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繼《歐洲綠色協議》之后，歐盟制定了到2050年實現氣候中和的目標，這與美國和許多其他加入《巴黎協議》的國家很相似。為了實現這一目標，溫室氣體的排放不能超過捕獲和存儲，這意味著化石燃料將不可避免地需要逐步淘汰。在發電方面，氫被視為聯合循環電廠的潛在燃料，可以提供可靠的、無碳排放的可調度電力。
SS&A電力咨詢公司最近對電力公司、設備供應商、EPC(工程、采購和建設)承包商、投資者、石油和天然氣公司和顧問進行了一項調查，59%的參與調查的公司表示，氫在公司未來的戰略中扮演著重要或非常重要的角色，62%的公司表示，他們正專注于在燃氣輪機上的應用。在過去的一年里，宣布新的氫開發和投資計劃的數量呈指數級增長。在這篇文章中，將討論聯合循環燃氣輪機氫燃料的考慮和機會。
氫的能量密度
燃氣輪機的體積氫含量與碳強度之間存在非線性關系(圖1)。氫氣的能量密度低于天然氣。如果在熱含量的基礎上進行比較，氫氣的熱含量與碳強度之間的關系是線性的。其結果是，體積氫含量的低百分比對減少二氧化碳排放的影響很小。如果降低碳足跡是目標，那么更可取的是盡快將體積氫含量提高到100%。
燃氣輪機燃燒氫氣的挑戰
在燃氣輪機中燃燒氫氣的挑戰來自于氫氣不同于天然氣的特性，如增加的反應性、點火延遲時間和熱聲特性。從表1中可以看出，氫的性質通常與傳統燃料有很大的不同。這并不一定是一件壞事，但它確實需要考慮到在燃氣輪機中有效地燃燒氫。
在氫燃燒過程中，由于氫的反應性增加，火焰位置有更大的向上移動的趨勢。如果不加以考慮，則會增加回閃的風險，對上游組件造成損害。目前的燃燒系統經常通過改變燃料參數來降低閃回風險。
此外，當氫含量較高時，較低的點火延遲時間會增加不必要的自燃風險。其次，與天然氣相比，氫燃燒時的熱聲幅值和頻率也不同，這可能對燃燒穩定性產生影響。
此外還出現了幾個較小的挑戰。氫氣的體積低熱值(LHV)低于天然氣，這意味著在相同的火電功率下，需要更大的體積流量運行。燃燒氫氣也會增加廢氣中的水分含量，導致向熱氣體路徑組件的傳熱增加，這將需要更多的冷卻。水分含量的增加也會使熱腐蝕更容易發生，可能會降低某些部件的壽命。
工廠對氫氣準備的考慮
氮氧化物的排放。在聯合循環燃氣輪機中燃燒氫，由于氫的火焰溫度較高，會導致較高的氮氧化物排放。因此，在現有聯合循環發電廠引入氫氣可能會導致氮氧化物排放超標。選擇性催化還原(SCR)可能是解決NOx生成問題的一種改進方案。通過催化還原過程，NOx轉化為氮氣和水。通常，氨或氨的衍生物被用作還原劑。還原劑被加入到煙氣中，并與催化劑反應。
可控硅系統的局限性包括污染、堵塞和有限的壽命。當溫度較低時，不會發生NOx的還原，導致氨在通過SCR未反應時發生滑移。對于現有的發電廠，如果安裝了現有的SCR功能，可能有一定的能力接受氮氧化物排放的增加。否則，改造可控硅或增加已安裝可控硅的容量可能提供一個解決方案。
燃燒系統在燃燒氫氣而不超過NOx限制方面發揮著關鍵作用。在燃燒系統中經常使用的減少NOx生成的方法是減少燃料噴射，在預混燃燒器中使用更少的混合燃料，或者在擴散燃燒器中使用惰性成分進行預混。上述方法導致較低的火焰溫度，但不幸的是，也較低的出口溫度，因此導致性能略有下降。
當蒸汽被用作稀釋劑時，擴散燃燒器已經能夠處理富氫燃料，甚至是純氫燃料。然而，使用蒸汽作為稀釋劑將需要大量的高純水，產生蒸汽需要額外的能量，并且由于熱傳遞增加，可能增加熱氣體路徑部件的壓力。因此，預混燃燒室干式低nox (DLN)技術是目前氫渦輪研究的重點。DLN技術的最新發展已經證明，能夠在h級渦輪機中使用含有高達50vol%氫氣的燃料，并可達到100vol%的能力。
空間。當一個傳統的天然氣渦輪機被改裝以燃燒氫氣時，需要做一些調整。改變包括拓寬管道和改變材料，以適應更高的體積流量和防止氫脆。在改造過程中，并不總是有空間容納更寬的管道，因此，如果將來工廠有可能靠氫氣運行，建議建造更大直徑的管道，以容納所需的氫氣量。如果渦輪機需要提升中軸以適應更寬的管道，那么對系統進行氫改造在經濟上可能是不可行的。
