于永堂：純氫及摻氫內燃機發(fā)電技術(shù)及案例分享

編者按：在“雙碳”背景下分布式能源領(lǐng)域貫徹新發(fā)展理念，以“雙碳背景下能源安全新思維——新型分布式綜合能源保障”為主題的“第十八屆中國分布式能源國際論壇”于2022年12月8日在北京采用線(xiàn)上的形式召開(kāi)，本次大會(huì )由中國能源研究會(huì )與中國能源網(wǎng)聯(lián)合主辦。會(huì )上，卡特彼勒電力事業(yè)部資深行業(yè)經(jīng)理于永堂做了主題為《純氫及摻氫內燃機發(fā)電技術(shù)及案例分享》的報告。

以下內容根據論壇演講實(shí)錄進(jìn)行整理。

于永堂：各位專(zhuān)家，各位領(lǐng)導下午好！朱總對上游摻氫和純氫管道運輸進(jìn)行了介紹，我們作為下游的企業(yè)，終端的設備企業(yè)，我們已經(jīng)準備好了，我對卡特彼勒純氫燃機內燃發(fā)電機和摻氫內燃發(fā)電機做一下介紹。

我分四部分，一個(gè)是卡特彼勒公司的介紹，燃氣發(fā)電市場(chǎng)的應用，還有今天的重點(diǎn)純氫和摻氫內燃機的技術(shù)介紹，分享一下我們整個(gè)卡特彼勒分布式能源用的燃氣發(fā)電機組的介紹和案例的介紹。

卡特彼勒公司是非常大的公司，去年總的銷(xiāo)售收入510億美金，我們不但是世界上最大的工程機械生產(chǎn)常見(jiàn)，同時(shí)是技術(shù)在柴油發(fā)電機和整個(gè)燃氣發(fā)電機組是技術(shù)非常領(lǐng)先的公司。我們卡特彼勒公司三大業(yè)務(wù)板塊，卡特彼挖掘機，屬于基礎建設事業(yè)部的，還有礦山機械，我們叫資源行業(yè)，卡特彼勒整個(gè)燃氣發(fā)電機組屬于電力系統，它歸屬到能源與交通業(yè)務(wù)這個(gè)領(lǐng)域，我們能源與交通業(yè)務(wù)領(lǐng)域分的還是非常廣的，一個(gè)是石油天然氣的應用，還有鐵路，工業(yè)發(fā)動(dòng)機的應用。

后面我們介紹一下整個(gè)卡特彼勒燃氣發(fā)電機市場(chǎng)的應用，卡特彼勒燃氣發(fā)電機市場(chǎng)的應用非常廣，可以說(shuō)在我們市場(chǎng)生活的各個(gè)角落都非常多的應用，像分布式發(fā)電，分布式能源，商業(yè)樓宇這些東西，同時(shí)對于一些沼氣，垃圾天然氣，還有瓦斯氣都是有非常廣的應用。同時(shí)我們針對當前提出100%純氫和摻氫有一些應用。

卡特彼勒燃氣發(fā)電機組的型號非常多，我們的功率覆蓋范圍從217千瓦到了4500千瓦，4.5兆瓦，整個(gè)功能覆蓋范圍非常廣，我們在北美地區有一些更小的10千瓦，20千瓦，是針對北美市場(chǎng)的。同時(shí)我們卡特彼勒還有一個(gè)燃氣發(fā)電機的備用機組，這個(gè)備用機組是100%加載的。本來(lái)我們昨天有介紹，因為有一些特殊的原因安排在明天，明天我們會(huì )做更詳細的介紹。我們燃氣發(fā)電機組不但與天然氣可以用，沼氣可以用，我們型號特別多，在30多種的型號。這個(gè)型號多了，我們有三個(gè)生產(chǎn)廠(chǎng)，一個(gè)在美國，還有德國，還有中國天津卡特彼勒天津有限公司生產(chǎn)的大的發(fā)動(dòng)機，它的生產(chǎn)燃氣是和美國完全一致的。

