氢燃气轮机将是实现“氢-电”转换关键一环
在可再生能源迅速发展的时代背景下，氢储能因其大容量、长周期的优点而备受关注，而氢-电转换的实现不仅要依靠电解水制氢，氢燃气轮机同样是其中的关键一环。3月18日，国家能源局印发了《2024年能源工作指导意见》，其中明确指出要深入探索火电掺烧氢、氨技术，而氢燃气轮机作为火电掺氢燃烧的关键正日益成为国家相关政策的关注重点。
一、国内外掺氢/纯氢燃气轮机技术发展现状
（一）国外发展现状
西方国家在燃气轮机领域起步较早，积累了雄厚的技术储备，特别是在重型燃气轮机领域技术优势明显。德国西门子的SGT-9000HL（593MW）、美国GE通用的9HA.02（571MW）和日本三菱重工的M701J（470MW）都是世界一流的重型燃气轮机。
国际主要燃气轮机厂商，如通用电气、三菱动力、西门子、安萨尔多、斗山重工等都开始探索传统燃气轮机掺氢技术，并开始向纯氢燃气轮机加速迈进。通用电气（GE）推出的最先进的HA级燃机实现了燃料和燃烧技术上的双突破，已在美国成功投用，通用电气已确定在2030年前实现HA级燃机100%燃氢能力的目标。日本三菱日立正在开发的先进氢燃气轮机旨在从能够燃烧30%氢气和70%天然气混合燃料过渡到100%氢燃料。德国西门子的中型工业燃气轮机SGT-600的DLE燃烧室已经实现满负荷燃烧100%氢燃料，且在整机上进行了进一步验证，可以稳定燃烧60%的氢燃料。
项目示范方面，全球各主要国家纷纷开展了氢燃气轮机的项目示范。美国首座氢燃料燃机电厂—俄亥俄州汉尼拔的LongRidge485兆瓦联合循环电厂于2021年成功投入商业运行，2022年3月完成掺氢燃烧测试，迈出了脱碳转型的第一步，美国电力公司Entergy计划在得克萨斯州建造1座1215MW的天然气和氢气双燃料电厂。2021年9月，日本电力巨头JERA宣布2021年10月至2025年3月实施大规模天然气电厂掺氢30%燃烧示范项目。德国公用事业公司意昂子公司Avacon同德国天然气和水科学技术协会于2019年共同资助了萨克森–安哈尔特项目，计划将氢气分别以10%、15%和20%的比例注入天然气电网，旨在证明比现在更高比例的氢气混合到天然气电网中是可行的。
（二）国内发展现状
我国的燃气轮机技术起步较晚，曾长期处于被“卡脖子”的状态。我国现已具备轻型燃机（功率50MW以下）自主化能力，但在重型燃气轮机（功率50MW以上）领域与美国、德国和日本相比还有较大差距。重型燃气轮机自主研发方面，2023年，国家电投集团联合哈电集团、东方电气集团、上海电气集团等单位研制出了国产首台300兆瓦F级重型燃机样机，该燃气轮机具有完全自主知识产权。
在燃气轮机掺氢燃烧技术方面，国内厂商发展迅速。2023年，明阳30MW级纯氢燃气轮机下线，这款燃气轮机，搭载明阳氢燃自主研发的“木星一号”纯氢燃烧室，实现了100%的纯氢燃烧，是构建新型电力系统的重要成果和国家“卡脖子”技术的重大突破。
在燃气轮机掺氢燃烧领域，国内厂商正积极开展项目示范。国家电投荆门绿动电厂二期已于2022年底开展30%掺氢燃烧，使在运燃机机组具备了纯天然气和天然气掺氢两种运行模式的兼容能力。2023年7月，国家电投联合中国联合重型燃气轮机技术有限公司、上海发电设备成套设计研究院有限责任公司联合在国家电投通辽霍林河循环经济纯氢燃机示范项目、中国重燃上海临港试验基地智慧能源项目中建设纯氢燃气轮机。
二、国内外核心零部件技术水平对比
燃气轮机有压气机、燃烧室、高温涡轮叶片三大核心部件，其中燃烧器是燃氢燃气轮机的核心零部件，关系到燃气轮机能够燃烧氢气的比例。由于氢气燃烧会带来回火、自燃、热声等问题，国内外厂商开发了多种先进燃烧器以实现掺氢、纯氢燃烧，总体来说国内厂商尽管在该领域起步较晚，但技术进步速度较快。