由于氫的體積能量含量比天然氣低3倍左右，所以在同等能量含量的情況下，氫占據的空間會更大。在現場儲存一些氫氣，即使在氫氣供應中斷的情況下，仍可連續運行，這可能是有利的。這可能會影響工廠的總體布局，并需要額外的空間，因為還需要在儲氫罐周圍設置安全區。
阻礙富氫燃料發展的一個經常被忽視的問題是，公用事業規模的燃氣渦輪機所需的大量氫氣供應。目前的電解廠不能持續地為大型廠提供氫氣，使其以高氫燃料運行。例如，目前，NEL M5000，一種較大的現成的氫電解槽，只能提供大約1.2%的氫來運行571兆瓦的GE 9HA。02渦輪由100%氫氣驅動。隨著市場對氫氣的適應，這一數字必然會增加，但如果氫在現場電解，則需要考慮空間問題。
管道。在管道輸送氫氣時，必須考慮輸送壓力和溫度，以避免氫氣在管道和輔助設備中發生脆化。氫氣通常被壓縮到35巴至150巴之間用于管道傳輸;然而，為許多終端用戶提供氣體的分配系統通常在壓力小于7巴的情況下運行。直徑較大的管道在較低的壓力下可以提供相同質量的流量。
在石油和天然氣應用中遇到的最大溫度為50 bar和100℃時，不銹鋼設備中不會發生氫脆，但將溫度提高到200℃左右可能會導致H2通過材料遷移。這可能是一個問題，當預熱氫氣是為了提高性能，盡管316L級不銹鋼被認為是非常適合減少這一影響。
如果加以考慮，很容易避免設備的氫脆。在燃氣輪機中，可能需要實施新的燃燒系統，這將需要新的燃料附件管道和閥門。為了容納更小的氫分子，可能還需要安裝新的燃料橇。
新安裝的低壓氣體分配管道通常由聚乙烯或纖維增強聚合物制成。如果這些管道已經到位，或者只需要運輸氫氣和天然氣的混合物，只需要做很小的改變。在輸送純氫的時候需要更多的考慮。
燃料處理。在處理氣體時也需要考慮一些問題。由于氫是一種非常輕的氣體，它的分子非常小，以至于它可以擴散到一些材料中，包括某些類型的鋼鐵管道，從而增加了它們失效的幾率。體積較小的氫分子也比體積較大的分子(如天然氣)更容易通過密封件和連接器逃逸。
氫氣是一種無毒氣體，但其火焰速度高、點火范圍廣、點火能量低，使其極易燃燒，且其浮力和擴散系數高，消散速度快，降低了爆炸風險。氫無色無味，而且燃燒時的火焰肉眼看不到，這使得泄漏和火災更難被探測到。氫的這些特性需要改變，以減輕安全問題。這些變化包括能夠檢測氫氣火焰的火焰探測器，以及由于燃料中天然氣含量減少而能夠檢測烴類含量減少的氣體的升級氣體傳感器。外殼和通風系統可能需要改進，以減少爆炸和火災風險。
然而，在工業上使用氫已經有幾十年的經驗，包括在大型、專用的分配管道中，這些地點的安全處理協議已經到位。在國際層面上，還沒有發布關于燃氣輪機氫氣操作的標準。
其他的考慮。除了上述考慮之外，還應審查對現有工廠的其他適應性。由于可能較高的廢氣能量，熱回收蒸汽發生器(HRSG)可能需要調整，這可能是一項重大的資本支出。控制系統也可能需要進行小的更新，這可能會影響燃氣輪機的性能，包括輸出和熱速率。如果工廠有長期服務協議，則需要與服務提供商討論燃料中氫含量的增加，因為這可能會增加維護成本。
當改用氫含量更高的燃料時的考慮總結
由于其靈活性，改變燃氣輪機燃料可能與一些重新配置，允許使用現有的燃氣輪機設備。然而，所需變化的大小取決于燃料中氫的含量。低氫燃料的燃燒通常只需要很小的改變，但配置燃氣渦輪機只燃燒氫將需要對工廠進行徹底的檢查。
如果新燃料將是天然氣中的氫的混合物，所需的變化可能僅限于控制裝置的更新和新的燃燒室燃料噴嘴。許多變體取決于應用程序。需要在案例研究中評審所需的更改。表2顯示了聯合循環發電廠燃燒氫的主要考慮因素。
當前的發展
一家為氫燃料燃氣輪機鋪平道路的公司是瑞士的SS&A電力集團，專門從事燃氣輪機技術。G2P亞得里亞海AD是它的子公司之一，目前正在進行一個項目，用一個200兆瓦的燃氣電廠取代黑山的一個老的燃煤電廠，并直接生產氫燃料。該項目的目標是包括整個氫鏈，包括綠色氫的產生。
此外，SS&A電力咨詢公司正在為現有的工廠業主提供關于燃氣渦輪機用氫的建議，包括關于氫的改造選項的可行性研究。許多業主也把準備氫氣作為新建聯合循環電廠的一個重要考慮因素。當法規要求時，或者當它具有經濟優勢時，有能力轉換為氫氣，被視為一種“防未來”的燃氣技術，以確保電廠能夠長期保持競爭力。
隨著氫能在能源產業中站穩腳跟，氫能的發展必然會接踵而至，增加經濟和技術的可行性，使氫能在綠色和強大的能源產業中得以實施。
