近日，华天航空动力公司（无锡华天燃气轮机有限公司）与全球能源技术与服务巨头贝克休斯公司隆重宣布，双方正式签署首台NovaLT16燃机采购协议。
贝克休斯公司是全球知名的能源技术服务公司，拥有丰富的氢能应用经验，早在2009年起就在意大利建设了全球首个全氢燃气轮机。截至目前，其商业电厂在全球范围内已成功实施超过70个氢燃机项目。
此次签署的燃机采购协议，旨在向国内项目提供最新一代纯氢燃气轮机解决方案，在中国开展纯氢燃烧技术的应用和推广。无锡华天自主研发的2MW级燃气轮机也完成了低排放纯氢构型的开发，即将在华天自建的燃机试验平台开展纯氢燃烧试验测试。至此，华天联手贝克休斯完成1~20MW以内不同功率量级纯氢燃机布局，为国内未来纯氢分布式能源利用场景提供了成熟的解决方案。
双方将持续共同探索更多的技术创新和应用场景，推动纯氢燃烧技术在全国范围内的推广和示范应用，开发更多具有前瞻性的清洁能源技术解决方案，共同应对全球能源挑战，实现可持续发展目标。
一、纯氢燃气轮机的优势
燃氢燃气轮机能够支撑能源行业深度减碳，是衔接风能、太阳能等可再生新能源、新型储能系统、电力系统的可靠性最高、经济性最好的跨季节调节装备。目前各大燃气轮机OEM厂商均承诺在2030年前开发出低排放纯氢燃气轮机，支持全球天然气电网向可再生能源系统的转型。纯氢燃气轮机能够完全使用氢气作为燃料进行燃烧，具有以下显著优势：
① 零碳排放：氢气燃烧的产物主要是水蒸气，不产生二氧化碳，从而显著减少温室气体排放，有助于应对气候变化。
② 高效能量密度：氢的能量密度较高，意味着相同质量的燃料可以产生更多的能量，提高了燃气轮机的效率。
③ 多样化能源来源：氢气可以通过多种途径生产，如电解水、天然气重整、固体燃料气化、生物质转化等，随着电解槽成本、电耗及绿电的价格逐步降低，绿氢将逐步取代灰氢，成为工业领域用氢的主要来源。
④ 高灵活性：氢燃气轮机可以与现有的天然气基础设施部分兼容，具备较好的适应性和灵活性。目前已经在实施的掺氢示范项目表明，低于30%体积比例掺氢不会对现有天然气燃气轮机基础设施产生颠覆性影响，通过相对成本较低的改造即可实现10%以上的碳减排。
表1 目前国内不同途径制氢成本对比
二、氢气的燃烧特性
氢气燃烧特性相对于甲烷变化较大，氢气体积热值仅有甲烷的1/3，但是爆炸极限宽、燃烧速度快、燃烧温度也比甲烷高150℃，因此高氢含量燃气轮机燃烧系统具有以下特点：
① 为达到同样的热负荷，燃料系统需要供应更大的体积流量。
② 燃烧温度是影响热力NOx生成的最敏感参数，其与NOx生成速率呈指数关系。氢气燃烧峰值温度高，产生的热力NOx排放较高。同时因氢气密度低，射流穿透能力弱，易被高速气流快速卷走，带来局部当量比高和高温热点的问题，进而生成大量的NOx。
③ 氢气质量扩散系数是天然气的3倍，火焰速度快10倍，容易快速形成易爆环境，燃烧压力升高率过高或者压力波动。
④ 喷射后势能低，凝聚性低，稳定火焰短，更靠近燃烧器喷嘴，容易发生回火。
⑤ 氢气点火能小，点火浓度宽，极易自燃。
⑥ 氢气的燃烧产物为高温水蒸气，相对于天然气燃烧产物气体成分不同，其焓降也会有所不同，会影响涡轮边界条件甚至改变整个系统的动力学特性。
综上，氢气燃烧过程具有火焰温度高、传播速度快的特点，采用纯氢或掺氢混合燃料的燃气轮机燃烧技术方面存在着自燃、回火、NOx排放超标和燃烧振荡等主要问题。
表2 氢气与甲烷的燃烧特性对比
氢气的火焰传播速度相对其他燃料快（左） 掺氢比对燃烧速度的影响（右）
三、纯氢燃气轮机的技术难点及应对方案
燃气轮机是一种燃料灵活性相对较高的发电或者驱动设备，但是氢气和天然气燃烧特性差异较大，在现有天然气燃烧室开展富氢燃烧会影响燃烧稳定性及整机匹配，带来整机的可靠性及排放问题。
目前典型的应对方案分为两种：
（1）基于成熟构型改进，扩展天然气燃烧室的工作范围。目前各OEM厂商普遍使用的先进低NOx技术的贫预混燃烧室不能直接燃用纯氢，为了避免回火及热声振荡，一般控制燃料中氢气体积分数少于30%，经过适应性改造可以到60~70%，但无法实现全氢燃烧。而使用传统的扩散燃烧室可以控制回火，实现100%燃氢，但为了减少由较高的扩散燃烧火焰温度引起的NOx增加，须要采用注入蒸汽、氮气或者采用成本昂贵的NOx减排装置。
（2）新研适用于全氢燃烧的新型低排放燃烧室。这其中最主流的技术路线当属微混燃烧技术，主要原理是将大尺度火焰转化为多个微小尺度火焰，增强了空气和氢气的局部混合强度，提升了混合均匀度，同时小尺度火焰显著缩短了氢气在高温区的驻留时间，可以大幅度降NOx生成。目前大多数都处在研究开发过程中，基本实现了原理试验验证向工程应用的过渡，污染物排放抑制效果显著。
