混合氣體的燃燒室，降低發(fā)電過程中的二氧化碳排放直至零排放。該項目是日本首次在大型商用天然氣電廠中使用大量氫氣作為燃料。在本土以外，JERA還于2021年7月宣布在美國紐約州蟋蟀谷電廠現(xiàn)役聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)中使用氫氣混燒技術(shù)。該項目先摻混5%綠氫與天然氣共燃，10年內(nèi)實現(xiàn)100%燃燒綠氫。

1.3美國

2020年7月，美國能源部宣布為18個氫研究項目提供6400萬美元資金，以支持能源部發(fā)起的H2@Scale倡議。能源部根據(jù)美國國家可再生能源實驗室的建議，提出了2個重要的優(yōu)先研究領(lǐng)域，包括推進(jìn)中型和重型燃料電池汽車加氫技術(shù)，以及解決天然氣摻氫過程中的技術(shù)障礙。

美國首座氫燃料燃機(jī)電廠——俄亥俄州漢尼拔的LongRidge485兆瓦聯(lián)合循環(huán)電廠于2021年成功投入商業(yè)運(yùn)行，2022年3月完成摻氫燃燒測試，邁出了脫碳轉(zhuǎn)型的第一步。初期摻氫比例為5%，系統(tǒng)升級并綜合氫燃料需求量和成本等因素后，比例增加至15%~20%，計劃2030年具備100%氫氣燃燒能力，實現(xiàn)零碳排放發(fā)電。

此外，美國電力公司Entergy計劃在德克薩斯州建造1座1215兆瓦的天然氣和氫氣雙燃料電廠。如該計劃獲得批準(zhǔn)，公司將于2023年第二季度開始建設(shè)，預(yù)計于2026年夏季投用，屆時可為超過23萬戶家庭提供清潔電力。

1.4國外主要燃?xì)廨啓C(jī)廠商動態(tài)

燃?xì)廨啓C(jī)是燃?xì)夂碗娏ο到y(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備。隨著碳減排趨勢深化和氫能應(yīng)用推廣，國際主要燃?xì)廨啓C(jī)廠商，如通用電氣、三菱動力、西門子、安薩爾多、斗山重工等都開始探索傳統(tǒng)燃?xì)廨啓C(jī)摻氫技術(shù)，加速在這項前沿技術(shù)領(lǐng)域的布局。開發(fā)具有燃料靈活性的新機(jī)型、升級改造現(xiàn)役燃機(jī)燃?xì)浠蛱岣呷紮C(jī)摻氫燃燒能力將有助于傳統(tǒng)廠商開拓新的市場空間，找到新的業(yè)績增長點。同時燃機(jī)摻氫的相關(guān)研究、開發(fā)和示范應(yīng)用也將為電力系統(tǒng)深度脫碳提供技術(shù)和裝備支撐，幫助燃?xì)怆姀S保持長期競爭力，實現(xiàn)合作共贏。

在燃?xì)廨啓C(jī)領(lǐng)域，通用電氣、三菱動力和西門子等廠商常年處于行業(yè)的領(lǐng)先地位。通用電氣

燃?xì)廨啓C(jī)使用氫氣等低熱值燃料運(yùn)行已超過30年，在全球有超百臺燃?xì)淙細(xì)廨啓C(jī)在運(yùn)行。其在韓國服役的1臺6B燃機(jī)可摻氫70%~95%燃燒，已運(yùn)行20余年；推出的最先進(jìn)的HA級燃機(jī)實現(xiàn)了燃料和燃燒技術(shù)上的雙突破，已在美國LongRidge電廠成功投用。通用電氣已確定在2030年前實現(xiàn)HA級燃機(jī)100%燃?xì)淠芰Φ哪繕?biāo)。

三菱動力于2018年1月成功開展了使用30%的氫燃料與天然氣混合燃燒測試。通過在現(xiàn)有燃?xì)廨啓C(jī)上安裝新型預(yù)混燃燒室，摻氫30%在滿足NOX排放、燃燒震蕩等限制條件下實現(xiàn)了安全穩(wěn)定燃燒。結(jié)果表明，與純天然氣發(fā)電相比，混合燃燒減少了10%的二氧化碳排放，聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率高于63%。該試驗也為天然氣電廠摻氫改造提供了便捷和低成本的途徑。