后面對卡特彼勒摻氫和純氫燃氣發(fā)電機進(jìn)行介紹。我們都知道對于可再生能源氫氣來(lái)講現在是一個(gè)熱電，我們整個(gè)應用，包括100%純氫的利用，還有摻氫的利用，摻氫的利用我們在后面會(huì )單獨的介紹，這里20%針對國內摻氫，我們可以適應25%的燃氣發(fā)電機組的應用。我重點(diǎn)介紹一下100%的純氫，卡特彼勒推出來(lái)了G36H的純氫內燃機的發(fā)電機組，對現在講摻氫，還有純氫，綠氫的應用時(shí)間是有一些滯后的，這對當前我們國內灰氫，藍氫，我們已經(jīng)準備好了，我們的氫氣來(lái)源非常廣。我們現在對于這個(gè)市場(chǎng)，綠氫的業(yè)務(wù)還是少，但是也會(huì )有，明天我會(huì )做一些重點(diǎn)的介紹，今天不再繼續展開(kāi)講了。

這是100%純氫，針對當前市場(chǎng)需求，我們推出了1250千瓦，50赫茲，60赫茲都可以用的連續主用或者負載管理，負載管理，這是北美市場(chǎng)的說(shuō)法相當于調峰和緊急備用的工況，我們這個(gè)機組在G3500系列超過(guò)35年應用的平臺上開(kāi)發(fā)出來(lái)的，這個(gè)發(fā)電機組具有非常好的功率密度和效率，在1500轉領(lǐng)域，當前100%純氫我們的效率是最高的，這款機器不但可以主用，也可以作為備用，非常適合電力平衡市場(chǎng)，也就是說(shuō)整個(gè)電力管理的市場(chǎng)。同時(shí)我們這個(gè)機器，因為是純氫，可以做到零碳排放，這看機器在生命周期是最低的，我們低于天然氣的平臺應用經(jīng)驗上開(kāi)發(fā)出來(lái)的。

我們針對純氫的，剛才朱總也講到，100%純氫的時(shí)候因為它的燃燒特性和天然氣的燃燒特性完全不一樣，我們開(kāi)發(fā)機器的時(shí)候單獨做了特殊的設計，避免氫氣產(chǎn)生不正常的燃燒，我們知道氫氣的點(diǎn)火能量低，并且燃燒速度特別快，很容易造成回火，如果利用傳統燃氣系統，很容易造成回火，我們卡特彼勒單獨開(kāi)發(fā)了氫氣進(jìn)氣的氣噴射技術(shù)，針對剛才講的，因為它的燃燒特性不一樣，我們不能夠依賴(lài)于天然氣傳統傳感器控制燃燒，傳感器是發(fā)生之后進(jìn)行控制，但是由于剛才講的氫氣燃燒特性，速度非?？?，如果用傳統的方式根本不能保證它的正常燃燒，這個(gè)時(shí)候我們單獨做了一個(gè)氣管壓力感應的模式，使氫氣的燃燒控制更加穩定，同時(shí)排放更加低。

還有我們用更加準確的控制方式控制燃燒比例，這是我們電子模塊控制單元，我們叫ECM，電子工程模塊在發(fā)動(dòng)機上安裝的，所有的設備，傳感器，控制系統都是安裝在發(fā)動(dòng)機上的，控制更加的穩定，同時(shí)我們電子控制模塊對應用環(huán)境特別的適應，不管低溫還是高溫。我們所有的傳感器，還有信號傳到ECM，ECM可以進(jìn)行電子控制，轉速控制，還有負載圖譜的控制，還有氫氣控制，通過(guò)控制所有的功能來(lái)實(shí)現我們發(fā)動(dòng)機和發(fā)電機組的正常工作。

另外我們G3500H，在線(xiàn)率和可靠性是非常高的，我們基于一些經(jīng)驗做了很多特殊的設計，采用了切口式的設計，使我們的油耗非常低，如果用卡特彼勒特殊的合成機油，機油消耗可以說(shuō)是我們競爭對手的1/3都不到，非常低，同時(shí)我們3500H系列采用了調節氣功能，這是氣門(mén)間歇調整達到4000小時(shí)，有別于傳統的1000個(gè)小時(shí)做一個(gè)調整，大大節省停機時(shí)間，使在線(xiàn)率有非常大的提高?？ㄌ乇死盏臋C器并不是針對發(fā)電應用，我們還要照顧工業(yè)級的應用，火車(chē)的應用，我們的水泵都是可以選擇機器自帶，這樣就不需要用交流電帶一些電泵，實(shí)現機油的冷卻，潤滑，這個(gè)機器非常的容易實(shí)現啟動(dòng)，我們不需要UPS，我們需要24伏的電可以完成啟動(dòng)。

