于永堂：卡特彼勒純氫與摻氫燃氣內燃機發(fā)電技術(shù)介紹

編者按：9月14日，第五屆未來(lái)能源大會(huì )舉辦氫能技術(shù)與應用發(fā)展專(zhuān)題論壇，聚焦于氫能領(lǐng)域的前沿技術(shù)和應用發(fā)展。本次論壇由中國能源研究會(huì )氫能專(zhuān)業(yè)委員會(huì )秘書(shū)長(cháng)徐文輝主持，與會(huì )專(zhuān)家學(xué)者從氫能技術(shù)的標準、前沿技術(shù)研究和應用案例等幾個(gè)方面，對氫能產(chǎn)業(yè)以及未來(lái)能源的可持續發(fā)展展開(kāi)深入探討。

卡特彼勒電力事業(yè)部資深行業(yè)經(jīng)理于永堂先生作了《卡特彼勒純氫與摻氫燃氣內燃機發(fā)電技術(shù)介紹》演講。

以下內容根據論壇演講實(shí)錄進(jìn)行整理。

于永堂：謝謝。我首先介紹一下我們講的純氫內燃機發(fā)電，剛才韋總講的是運輸汽車(chē)方面的，我們講的是靜止發(fā)電機方面的。

首先我們卡特彼勒可能知道比較多的就是一個(gè)挖掘機，實(shí)際上卡特彼勒是有三大業(yè)務(wù)塊組成的，一個(gè)是挖機事業(yè)部，還有一個(gè)就是我們中間的能源與交通事業(yè)部，就是我們所在的一個(gè)發(fā)電電力系統，還有一個(gè)就是礦產(chǎn)資源業(yè)務(wù)，也就是礦車(chē)運輸行業(yè)，還有后面的一些補助的金融融資，就不多介紹了。

另外就是卡特彼勒燃氣發(fā)電機組的應用是非常廣的，從廣泛的分布式，還有整個(gè)的污水處理沼氣，還有瓦斯發(fā)電等等都是有的，所以后來(lái)我們用氫能應用以后推出了100%純氫能應用，后面我會(huì )做介紹。當然我們是通過(guò)燃氣發(fā)電機組應用，我們就開(kāi)了冷熱電三聯(lián)供的發(fā)電，還有一個(gè)就是整個(gè)的在北美市場(chǎng)上用的一個(gè)備用的發(fā)電機組關(guān)鍵負載的應用，這方面就是很好的控制我們的碳排放，同時(shí)氮氧化物也有非常大的降低。

另外就是我們這是整個(gè)卡特彼勒燃氣發(fā)電機組的圖譜，從最小的217一直到我們最大的內燃機發(fā)電是4500千瓦，就是4.5兆瓦，我們看一下有G系列，還有CG系列，實(shí)際上就是我們這些產(chǎn)品線(xiàn)大概有30多種機型，我們是在全球有三個(gè)地方生產(chǎn)，一個(gè)是在美國，還有一個(gè)是德國，還有一個(gè)是我們在天津生產(chǎn)的所有的G系列，天津生產(chǎn)的和美國生產(chǎn)的一樣的，就是很多美國生產(chǎn)線(xiàn)都遷移到中國天津這一塊兒來(lái)生產(chǎn)。

這個(gè)圖就是用不同的形式展現氫氣的來(lái)源和用途，我在這里不多說(shuō)，不管是光電解還是水電解，我們也不看是灰氫還是綠氫，這個(gè)是我們整個(gè)的利用。我們大的來(lái)看就是100%的純氫應用，同時(shí)在這里還有在這里講到的就是綠氫，實(shí)際上我們在現實(shí)生活中還有很多的灰氫和副產(chǎn)氫，像后面你們看到的綠解、電解行業(yè)，還有我們的石油行業(yè)，還有焦油、煤氣這一塊兒我們都可以做一些利用。

這個(gè)就是我們整個(gè)的G3516H就是100%純氫，我們這個(gè)氫氣的發(fā)電不像燃料電池99.99或者是99.999，我們一氧化碳對燃料電池是作為一個(gè)催化劑，實(shí)際上一氧化碳對我們內燃機來(lái)講是一種燃料，所以說(shuō)我們對一氧化碳的純度是沒(méi)有要求的，因為我們這些都可以作為燃料的一種來(lái)應用，因為這個(gè)很多特種鋼煉的時(shí)候就含有很高的一氧化碳，是一點(diǎn)問(wèn)題都沒(méi)有的。同時(shí)我們對硫化氫的有害氣體的成分要求也不是特別高，不像燃料電池，它是非常非常小的那種要求。

