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未来智慧能源系统中的微型燃气轮机:机群监控、诊断和系统发展方向(三)

 阿明哥哥资料区 2023-12-18 发布于上海

微型燃气轮机燃料发展趋势

        目前典型运行燃料一直是天然气,随着微型燃机应用场景的多样化,以及天然气燃料价格的波动,近年来替代燃料变得越来越普遍。很多OEM厂家的研究都已集中在微型燃气轮机的燃料灵活性上。使用不同燃料,特别是低热值燃料,势必改变原有燃机燃烧器的燃空比参数。由于微型燃机压气机设计通常采用低压比模式,所以一般是重新设计燃烧室以满足较低等级燃料的需求,一些制造商选择可以增加模块化的外部燃烧配置。由安萨尔多能源公司和卡普斯通公司生产的商业燃气轮机可以使用沼气,也可以使用外部燃烧的其他燃料。奥雷里亚涡轮机A400也可以使用多种燃料,包括氢。小到MTT3 千瓦微型燃气轮机已经用含有氢和甲烷的燃料混合物进行了测试,并对燃烧室,特别是燃烧喷嘴的阀门参数进行了修改,以实现更快的火焰特性并防止闪回。

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        氢的使用因其零排放而备受推崇,并且长期以来一直被建议作为储能燃料。这一途径可以利用风能和太阳能等可再生能源的短时期难以消纳的剩余能源对水进行电解以生产氢气。然而,氢的使用并非没有挑战。使用氢气运行燃气轮机需要对其燃烧室进行重大改变,并且与化石燃料相比,燃料在单位体积能量方面的密度较低,通常为三分之一大小。氢气运输和储存的要求意味着需要专用设施,这是其广泛使用的主要绊脚石。在对该领域研究的全面回顾中,得出结论,气体或液体形式的压缩氢具有多重局限性,而固态存储解决方案显示出潜力,但尚未满足实用和经济储氢的所有标准。所以目前形成一定共识的是,将置备完成的氢气直接注入现有天然气管道之中,与天然气混合,形成氢气比例较高的的天然气,逐步替代100%天然气。

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        另一种思路是将氢气的碳基化合物合成。因为由氢气生产的替代燃料可以克服物理及化学的一些限制,使其具有更高的能量密度,更容易储存。将从不同来源捕获的碳加入氢中,可以形成温室气体净排放为零的碳氢化合物,这种合成燃料可以用于不同的发动机。完全使用可再生能源生产的可再生合成燃料(电子燃料)被誉为实现可持续交通的途径。这些燃料包括e-甲烷、e-柴油、e-甲醇。另一种燃料选择是氨,它可以通过相同的途径产生,不过其毒性相对更大,且仍有其他缺点,如低可燃性、高氮氧化物排放和低辐射强度。尽管在燃气轮机的燃料混合物中使用氨的有效燃烧范围很窄,但对氨燃料燃气轮机的研究一直在增加,并在实验室条件下已有实现了100%氨燃烧的案例。三菱动力的目标是在2025年左右将第一台40兆瓦规模的氨燃料燃气轮机商业化,即利用位于日本高砂市的新T-point实验平台,使用新型多孔预混燃烧器技术,让一台H25型燃气轮机燃烧氨气。当然这条路线也并非一劳永逸,目前的电子燃料所产生能量的效率普遍较低,成本也较高,来自可再生能源的能源虽然其趋势是逐渐廉价化,但电解工艺本身效率有限,运营成本较高,这是氢生产的限制因素,所以,较为可取的经济模式就是允许合成不同的燃料来应对商业运营的挑战。

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        目前被利用作为替代燃料的方案基本上都是不可再生资源,例如化工等行业的尾气等,但生产碳中性燃料将要求该过程中输入的能量本身是完全可再生的。来自生物质(生物燃料)的燃料,如甲醇、乙醇或生物柴油,在产生的单一产业链上被视为是可再生能源,但这些替代方案终究与其生态足迹,或者与人类经济整体结构被一起讨论时,就转换为一个有争议的话题,例如某些简单逻辑可行的途径被发现并不可持续,另一些则具有明显的的生态和社会经济影响。

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