同時(shí)大修周期特別長(cháng)，基于我們3500H天然氣發(fā)動(dòng)機組壽命周期得來(lái)的，我們G3500H在天然氣應用功率是2000千瓦的，我們用的純氫內燃機組的時(shí)候1250千瓦，所以負載負荷更加小，壽命會(huì )更加長(cháng)。我們這個(gè)機組占地小，很多的附件都在機器上安裝好了。

還有最重要的我們由于燃氣的燃燒特性，氫氣非常容易回火，我們通過(guò)氫氣的噴射技術(shù)，還有主動(dòng)控制燃燒壓力，這是主動(dòng)的控制行為，如果氫氣不正常燃燒的時(shí)候或者發(fā)生故障的時(shí)候，如果有回火的時(shí)候，我們有最后一道防線(xiàn)，我們在每個(gè)氫氣氣管里有阻火器，有很多小的鋼絲網(wǎng)，萬(wàn)一產(chǎn)生回火，回火也會(huì )在阻火器進(jìn)行熄滅，避免產(chǎn)生回到氣管里的回火風(fēng)險。在國內我沒(méi)有看到，我去韓國的時(shí)候看到過(guò)一個(gè)競爭對手的，整個(gè)回火之后，缸體和缸蓋全炸開(kāi)了，我們卡特彼勒有一個(gè)阻火器，所有的燃氣發(fā)電機組卡特彼勒都是有的，可以說(shuō)這是我們最后的安全措施，我們可以主動(dòng)避免回火，還有一個(gè)被動(dòng)的安全裝置。

時(shí)間有限，我不能具體的展開(kāi)，我簡(jiǎn)單對比一下我們G3500H純氫發(fā)電機組的優(yōu)勢，這是針對燃料電池講的，大家都知道純氫只能做燃料電池應用，以前可以這么認為，但是通過(guò)今天介紹之后純氫內燃機可以做很好的利用，因為它有很多的優(yōu)點(diǎn)。首先它的初次投資成本比較低，基本上和天然氣機組的費用是持平的，因為所有的配套也是一致的，唯一的就是燃氣的來(lái)源不一樣，原來(lái)是天然氣管道里面，現在是純氫，單獨的配套。同時(shí)我們對G3516H純氫內燃發(fā)電機組1500轉功率是最大的，發(fā)電效率最高，燃氣內燃機對氫氣的純度要求必須低，我們燃氣內燃機對氫氣的濃度要求是根據ISO14687，A級的標準作為一個(gè)參考的。

我們只要要求氫氣的濃度超過(guò)98%就可以了，遠遠低于燃料電池要求各純度是99.97%，同時(shí)我們對于的要求是比較低的，一氧化碳，硫化氫，我們有要求，但是不至于像燃料電池要求那么低，燃料電池對一氧化碳和硫化氫特別的敏感，整個(gè)一氧化碳和硫化氫對燃料電池的鉑金催化劑具有非常好的親和作用，如果一氧化碳濃度和氯化氫的濃度高，很容易造成中毒，使燃料電池失去應有的特性，燃料電池對一氧化碳要求的濃度是0.2個(gè)PPM，所以S對這個(gè)要求的純度非常高，燃料電池對于整個(gè)氫氣的純度要求高，整個(gè)花費也是非常高的。

同時(shí)氫氣內燃發(fā)動(dòng)機對發(fā)電機組的啟動(dòng)是非常迅速的，加載是非常容易的?？梢栽诤芏痰臅r(shí)間內完成加載，我們的工作范圍廣，通過(guò)自帶的一些冷卻回路加熱系統，在低溫環(huán)境下不會(huì )受影響，做到零下30幾度，零下50度都沒(méi)有影響，這是和我們整個(gè)燃料電池作為一個(gè)比較，更加不一樣，燃料電池我們知道通過(guò)反映之后產(chǎn)生的是水，需要做保溫，我們就完全不受影響。同時(shí)綜合效率不錯，達到80.5%，在最大負載的時(shí)候效率最高，這樣有別于燃料電池在負載大的時(shí)候效率也是不錯，但是會(huì )影響壽命。

