顏巴赫氫氣和天然氣雙燃料發(fā)電機組

引言

顏巴赫是世界領(lǐng)先的燃氣發(fā)電機組制造商，近六十年來，顏巴赫燃氣發(fā)電機組已經(jīng)成功應(yīng)用在世界各地的多種場景。燃氣種類涵蓋了天然氣、沼氣、垃圾填埋氣、煤層氣、石油伴生氣、垃圾熱解氣、木質(zhì)氣、鋼鐵工業(yè)尾氣(高爐氣、轉(zhuǎn)爐氣、焦?fàn)t氣等)、鐵合金尾氣，以及氫氣等。在含氫燃氣應(yīng)用領(lǐng)域，從1994年開始，顏巴赫燃氣發(fā)電機組就先后在一些歐洲工廠投入運行，例如在西班牙的焦化廠，顏巴赫機組使用了含有約70%氫氣的焦?fàn)t尾氣來發(fā)電。2020年顏巴赫推出了專門應(yīng)用于100%氫氣的燃氣發(fā)電機組。

雙燃料燃氣發(fā)電機組的需求背景

對于一些特定的場合，有些時候一種燃料氣供應(yīng)有限，用戶希望能夠補充或切換到另一種燃料氣，從而保持發(fā)電機組的運行，提供持續(xù)的電能和熱能。這種情況下，由于兩種燃料氣的燃燒特性不同，發(fā)電機組的硬件和軟件可能都需要特殊設(shè)計以滿足同時使用兩種燃料氣的需求，以實現(xiàn)一機兩用，使燃氣發(fā)電機組得到最大化利用。

多年以來，顏巴赫在市場上已經(jīng)成功的運行了許多種類的雙燃料機組，例如使用沼氣和天然氣的雙燃料機組，天然氣和丙烷氣的雙燃料機組，沼氣和丙烷氣的雙燃料機組，冶金尾氣和天然氣的雙燃料機組等。得益于顏巴赫深厚的技術(shù)積累，在此基礎(chǔ)上又根據(jù)用戶需求推出了氫氣和天然氣的雙燃料機型，并且陸續(xù)在多個項目上投入運行。

氫氣/天然氣雙燃料燃氣發(fā)電機組技術(shù)

氫氣和天然氣在特性上有很大的區(qū)別，具體體現(xiàn)在燃燒時的火焰速度、熱值、甲烷指數(shù)等方面。相比于甲烷，氫氣的爆炸極限范圍更寬，燃燒速度更快，需要的點火能量更低，因此氫氣發(fā)電機組設(shè)計時需要更大的空燃比(A/F)。此外，氫氣和天然氣的燃燒溫度不同，燃燒后的煙氣成分不同，渦輪增壓器的出力也不同。

表1 氫氣和天然氣的特性

普通的燃氣發(fā)電機組在天然氣里面混合部分氫氣，只能達到非常有限的氫氣比例。更高的氫氣比例則會導(dǎo)致機組出力下降，易發(fā)生回火，甚至無法運行。

顏巴赫氫氣發(fā)電機組采用了進氣道直噴技術(shù)，氫氣直接從進氣道噴入氣缸。具有單缸獨立的快速的空燃比調(diào)節(jié)能力，能夠有效地避免氫氣被提前點燃，降低回火風(fēng)險，有效避免不正常燃燒的現(xiàn)象。

圖1 顏巴赫氫氣/天然氣雙燃料發(fā)電機組系統(tǒng)示例

氫氣和天然氣雙燃料發(fā)電機組是以純氫氣發(fā)電機組為基礎(chǔ)，同時配置了天然氣的進氣系統(tǒng)，并且渦輪增壓器具有超過常規(guī)單一氣體的調(diào)節(jié)范圍，從而使發(fā)電機組支持氫氣和天然氣“不停機”切換。同時，機組也能夠使用天然氣和氫氣的混合燃氣，氫氣和天然氣可以按照指定比例進行混合，只需要在顏巴赫機組的Diane XT4控制屏上輸入比例值即可，范圍可以從0-100%。

顏巴赫氫氣和天然氣雙燃料發(fā)電機組不僅能使用兩種燃料氣源，同時還具有極高的性能參數(shù)水平。以顏巴赫J(rèn)420發(fā)電機組為例，在使用100%氫氣時，機組功率輸出最高可達1000kW。在使用100%天然氣時，機組輸出功率最高可達1500kW。

表2 J420氫氣/天然氣雙燃料機組主要性能參數(shù)

案例介紹

2020年，顏巴赫氫氣發(fā)電機組在德國漢堡市一個熱電聯(lián)供旗艦項目投入運行。1臺顏巴赫 J416天然氣機組經(jīng)過優(yōu)化，升級成為能夠以 0% 到 100% 的可變氫氣/天然氣混合氣為燃料運行。該項目的成功不僅證明了顏巴赫 4 系列發(fā)電機組可以使用氫氣或天然氣，同時還證實了現(xiàn)有發(fā)電機組經(jīng)過升級改造也可以實現(xiàn)同樣的效果。

圖2 顏巴赫J(rèn)416氫氣/天然氣雙燃料機組

2023年，在荷蘭的一個數(shù)據(jù)中心，6臺顏巴赫氫氣和天然氣雙燃料發(fā)電機組已經(jīng)進行了調(diào)試并開始正式運行。該機組完全替代了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心以柴油發(fā)電機組為備用電源的模式，轉(zhuǎn)而采用純氫發(fā)電機組，提供零碳的解決方案。6臺顏巴赫J(rèn)420機組，在使用純氫氣時單機發(fā)電功率為1MW，在使用天然氣時則可以達到1.5MW。

為了保障數(shù)據(jù)中心的安全性和靈活性，6臺顏巴赫機組被設(shè)計為支持氫氣/天然氣雙燃料，意味著一旦電網(wǎng)中斷，機組能夠使用現(xiàn)場儲存的氫氣立即啟動。對于長時間的電網(wǎng)斷電情況，機組則可以切換為使用管道天然氣，提供長時間持續(xù)可靠的電能，避免了儲存氫氣量有限的制約。

圖3 顏巴赫J(rèn)420氫氣/天然氣雙燃料機組

總結(jié)

顏巴赫燃氣發(fā)電機組為用戶提供了一種面向未來的綠色、靈活、可靠的供能解決方案。氫氣和天然氣雙燃料發(fā)電機組既可以滿足零碳排放的要求，又可以滿足供能持續(xù)性的需求。通過不同燃氣的自由切換或者混合，真正實現(xiàn)了供能方案靈活性和經(jīng)濟性的最大化。