国外厂商方面，西门子、GE、三菱日立、安萨尔多对燃氢燃烧室的开发较为积极。西门子能源根据燃料组成的变化，通过预先测试控制空气和燃料通过各个油路的喷射率的方式，以优化火焰位置和燃烧温度，西门子第三代燃烧室已成功实现了加氢率至50%的混烧燃烧。三菱日立开发了多喷嘴燃烧室、多集群燃烧室、扩散燃烧室三种燃氢燃烧室，其中多喷嘴燃烧室已经试验了30%水平的混氢燃烧，多集群燃烧室已验证了80%掺氢比例的燃烧特性，扩散燃烧室已经能稳定燃烧90%的氢燃料。GE公司的适用于SAC（单环燃烧室）在全世界约有2600台在运营，可以实现30%～85%水平的氢混燃烧。安萨尔多开发了“Flamethrower”燃烧室，可实现40%水平的氢混燃烧。
国内厂商方面，燃烧室的核心零部件如陶瓷片、气阀等仍然和国外有较大差距，国产化率需要进一步提高。燃氢燃烧室方面，华天航空动力深入分析四种主要燃气轮机燃氢燃烧室设计技术的掺氢范围及优缺点，采用贫燃旋流多点直喷技术方案并应用于HGT-50燃气轮机，该燃气轮机可广泛应用于掺氢与纯氢燃烧发电。明阳氢燃公司自主研发的“木星一号”纯氢燃烧室，可实现纯氢燃烧，该技术具有自主知识产权。
三、我国氢燃气轮机技术面临的挑战与机遇
我国由于在燃气轮机领域起步较晚，在燃气轮机掺氢燃烧领域相比于国外具有天然的劣势。这给我国氢燃气轮机的发展带来了诸多挑战，氢燃气轮机作为新兴领域同样存在巨大的发展机遇，给国内厂商带来了弯道超车的机会。
（一）挑战
1.技术挑战
技术问题是制约我国氢燃气轮机发展的关键，要想实现氢燃气轮机产业的迅速发展就需要首先重点攻克“卡脖子”技术。我国通过多年的引进、消化、吸收已经使国产燃气轮机的技术水平达到了足以支撑自主研发迭代的程度，只是目前离国际先进技术尚有差距。以涡轮叶片为例，我国已经能够自主生产涡轮进口温度约为1400℃的F级燃气轮机的涡轮叶片，但温度要求达1600℃的H级燃气轮机涡轮叶片仍依赖国外技术。同时，燃气轮机燃氢改造还需要克服众多技术难点，我国在重型氢燃气轮机领域和纯氢燃气轮机领域的技术水平仍亟待进步。
2.竞争挑战
长期以来，来自国外厂商的有力竞争都是制约我国燃气轮机产业发展和技术进步的关键。如果不能对西门子、GE等公司形成有效市场竞争力，那国内相关技术将会因缺乏资金支持而停滞不前。我国在运的重型燃机超过100台，主要由美国GE、德国西门子、日本三菱与国内厂商合作生产。但压气机、燃烧室、高温涡轮叶片等需要定期更换的核心部件技术欧美日不予转让，严重制约我国重型燃机可靠性和经济性。当前我国企业在燃气轮机部分核心零部件领域对国外厂商形成的技术依赖无疑会进一步制约自主技术的发展，这种情况根源上也是来自自身产品竞争力不足。
（二）机遇
1.政策机遇
当前我国正在密集出台氢能产业扶持政策，氢燃气轮机作为氢电转换的关键也成了我国政府政策扶持的重点。2月4日，工业和信息化部印发《工业领域碳达峰碳中和标准体系建设指南》，其中指出了燃氢燃气轮机等氢能替代等技术和装备标准。3月18日，国家能源局印发的《2024年能源工作指导意见》明确指出要深入探索火电掺烧氢、氨技术。3月19日，国家发改委发布了关于向社会公开征求《绿色低碳先进技术示范项目清单（第一批）》意见的公告，其中就包括了国电投基于纯氢燃气轮机创新的“电-氢-电”新模式实证示范项目。此前我国对氢燃气轮机领域的政策支持相对不足，而当前国家部委密集出台的相关政策已经表明国家正有意大力发展氢燃气轮机产业，同时相关行业标准也开始逐步完善。政策上的有利条件给国内相关厂商提供了巨大的发展机遇，在可预见的未来将会推动我国氢燃气轮机技术迅速进步。
2.市场机遇