同時(shí)，我們這個(gè)就是我們這個(gè)3516H是1500轉的，他是額定轉速，這個(gè)時(shí)候我們的氮氧化物排放量是很低的，它的氮氧化物的排放在不同的轉速氮氧化物的排量是很高的，就是怠速的時(shí)候是很高的，但是我們這個(gè)就是100。因為我們這個(gè)是內燃機發(fā)電，后端我們還有尾氣利用全部加起來(lái)可以達到80.5%，這個(gè)就是我們?yōu)槭裁匆v摻氫的利用需求。同時(shí)我們也講到了，我們內燃機，也就是我們氫氣的純發(fā)電機是在內燃機的基礎上開(kāi)發(fā)出來(lái)的，所以它的成本基本上和早期的天然氣發(fā)電機的成本是持平的，同時(shí)維護費用也不會(huì )增加太多。這是大的一個(gè)方向。

還有一個(gè)就是剛才韋總講到了很多內燃機發(fā)電的特性，在這里我就單獨了說(shuō)一下，就不展開(kāi)介紹了，我就說(shuō)一下我們整個(gè)的一些難點(diǎn)是怎么克服的。實(shí)際上在這個(gè)里面，我們因為氫氣的燃燒特性是完全和原來(lái)的天然氣、汽油和甲醛是不一樣的，因為氫氣的點(diǎn)火能量需要的是特別特別低，它需要天然氣點(diǎn)火能量的6%就可以著(zhù)火，汽油的8%，所以很容易造成早燃，甚至于回火。我們知道我們的發(fā)動(dòng)機是有制熱的熱點(diǎn)，所以他很容易造成早燃，還會(huì )有回火，后面我們會(huì )針對這些回火有一些改進(jìn)。我們原來(lái)是通過(guò)爆震來(lái)檢測我們的發(fā)電機是否運轉正常，但是因為氫氣的燃燒速度是天然氣、汽油的七到八倍，所以這個(gè)時(shí)候采用原來(lái)傳統的被動(dòng)檢測已經(jīng)來(lái)不及了，所以這個(gè)時(shí)候我們是采用一個(gè)主動(dòng)的缸式壓力傳感器來(lái)進(jìn)行檢測，檢測到任何不正常我們馬上進(jìn)行修整，使發(fā)電機控制在一個(gè)正常穩定的狀態(tài)。

同時(shí)就是剛才講的，我們氫氣需要非常大的進(jìn)氣量，所以說(shuō)我們的增加器，我們的渦輪增壓器的控制更加的精準，都是做了很多的改進(jìn)。同時(shí)，在我們這里看一下，我們所有的這些發(fā)電機、內燃機電控系統控制，都是在我們這個(gè)飛機上面的一個(gè)ECM的控制系統實(shí)現的，這些都是卡特彼勒自己開(kāi)發(fā)的。

還有一個(gè)就是我們知道我們發(fā)電的時(shí)候講，就是很高的在線(xiàn)率，因為我們一年也就是8700多個(gè)小時(shí)，但是我們的內燃機運轉發(fā)電可以維持在8000小時(shí)以上，這個(gè)時(shí)候我們?yōu)榱司S持很高的在線(xiàn)率，我們做了很多的改進(jìn)。首先我們用的就是氣門(mén)間歇液壓自動(dòng)調節裝置，他是從原來(lái)的1000小事一調增加到4000小事一調。同時(shí)我們用了切口環(huán)的設計，它是活塞的配套，非常的精密，它整個(gè)就是防止它產(chǎn)生積碳，沒(méi)有產(chǎn)生積碳的時(shí)候，機油消耗就會(huì )特別特別低。同時(shí)我們這個(gè)發(fā)電機就像汽車(chē)一樣，水泵、油泵都是在機器上自帶的，而不是像傳統的友商用的是220V的交流電來(lái)點(diǎn)的電泵。所以這個(gè)時(shí)候我們就很容易實(shí)現冷啟動(dòng)，就是只要有24V的電池就可以實(shí)現冷啟動(dòng)。

同時(shí)，我們這個(gè)純氫內燃機是在G3516H的基礎上研發(fā)的，因為這個(gè)是十年以前的開(kāi)發(fā)，它的大修周期達到8萬(wàn)小時(shí)，另外就是運營(yíng)維護成本是特別低的，也就是對這個(gè)H系列的機器。還有一個(gè)就是占地面積小，后面我還有一個(gè)總結。