2019年西門子能源簽署一項承諾，到2020年將燃?xì)廨啓C(jī)的燃?xì)淠芰μ岣叩街辽?0%，到2030年逐步提高至100%。迄今已經(jīng)公布14個可以在未來實現(xiàn)100%燃?xì)淠繕?biāo)的燃機(jī)型號，并針對不需要立刻投入摻氫運(yùn)行模式的新建聯(lián)合循環(huán)電廠推出了“H2ready”電廠方案，幫助電廠優(yōu)化配置，便于切換摻氫模式。

2國內(nèi)摻氫燃?xì)獍l(fā)電進(jìn)展

自20世紀(jì)90年代以來，我國天然氣發(fā)電產(chǎn)業(yè)經(jīng)過了近30年持續(xù)發(fā)展，逐步成為我國清潔能源發(fā)展中不可忽視的力量，裝機(jī)容量突破1億千瓦大關(guān)?！笆濉币詠?，氣電裝機(jī)容量一改前期增速緩慢的態(tài)勢，實現(xiàn)了逐年攀升，至2020年11月底，燃?xì)獍l(fā)電9751萬千瓦，同比增長8.4%；到2020年底，全國氣電裝機(jī)9972萬千瓦，未能實現(xiàn)“十三五”裝機(jī)總量1.1億千瓦的規(guī)劃目標(biāo)（見圖1）?！笆奈濉逼陂g，氣電作為可靠的調(diào)峰能源，發(fā)展前景會更加廣闊。

2.1國家電投荊門綠動項目落地

2021年6月30日，國家電投啟動30%摻氫燃機(jī)試驗示范項目。2021年12月23日，其荊門綠動電廠的在運(yùn)燃機(jī)成功實現(xiàn)15%摻氫燃燒改造和運(yùn)行，成為全球首個在天然氣商業(yè)機(jī)組中進(jìn)行摻氫燃燒的聯(lián)合循環(huán)、熱電聯(lián)供示范項目。12月26日，改造后兼具純天然氣和天然氣摻氫2種運(yùn)行模式的機(jī)組接受電網(wǎng)調(diào)度，正式投入運(yùn)行，整體方案可行性得到驗證，標(biāo)志著國內(nèi)已掌握一套完整的燃?xì)廨啓C(jī)電站摻氫改造工程設(shè)計方案。2022年9月29日，在運(yùn)燃機(jī)成功實現(xiàn)30%摻氫燃燒改造和運(yùn)行，機(jī)組具備了在0~30%摻氫運(yùn)行條件下自由切換的靈活性，成為又一重大技術(shù)突破。

2.2大亞灣石化區(qū)綜合能源站項目啟動

2022年3月，國內(nèi)首個兼具氫能利用的一體化綜合能源示范基地項目——廣東省能源集團(tuán)旗下的惠州大亞灣石化區(qū)綜合能源站項目正式開工。項目規(guī)劃建設(shè)4×600兆瓦級燃?xì)猕C蒸汽聯(lián)合循環(huán)熱電冷聯(lián)產(chǎn)機(jī)組。一期采用2臺燃?xì)馊紮C(jī)摻混10%氫氣混合燃燒，預(yù)計同等發(fā)電量下，摻氫10%后的二氧化碳排放量約為同等規(guī)模燃煤電廠的40%。該項目計劃于2023年正式投入商業(yè)運(yùn)行，建成后將為電網(wǎng)增加1340兆瓦清潔電力，為粵港澳大灣區(qū)碳減排和碳達(dá)峰做出貢獻(xiàn)。

