科技日报记者 孙瑜
记者从国家电力投资集团湖北公司获悉，7月14日12时30分，鄂中区域公司荆门燃机项目热网东线工程高能环保段蒸汽正式并入主管网供汽。这将提高荆门燃机项目的供热能力和可靠性，增加零碳热源点，成为鄂中区域公司高质量发展新的增长极。
荆门燃机项目由国家电投集团北京重燃能源科技发展有限公司牵头，西门子能源、盈德气体进行协作，并统筹了上海成套院、上海舜华等多个单位，完成了从燃机本体改造、电厂内混氢站建设到厂外供氢全流程的方案设计和组织实施。该项目特色在于“燃气轮机掺氢”。作为国家级重大科技创新专项-燃机掺氢燃烧试验的业主单位，荆门燃机项目分别于2021年12月30日、2022年9月29日相继完成我国首次、全球首例在重型燃机商业机组上实施高比例掺氢燃烧改造试验和科研攻关。
利用在役天然气管道进行掺氢输送，被业内认为是未来实现氢能大规模输送、解决氢能供需错配的重要方向之一。当前，我国各地相继开展天然气掺氢项目，天然气管道掺氢输送相关技术研究如火如荼，成功实现30%掺氢燃烧改造和运行的荆门燃机项目能带来哪些启示？天然气掺氢的“双碳”新出路下一步该如何走？
高比例掺氢要攻克回火和排放难题
走进国家电投荆门绿动能源有限公司，记者见到了4根卸氢柱、大型调压设备、配套管道设施及燃气轮机控制系统。
“氢气供应商通过高压管束车将氢气运到公司卸氢柱，氢气卸下来后要进行2次调压，然后在混氢罐管道中同天然气进行掺和，最终通过燃气轮机实现生产发电和蒸汽生产电、热。”国家电投湖北鄂中区域公司副总经理负责人于红伟向科技日报记者介绍了荆门燃机项目运行流程。
他告诉记者，项目配套建设了热力管网，以电、热、水、冷多联供的方式实施综合能源供应，实现较高的能源综合利用率，替代了区域的分散锅炉，为荆门高新产业园亿纬锂能、格林美、恩捷等重点大型上市公司提供热力供应。
“30%掺氢燃烧，此前在国际上没有商业机组实现过这么高的比例。”于红伟表示，为实现30%天然气掺氢燃烧试验，科研人员攻克了多项难题。其中，最困难的当属回火和达标排放问题。
于红伟解释道：“氢气和天然气具有不同的物理化学特性，这导致两者在管道中的着火点等燃烧条件不同，易产生回火难题。回火极易破坏燃烧稳定性，对点火器和管道设备都会产生极大的损坏。”
面对这一难题，项目团队对燃机的燃烧器和控制系统进行了改造，多次进行掺氢试验和设备调试。通过多种实验找到混合气体的中间值，团队最终攻克燃机高比例掺氢带来的回火难题。
不仅如此，项目团队还实现了大规模掺氢掺混精准控制技术与燃机的联调技术，使改造后的燃机机组具备纯天然气和天然气掺氢两种运行模式的兼容能力，可在0%-30%掺氢运行条件下自由切换。
“在环保排放方面，降低氮氧化物是一大难题。”国家电投湖北公司鄂中区域公司副总经理白红涛说，由于混合气体带来的变化，原有天然气排放调节系统难以适应新的工况，难以达到氮氧化物排放低于50毫克每立方米的国家规定。
“通过反复实验和对设备进行调试改动，燃机最终实现了氮氧化物达标排放。”白红涛表示，目前，燃机在掺氢运行过程中，环保排放等各项指标合格稳定，减碳效果显著，仅荆门一台54兆瓦的燃机掺氢30%情况下，每年可减少二氧化碳排放达1.8万吨以上。
大规模商业应用要降低用氢成本
在现役天然气机组中增加氢燃料来源，不仅能够有效缓解天然气用气量，保证冬季供暖安全稳定，同时具有积极减碳效应。此外，氢燃气轮机可化解我国天然气紧缺导致的燃机行业发展阻力，有利于推动燃气轮机高端装备制造产业升级。
相关数据显示，截至2020年年底，全球天然气掺氢项目约40个。多个国家已将天然气掺氢的应用列入国家规划中，旨在通过天然气掺氢技术实现建筑和工业供热领域深度脱碳。
天然气掺氢具有减碳、制造业升级、调整优化产业和能源结构等重要优势，但其目前在民用和工业领域的直接应用较少，局限于荆门燃机项目等小规模定点示范。
于红伟告诉记者，未来，荆门燃机项目或将继续提高掺氢比例进行燃机掺氢研究，为加速国内自主氢燃机开发和运行积累经验。同时在探索大规模天然气掺氢商业应用方面，荆门燃机项目还要降低用氢成本。
白红涛给记者算了一笔账：目前荆门燃机项目购天然气每立方米大约2.7元，购氢气每立方米3元。大约3立方米氢气同1立方米天然气的燃烧热值接近。“什么时候1方氢气的价格降到0.9元了，掺氢燃烧就具有经济效益了。”他说。
这也为全国其他地区天然气掺氢项目提供了启示：在具有制氢、输氢、储氢区位优势的地方，掺氢项目更具大规模商业化优势。
除降低用氢成本，打开天然气掺氢大规模商业应用场景，还需进一步完善顶层设计规划和相关标准体系，推进终端燃气具技术迭代，加强掺氢天然气应用安全风险管理。
今年3月发布的《天然气管道掺氢输送及终端利用可行性研究报告》预测，“十四五”时期，新增天然气管道掺氢示范项目15-25个，掺氢比例3%-20%，氢气消纳量15万吨/年，总长度1000公里以上。
中国城市燃气协会理事长刘贺明认为，我国具备较好的发展天然气管道掺氢输送技术的产业基础。“目前我国城镇天然气管道为113.5万公里，用气人口为5.3亿人。未来15-20年，我国天然气将得到进一步发展，天然气管网基础设施建设，将为氢能运输和储存提供更大可能性与空间。”