剛才講的就是我們這個(gè)氫氣的燃燒的快，同時(shí)點(diǎn)火能量低，所以很容易造成早燃甚至回火。其實(shí)我們整個(gè)卡特彼勒的燃氣發(fā)電機，大家看一下綠的部分，實(shí)際上在每一個(gè)進(jìn)氣管我們都是帶有阻火網(wǎng)的，就是卡特彼勒從一開(kāi)始設計的時(shí)候就一直是有的，但是針對氫氣的時(shí)候，因為氫氣的整個(gè)的淬火間隙特別短，它很容易造成回火，并且很容易穿過(guò)金屬和金屬之間的間隙，所以很容易到后面回火，為了防止這個(gè)問(wèn)題，我們在每一個(gè)里面都裝了有阻火網(wǎng)，這個(gè)就是我們卡特彼勒的優(yōu)點(diǎn)。

其實(shí)和剛才講的一樣，不管是燃氣電池、還是內燃機還是用在交通上還是什么方面，我簡(jiǎn)單的做了一個(gè)總結，就是整個(gè)的純氫內燃機發(fā)電的優(yōu)勢，首先講純氫內燃機發(fā)電對于燃料電池來(lái)講，燃料電池發(fā)電都可以并網(wǎng)，對不對?但是我們這個(gè)純氫內燃機剛才講的他是一個(gè)旋轉的，旋轉的是帶動(dòng)我這個(gè)發(fā)電機進(jìn)行轉動(dòng)，所以當并網(wǎng)以后，外界如果不穩的話(huà)，我可以通過(guò)旋轉來(lái)吸收這個(gè)不穩定的能量來(lái)平衡穩定性，這一點(diǎn)是我們內燃機發(fā)電只要是旋轉式發(fā)電都有的。但是對于整個(gè)的不管是光伏還是整個(gè)的風(fēng)電，因為他們都是通過(guò)逆變器并網(wǎng)的，所以這是我們內燃機發(fā)電，或者說(shuō)旋轉性慣性發(fā)電的一個(gè)最大的優(yōu)勢，也就是優(yōu)于電網(wǎng)的穩定性。

還有一個(gè)就是初始投資成本，它不是特別高，剛才韋虹總也講了，汽車(chē)是這樣的，實(shí)際上我們對發(fā)電機也是差不多的，整個(gè)的一個(gè)初期購置成本和天然氣機組會(huì )有稍微的提升，但是也不會(huì )太大。

還有一個(gè)就是我們這個(gè)機組是在1500轉轉速內的，它的溫度是最大的，效率也是最高的，當然還有一些低速機也在做，因為用氫氣發(fā)電推動(dòng)船的也有很多，當然他們那個(gè)轉速低，功率會(huì )比我們大一點(diǎn)，但是1500轉來(lái)講我們這個(gè)是最大的。而且我們對于氫氣的純度要求是比較低的，就是一氧化碳我們作為一種燃料燃燒掉了，同時(shí)硫化氫我們有措施和改進(jìn)，因為硫化氫對銅的腐蝕特別強，特別快，但是我們都會(huì )做一些改進(jìn)，對這些整個(gè)的有害氣體的容忍度是非常高的。所以對這個(gè)氫氣的純度要求比較低。這樣使我們在對一些藍氫，特別是石油煉化，還有一些整個(gè)的別的一些電解行業(yè)，可以大大的節省我們氫氣的提純的純度要求。

同時(shí)剛才我講了，因為氫氣的點(diǎn)火能量低，所以氫氣很容易啟動(dòng)，我們這個(gè)就不存在啟動(dòng)困難的問(wèn)題。對我們這個(gè)內燃發(fā)電機對于這個(gè)氫氣的低溫啟動(dòng)是不受影響的。剛才也講了我們的綜合效率是比較高的，就是發(fā)電效率+熱效率，因為我們可以作為一個(gè)總的應用，所以整個(gè)的綜合效率是比較高的。

同時(shí)，我們這個(gè)內燃機是這樣的，就是說(shuō)我們在最大負載的時(shí)候，我們的效率是最高的，所以我們的這種內燃機，不管是天然氣的還是氫氣發(fā)電，我們是希望大家100%負載，一直100%負載運行是最好的，這樣的運行是最經(jīng)濟的。