① 燃烧稳定性
随着含氢量的增大，燃烧火焰变得更短更紧凑，火焰更接近喷嘴，同时还伴有火焰形态的转变。氢气燃烧时，由于燃烧间隔特别短，火焰热释放和压力振荡更容易匹配，增加了热声振荡可能性，特别是在高负荷情况下，极端热负荷或者燃烧模式切换会引起燃烧压力波动，产生极大噪声并造成喷嘴等硬件损坏。
氢气比例对火焰结构的影响
热声振荡造成喷嘴损坏（液体火箭发动机）
热声振荡造成燃气轮机燃烧室头部损坏
为了避免燃烧不稳定发生，需要针对氢气非定常燃烧及热声振荡耦合机理开展研究，将CFD方法和声学法耦合起来，并考虑非线性火焰动力学、真实声学边界、三维结构、流动及参数非均匀分布，解析热声不稳定参数，为全氢燃烧室设计提供指导。因此氢燃烧室设计需要发展大力专业软件或模型，如快速高精度全三维预测方法、燃烧不稳定性分析方法、火焰动力学模型、声学评估分析模型、化学反应及排放分析模型等。
热声振荡快速高精度全三维预测方法
进一步开展氢燃料燃烧室热声振荡试验测试研究，形成模型与试验的双向验证，在此基础上开发稳健的燃烧不稳定检测、回火抑制及燃烧组织控制方法。
热声振荡的非定常仿真及试验测试
② 材料挑战
氢气在高温下对燃气轮机机组各系统材料的要求更为苛刻，容易引发材料脆化和腐蚀，现有的材料需要改进或更换，以应对高温高压氢燃烧环境。对于氢燃料燃气轮机的燃烧室、涡轮等涉高温高压氢服役工况的部件材料（如镍基高温合金等），由于工作温度高，氢会快速渗透进入材料中，导致长期服役时发生高温氢腐蚀开裂失效和氢致表面脱碳，影响部件材料的服役安全。
目前业界主要尝试在现有材料基础上进行改进或开发适用于氢燃料发动机的新材料、开发针对高温氢环境改性的合金材料黏结层。
③ 氮氧化物控制
氢燃烧不会产生硫氧化物和颗粒物，且氮氧化物排放也可以通过优化燃烧技术大幅降低。目前的燃气轮机已经可以通过扩散燃烧方式燃烧纯氢，仍然会产生高NOx排放，选择性催化还原（SCR）可以进一步减小排放，但是需要额外投资。因此，目前业界研究开发的重点是适用于氢燃料的干式低排放（DLN）技术，新型的贫预混、微混技术将大幅减少NOx排放。
未来微混燃烧结构尺寸会更小，以提高燃料和空气喷射速度，有效防止回火，缩短燃气停留时间，提升混合均匀度。并且在现有经验证微通道混合结构基础上，进一步增强旋流或扰流，结合分级燃烧技术，实现超低NOx排放。
④ 氢气存储和输送
氢气的低密度和高可燃性使其存储和输送具有挑战性，一般需要高压（70MPa）或低温（-253℃）条件，增加了基础设施建设和安全运营成本。目前国内众多央企均在布局氢气储运用基础设施及示范项目，为全氢燃气轮机推广奠定了坚实基础。全氢燃气轮机的设计、制造、运行和维护都需要与现有系统进行充分集成和优化，确保系统的安全性、可靠性和经济性。
对于氢燃气轮机，成套燃料供应系统改动较大，应根据燃烧室设计氢气供给需求，包括流量、压力和稳定性等要求，开展氢气输送方案设计，含氢气气源、输运管道、氢气处理系统、氢气供给控制系统、供气压力调节器、流量计和阀门等设备，同时氢气管路材质附件应满足GB50516、50177等相关规定，所用材料材质需考虑防氢脆设计，尽量采用316不锈钢材质，在纯氢介质下能够长期抵制氢脆现象。
表2 常见的氢气运输路径
四、贝克休斯纯氢燃气轮机发展路线
贝克休斯轻型工业燃气轮机系列（NovaLT5/12/16）针对天然气的干式低排放版本目前可以实现30%的掺氢混烧。为了实现100%全氢燃烧，贝克休斯分两个阶段在2026年前实现纯氢低排放燃机开发并逐步推向市场。
第一阶段，基于成熟部分预混燃烧技术实现纯氢稳定燃烧，NOx排放控制在150ppm以下，通过选择性催化还原（SCR）进一步降低至15ppm甚至更低。目前可以实现做到天然气燃烧、掺氢燃烧、纯氢燃烧之间轻松切换，产品在掺氢燃气管线增压站上已经逐步应用。
第二阶段，2023年完成全预混纯氢低排放燃烧技术开发，目前正在HyPowerGT项目支持下开展部件及整机验证，全新设计的DLN纯氢燃烧室全温全压燃烧器上开展性能及排放验证，技术成熟度达到TRL6。2026年在NovaLT16机组上率先应用并开展长时间运行考核，技术成熟度达到TRL7。
贝克休斯纯氢燃气轮机发展路线
LT16纯氢燃气轮机厂内试车
LT16纯氢燃气轮机
华天小型燃气轮机试车台
此次无锡华天公司与贝克休斯公司的合作，不仅标志着双方在能源领域的一次重大突破，也为全氢燃烧技术的应用和推广奠定了坚实基础。我们相信，在双方的共同努力下，一定能够在可持续能源解决方案方面取得显著进展。双方将共同推动技术创新，为全球向低碳未来的过渡贡献力量，树立行业新标杆，为我们的利益相关者创造持久价值。