2.3內(nèi)蒙古科技重大專項研究啟動

2021年12月，內(nèi)蒙古科技重大專項“摻氫天然氣內(nèi)燃機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及示范應(yīng)用”項目正式啟動。該研究項目由民營企業(yè)內(nèi)蒙古東源科技有限公司牽頭，計劃分3年、5個子課題實施。項目通過研究摻氫天然氣燃料的燃燒特性、解決天然氣摻氫關(guān)鍵核心技術(shù)難題，開發(fā)摻氫天然氣內(nèi)燃機(jī)關(guān)鍵零部件，完成發(fā)電用摻氫（5%~50%）天然氣內(nèi)燃機(jī)研制、摻氫天然氣發(fā)電機(jī)組示范等。

2.4國內(nèi)主要燃?xì)廨啓C(jī)生產(chǎn)商動態(tài)

2019年，哈電集團(tuán)與通用電氣在河北秦皇島組建了重型燃機(jī)合資企業(yè)哈電通用燃?xì)廨啓C(jī)（秦皇島）有限公司，并于2020年完成技術(shù)轉(zhuǎn)讓，開始投入商業(yè)運(yùn)營，重點推進(jìn)和實施重型燃機(jī)發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)國產(chǎn)化。該公司是通用電氣在亞洲唯一的重型燃機(jī)制造基地。大亞灣石化區(qū)綜合能源站項目采用的GE9HA.01燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組即是該合資公司生產(chǎn)的首套9HA燃機(jī)，標(biāo)志著我國先進(jìn)燃機(jī)國產(chǎn)化進(jìn)程邁出了里程碑式的一步，也為加快自主化氫燃機(jī)開發(fā)積累了經(jīng)驗。

3主要問題

3.1自身挑戰(zhàn)

技術(shù)難題。低摻氫比例項目的運(yùn)行為摻氫安全燃燒積累了成功案例和經(jīng)驗。隨著摻氫比例的提高，對燃燒、材料、控制等關(guān)鍵技術(shù)和輔機(jī)、管道、密封、通風(fēng)、危險氣體探測等配套技術(shù)的要求也越來越高。摻氫燃?xì)獍l(fā)電要從示范到商業(yè)化，從低碳到零碳還需要進(jìn)行更多試驗論證，技術(shù)體系成熟度需逐步提升完善。

成本高企。根據(jù)國際可再生能源署的測算，混摻20%的氫氣僅能比單純使用天然氣降低約7%的溫室氣體排放，而摻氫后天然氣供能的成本卻遠(yuǎn)高于單純使用天然氣。加之燃料成本、燃機(jī)改造成本、能源轉(zhuǎn)換效率等因素，摻氫燃?xì)獍l(fā)電的經(jīng)濟(jì)性還較低。在我國，“市場氣”“計劃電”的情況令電廠面臨更大成本壓力。

安全隱憂。盡管燃?xì)廨啓C(jī)本身具有燃料靈活性，但在傳統(tǒng)的燃?xì)廨啓C(jī)摻氫，除了要對燃燒系統(tǒng)和罩殼等進(jìn)行改造，考慮到天然氣和氫氣燃燒特性的差異，以及氫氣爆炸極限廣、易泄漏、火焰發(fā)光度低等特點，還要兼顧對燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)和電廠系統(tǒng)的整體影響，意味著燃機(jī)設(shè)備對氫的適應(yīng)性與摻氫后電廠的安全性均面臨挑戰(zhàn)。

3.2外部制約

燃料供應(yīng)?，F(xiàn)階段，摻氫燃?xì)獍l(fā)電仍以天然氣為主要燃料。2021年，各種有利因素疊加推高天然氣行業(yè)景氣度，氣價經(jīng)歷了過山車式波動；俄烏沖突爆發(fā)后，地緣政治因素加劇了供需緊張。加之全球各國政府致力于實現(xiàn)凈零排放目標(biāo)，以及電力、工業(yè)和民用等下游領(lǐng)域需求旺盛，令氣價走高、資源緊俏成為新常態(tài)。天然氣供應(yīng)價格偏高和供應(yīng)量偏緊使燃?xì)獍l(fā)電經(jīng)濟(jì)競爭力不足。