還有一個(gè)就是剛才講的就是我們有自帶水泵，機油泵以及潤滑油泵，只要有24小時(shí)蓄電池，就可以很容易的實(shí)現黑啟動(dòng)，當然這個(gè)是大家用天然氣發(fā)電的時(shí)候就知道黑啟動(dòng)是什么意思，就是全部沒(méi)有外電的時(shí)候我整個(gè)機器啟動(dòng)起來(lái)供電。還有一個(gè)就是大修周期，我們的大修周期會(huì )相當的高，同時(shí)終生運營(yíng)維護成本很低，另外一個(gè)就是我們結構緊湊，占地面積也小。

另外我講一下?lián)綒?，因為國家發(fā)改委是在2021年推出了天然氣管道20%摻氫的應用，實(shí)際上摻氫的時(shí)候你們看一下，如果是摻了氫以后我的碳排放是非常顯著(zhù)的，當然對氮氧化物影響是20%還是比較小的，后面的時(shí)候就是當我們達到100的時(shí)候我們的碳排放為零，但是其實(shí)還是有的，為什么呢?因為它會(huì )產(chǎn)生氮氧化物。但是我們?yōu)榱丝刂频趸镒畹?，我們可以控制?00ppm，因為它的轉速是恒定的。

另外就是卡特彼勒針對當前全世界的應用，我們是全線(xiàn)推出了25%的摻氫的升級套件的應用，實(shí)際上我們所有的剛才講的賣(mài)出去的從400千瓦一直到4.5兆瓦，所有的天然氣機組都可以應對以后國內20%摻氫的應用，只要加裝我們該裝的一個(gè)套件以后，就可以在原來(lái)天然氣的基礎上運行20%的摻氫。實(shí)際上我們設計的極限是25%。

實(shí)際上卡特彼勒早期的時(shí)候對整個(gè)的氫氣利用經(jīng)驗是非常多的，特別是對后面這個(gè)大的機組，我們4.5兆瓦這個(gè)，就是60%的氫氣，他已經(jīng)用了差不多20年的時(shí)間了。還有一個(gè)是G3500列是40%的氫氣，還有最高的就是132B系列，它有80%的氫氣，當然這個(gè)80%的時(shí)候它的輸出功率比天然氣是降一點(diǎn)的，就是因為它需要大量的空氣，我不能像原來(lái)控制那么多的進(jìn)氣量，所以說(shuō)功率會(huì )降低一些。

還有一個(gè)就是講到這個(gè)我就大概的講一下我們的一些應用案例，這個(gè)首先一個(gè)純氫內燃機的熱電系統實(shí)際上我們是在美國能源部合作的一個(gè)項目，這個(gè)項目就是整個(gè)的可以做到三個(gè)同時(shí)運行，就是可以100%純氫運行，20%摻氫運行和100%純天然氣運行，這個(gè)是和美國合作的一個(gè)項目。

還有就是一些熱電聯(lián)供的一些傳統的3520H，這個(gè)是一個(gè)數據中心的，就是我們整個(gè)的不管是電，再加上一些排溫，我們都可以做一些收集，這樣可以對整個(gè)項目進(jìn)行供電和制冷。這是另外一個(gè)云計算的項目，是兩臺4.5兆瓦的，我們這么大的機組都可以做到黑啟動(dòng)，當然它的黑啟動(dòng)是需要一些輔助的。還有一個(gè)是一個(gè)機場(chǎng)的三聯(lián)供的一個(gè)設計。

因為氫氣的成本是非常高的，所以對現階段來(lái)講做三連供應用可能不太現實(shí)，但是對于我們這種氫氣內燃機來(lái)講，在當前作為一個(gè)儲能方式是非常非常合適的，特別是你不管是光伏儲電以后，你的電沒(méi)有用的時(shí)候，我可以電解產(chǎn)生氫氣，當你需要電的時(shí)候，如果是沒(méi)有光或者說(shuō)沒(méi)有風(fēng)的時(shí)候，我就反向從X到電，這個(gè)X就是從氫氣或者是甲醇都可以發(fā)電，這個(gè)可以作為一個(gè)很好的儲能方式來(lái)考慮。另外一個(gè)就是這個(gè)投資成本應該是會(huì )好很多，同時(shí)剛才我也講了一些并網(wǎng)的優(yōu)勢，我感覺(jué)我們的純氫內燃機發(fā)電還是非常有優(yōu)勢的。

謝謝大家!