当前我国可再生能源装机量正在迅速增加，催生了较大的氢储能需求，作为氢转电的关键，预计氢燃气轮机将会具有广阔的市场空间。若大规模装备氢燃气轮机可有效地帮助我国电力系统实现灵活性资源削峰填谷、平抑新能源并网波动、提升电网调节和安全稳定运行水平的目标。根据全球能源互联网发展合作组织发布的《中国2030年能源电力发展规划研究及2060年展望》，预计到2050年，氢燃气轮机装机量达到1亿千瓦，在我国电力总装机中的占比达到1.3%；到2060年，装机量和占比分别达到2亿千瓦和2.5%。广阔的市场为氢燃气轮机的技术发展奠定了坚实的基础。
四、我国氢燃气轮机技术未来发展趋势
受到政策支持和氢能发展规律的影响，我国氢燃气轮机装机量将会迅速增长，带动氢燃气轮机技术的全面进步。为实现经济效益最大化，我国氢燃气轮机技术在短期和长期内的发展趋势将会有所不同。只有牢牢把握技术进步方向才能在未来的产业竞争中处于优势，因此需要对氢燃气轮机技术进步趋势做进一步分析。
（一）短期
从短期来看，发展新型燃烧技术以提高掺氢比例是主要研究方向。工业界致力于到2030年使燃气轮机完全使用可再生气体燃料，而氢气燃烧产生的回火、自燃、热声、氮氧化物排放高等问题始终制约着氢燃料的发展，掺氢比例的提高将会加剧此类问题对燃气轮机的影响。氢气含量上限与燃气轮机的燃烧温度和使用的燃烧技术有关。因此有必要发展先进燃烧技术以解决上述问题，例如扩散火焰、贫油预混、增压燃烧等先进技术。
（二）长期
长期来看，能否提高热效率仍然是决定燃气轮机市场竞争力的关键，2030年的发展目标是使氢燃气轮机的热效率达到65%以上。提高热效率的关键在于建立联合循环，这就需要对整体系统结构进行改进。同时新材料的应用对于提高热效率也有重要意义，材料部门的任务包括：评估和开发隔热涂层（TBC），以满足燃烧合成气和氢燃料的先进燃气轮机所需的性能和耐久性；将冷却高温陶瓷基复合材料喷嘴用于氢燃气轮机以提高热效率。需要开发的新型制造技术包括：大尺寸高温合金（单晶、定向结晶）铸造、复杂结构高温合金无余量精密铸造、高精度与高质量3D打印等。开发新材料和新制造工艺是一个长期过程，其对提高氢燃气轮机整体性能具有重要意义。
五、我国氢燃气轮机技术发展建议
（一）政府牵头，组织核心技术攻关
尽管通过和国外企业的合作能够获得一定的技术转让，但核心技术是买不来的，只有坚持自研、自主创新才能在氢燃气轮机领域掌握发展主动权。政府应组织中航动力、东方电气、哈尔滨电气、上海电气等国内企业会同科研院所和高校等机构进行联合技术攻关，针对材料、关键零部件等应将具有重要地位的上游企业也纳入相关合作体系中。在政府部门的组织调动下相关技术难点将会逐步攻克，我国重型氢燃气轮机的国产化率将会进一步提升。
（二）政策引领，加大产业扶持力度
产业扶持政策的出台将会有效推动我国氢燃气轮机产业发展和技术进步。首先，完善技术标准，通过对氢燃气轮机的技术标准进行细化来明确企业的发展目标。其次，对关键领域进行精准补贴，使我国企业在透平叶片、燃烧室气阀等关键领域能够与国外厂商进行竞争。最后，广泛开展掺氢、纯氢燃烧的项目示范，依托现有天然气基础设施，开展管道掺氢和燃气轮机掺氢示范，在风光条件好的现有可再生氢基地建立纯氢燃气轮机运行示范，积极培育氢燃气轮机产业链。
（三）产学研融合，有力促进成果转化
产学研深度融合是促进经济发展和科技创新的重要手段，在氢燃气轮机领域同样能发挥重要作用。氢燃气轮机基础理论的进步对技术和产业的发展具有巨大推动作用，促进产学研融合与科技成果转化将会激励高校、科研院所在氢燃气轮机基础理论上开展深入研究。同时，产学研深度融合也有利于专业人才的培养，提高人才资源的配置效率。产学研深度融合有利于增强产业核心竞争力，进而形成产业集群，推动产业集群的发展和壮大。
来源：中国产业发展促进会氢能分会