另外剛才講的我們整個(gè)自帶水泵，最好的應用綠氫產(chǎn)生的時(shí)候很好的儲能，我們可以做到啟動(dòng)，不需要交流電，這一點(diǎn)我明天會(huì )講。另外大修周期長(cháng)，基于天然氣的經(jīng)驗來(lái)的，同時(shí)成本非常低。剛才講了機組結構尺寸，面積小，可以就近安裝，很適于分布式發(fā)電安裝的要求。這個(gè)對于100%純氫介紹，后面是對天然氣摻氫的介紹，我們對全線(xiàn)天然氣機組都已經(jīng)準備好25%的天然氣摻氫，摻氫之后有幾大優(yōu)點(diǎn)。根據摻氫的濃度不一樣，二氧化碳的排放相對的降低，大家可以看到一個(gè)圖是綠色的線(xiàn)，根據氫含量不同，二氧化碳排放顯著(zhù)的降低，氮氧化物的排放隨著(zhù)摻氫量的不一樣，會(huì )有顯著(zhù)的下降。

卡特彼勒全線(xiàn)產(chǎn)品，從400千瓦-4500千瓦，不但對一個(gè)新機組選擇摻氫，還是對原來(lái)的機組我們都可以通過(guò)安裝升級包實(shí)現摻氫以后對機組的一些正常應用。同時(shí)摻氫之后天然氣機組的效率會(huì )略有提升，這是好的一方面。

卡特彼勒對摻氫燃氣內燃機有非常多的經(jīng)驗，這是我們做的一些列表，對一個(gè)小機組，800千瓦我們可以做到80%的氫氣，這個(gè)800千瓦是純天然氣的是800千瓦，有氫氣的時(shí)候功率是下降的，就是使機組正常的運轉。我們還有一個(gè)大機組，4.5CG20/16，我們有20多年60%的氫氣燃燒經(jīng)驗，它是有21兆瓦，基本上8臺CG260/16的基礎上做出來(lái)的，氫氣的濃度60%以上，我們有非常豐富的經(jīng)驗應對氫氣的燃燒控制技術(shù)。

我對純氫內燃機的案例進(jìn)行介紹，這是卡特彼勒10年的收入量，基本上每年賣(mài)1000兆瓦，我們有不同的生產(chǎn)廠(chǎng)進(jìn)行全球的銷(xiāo)售。這是我們在美國的卡特彼勒和美國能源部接受他們的一些支持和贊助，卡特彼勒作為主導研究100%純氫內燃發(fā)電機組的案例，同時(shí)對于這個(gè)項目我們可以做到三種不同的應用都可以實(shí)現。

100%純氫，普通的天然氣進(jìn)氣?？梢宰?5%摻氫天然氣的運轉，通過(guò)美國能源部，還有可再生能源辦公室，會(huì )依托我們的項目做一些研究，真正做到剛才我們講的為什么要摻氫，摻氫有哪些優(yōu)勢，一些排放，包括動(dòng)力和效率，都會(huì )在這里進(jìn)行收集，我們明年3月份就會(huì )安裝運轉了。

在國內純氫的情況，卡特彼勒為了更好的提供一些數據，美國安裝之后，在國內也會(huì )有一些相應的案例進(jìn)行跟蹤。講一下我們天然氣的應用，首先是騰訊，上海云數據中心的三聯(lián)供應有，這是兩臺2.5兆瓦的G3520H，我們剛才講的G3500H系列明年到天津工廠(chǎng)進(jìn)行生產(chǎn)，使整個(gè)成本有非常大的下降，這個(gè)項目需要準備兩期，一期上了之后后端的二期沒(méi)有上，剛才講的燃氣價(jià)格還是有一點(diǎn)貴的。

我們有一個(gè)兩臺4.5兆瓦，兩臺CG20/16天然氣發(fā)電機組，這是非常大的天然氣機組，但是完全是孤島的項目，沒(méi)有電網(wǎng)的用電，在前期運行的時(shí)候靠4.5兆瓦供電，使年運行小時(shí)第一年超過(guò)8500小時(shí)，我們整個(gè)一年的時(shí)間8700多小時(shí)，除了保養的時(shí)間我們整個(gè)都是在運轉的。

這是數據中心，合同是非常好的，因為整個(gè)要供電，它的整個(gè)投資成本用一年多的時(shí)間就收回來(lái)了。還有我們青島機場(chǎng)的，這是在2019年完成安裝，兩臺2.5的天然氣發(fā)電機組，比較好的方案是通過(guò)三聯(lián)供+水蓄冷，結合晚上峰谷的時(shí)間產(chǎn)生一些冷水作為備用，第二天的時(shí)候釋放出來(lái)。

我們卡特彼勒是代理體制的銷(xiāo)售，卡特彼勒作為制造商，我們有四大代理做支撐和銷(xiāo)售服務(wù)，如果想對卡特彼勒有更多的了解可以關(guān)注我們的微信號，謝謝大家。