氫氣來源。目前，全球范圍內(nèi)的氫能多以化石能源制氫和工業(yè)副產(chǎn)氫為主，產(chǎn)出的灰氫或藍(lán)氫雖然制取成本低但能耗大、碳排高，污染問題得不到根本解決?？稍偕茉措娊馑茪涫悄壳耙?guī)模化制取綠氫的唯一方法。但現(xiàn)階段大規(guī)模生產(chǎn)可再生氫，需要消耗大量的綠電，且轉(zhuǎn)化效率低、能量損失較大、成本依然較高，令摻氫燃?xì)獍l(fā)電也受到制約。

產(chǎn)業(yè)環(huán)境。示范項目的成功運(yùn)行意味著摻氫燃?xì)獍l(fā)電實踐剛剛起步，還要經(jīng)歷很長一段時間才能實現(xiàn)全球規(guī)?；蜕虡I(yè)化。現(xiàn)階段，各國政府對摻氫燃?xì)獍l(fā)電的政策扶持力度不夠，行業(yè)缺乏統(tǒng)一規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)體系，企業(yè)對研發(fā)攻堅技術(shù)動力不足等都令摻氫燃?xì)獍l(fā)電沒有達(dá)到應(yīng)有的發(fā)展速度。我國已發(fā)布的氫能相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)有90余項，但涉及天然氣摻氫技術(shù)的僅有《車用壓縮氫氣天然氣混合燃?xì)狻罚℅B/T34537–2017）1項。

4結(jié)語

綜合全球綠色低碳發(fā)展趨勢、能源產(chǎn)業(yè)變革方向及能源技術(shù)進(jìn)步因素考慮，摻氫燃?xì)獍l(fā)電在實現(xiàn)終端用能脫碳、拓展氫能應(yīng)用場景、保障能源供應(yīng)穩(wěn)定安全、調(diào)節(jié)補(bǔ)充可再生能源電力、加快低碳電力技術(shù)創(chuàng)新等方面均有重要價值和現(xiàn)實意義。我國在摻氫燃?xì)獍l(fā)電領(lǐng)域已成為全球領(lǐng)跑者，未來為鞏固我國能源企業(yè)的先發(fā)優(yōu)勢，突出摻氫燃?xì)獍l(fā)電的作用貢獻(xiàn)，建議著力培育政企結(jié)合、產(chǎn)學(xué)研聯(lián)動的產(chǎn)業(yè)模式：

一是在政府層面，應(yīng)通過政策手段將煤電的外部性內(nèi)部化，為氣電發(fā)展?fàn)I造公平的發(fā)展環(huán)境；健全完善產(chǎn)業(yè)環(huán)境和市場機(jī)制，加快頂層設(shè)計和規(guī)劃制定，同時加大財政支持、引導(dǎo)投資傾斜，構(gòu)建運(yùn)營標(biāo)準(zhǔn)、完善監(jiān)管機(jī)制，為摻氫燃?xì)獍l(fā)電產(chǎn)業(yè)提供方向引領(lǐng)、發(fā)展支撐和激勵約束。

二是在企業(yè)層面，切實肩負(fù)起綠色低碳發(fā)展主力軍的責(zé)任，制定明確的發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)和實施路線圖，加大資金、人才投入，聚焦重型燃機(jī)等關(guān)鍵和短板技術(shù)設(shè)備研發(fā)和國產(chǎn)化，實現(xiàn)技術(shù)自主可控，因地制宜建設(shè)高效能摻氫燃?xì)怆姀S，持續(xù)創(chuàng)新迭代升級，提升項目經(jīng)濟(jì)性和安全性。

三是全產(chǎn)業(yè)鏈上多方聯(lián)動、共同發(fā)力，加快成果轉(zhuǎn)化利用，以技術(shù)攻關(guān)促項目落地，以示范項目帶商業(yè)項目，同時深化國際交流合作。保障燃料供應(yīng)、拓展終端應(yīng)用，建立健全上下游產(chǎn)業(yè)協(xié)調(diào)發(fā)展機(jī)制。最終，以氫—氣—電三能耦合發(fā)展、協(xié)同互補(bǔ)助力我國碳減排換擋提速，以期早日實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)和綠色低碳轉(zhuǎn)型。

文/孫菲 中國石油化工集團(tuán)國際合作部，當(dāng)代石油石化

（圖片來源：veer圖庫）

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