天然气发电技术开发商正在探索新的角色和应用，以确保随着电力市场接受脱碳，天然气发电将保持相关性。

为了在可再生能源、储能和脱碳天然气的预期激增中保持相关性，燃气轮机行业正在为一系列新兴应用做好准备。随着与可再生能源和储能的日益混合，涡轮机制造商正在探索燃烧低碳燃料;提高涡轮机的效率、性能和操作灵活性;并最终减少他们的碳排放量。

从电源到X到电源的多种方法

ETN Global指出，满足这些属性将需要在所有方面进行战略合作，包括在技术领域，ETN Global是一家总部位于布鲁塞尔的非营利性贸易组织，代表着整个燃气轮机技术价值链。2020年4月，21个ETN Global成员（涵盖来自10个国家的能源公用事业，技术公司，学术机构和其他燃气轮机利益相关者）率先发起了一个探索多种方法的着名欧盟（EU）支持的项目，启动了一个名为"FLEXnCONFU"的为期四年的项目。

FLEXnCONFU的最终目标是"开发和展示创新，经济上可行和可复制的Power-to-X-to-Power（P2X2P）解决方案，这些解决方案结合了所有可用选项，以有效和灵活地使用可再生能源的剩余电力，通过将电力转换为氢气或氨来平衡发电厂负荷，然后再将其转换为电力，"Alessandra Cuneo解释说。 RINA Consulting的项目经理，担任FLEXnCONFU的项目协调员。"这将使集成发电厂布局的设计和运行成为可能，从而可以释放额外的[联合循环燃气轮机（CCGT）]灵活性，"她说。

该财团的总预算为1440万美元（1260万欧元），计划在2024年3月FLEXnCONFU的结论下完成四个"支柱"下的几个里程碑：在CCGT中使用非常规燃料以实现灵活性和可持续性;在实际发电厂中集成和演示 Power-to-X 系统;开发先进的控制系统，致力于提高CCGT的灵活性和电 互操作性;并促进氢气和氨能社会的发展。

一个值得注意的目标是在技术就绪水平（TRL）7上展示由康明斯的Hydrogenics和意大利的ICI在EDP位于葡萄牙的1.2GW燃气Ribatejo发电厂的三台西门子V94.3A CCGT之一上开发的动力-气体-气-功率（P2G2P）解决方案。另外，FLEXnCONFU的目标是从2023年4月开始在Ribatejo工厂进行1，000个运行小时的电力制氢演示。

在另一个项目中，项目合作伙伴的目标是TRL 6，用于由荷兰公司Proton和ICI开发的功率到氨到功率（P2AP）解决方案，该解决方案将在意大利萨沃纳热那亚大学实验室运行的改装微型燃气轮机上进行演示。P2G2P解决方案将由自动化公司MAS Control Power & Energy开发的电 驱动/响应式管理系统直接控制，燃气轮机燃烧对不同天然气，氢气和氨混合物的可接受性将在卡迪夫大学实验室进行研究。

从本质上讲，FLEXnCONFU将是一个"示范上市项目"，ETN Global项目官员Simon Gianordoli说。项目完成后，这些技术将在ENGIE Laborelec和Tirreno Power拥有的CCGT上进行升级和复制。最终，ETN Global希望FLEXnCONFU"将增强CCGT在辅助服务市场上提供服务的可能性，保证更安全，清洁和有弹性的电力系统，"他补充说。

适应扩展的燃料谱

在这个合作空间之外，每个主要的原始设备制造商（OEM）似乎都认识到，随着世界越来越深入脱碳，燃气轮机燃料的灵活性可以开辟竞争优势并增加市场价值。许多人正在调整他们的机器以适应非常规燃料资源（如生物燃料，页岩气和液化天然气）和低碳燃料，包括氢气和氨。值得注意的是，氢气已经发展成为发展的优先事项，一些原始设备制造商甚至制定了路线图，为其大多数车队实现100%的氢燃烧。

到目前为止，许多发展都集中在干低氮氧化物（DLN）技术的进步上，使用稀薄预混合或多团簇燃烧技术来控制氮氧化物（NOx）排放和成就已经转化为项目交易。三菱动力于2020年5月为犹他州三角洲的840兆瓦山间发电厂签订了两份1×1 M501JAC（图1）CCGT的合同，商业上保证燃气轮机在2025年上线时将燃烧30%的氢气（体积）和70%天然气燃料的混合物。该合同要求该工厂的氢能能力到2045年将过渡到100%氢气，使其运营商和主要电力购买者洛杉矶水电部能够满足加州严格的气候目标。

正如三菱电力公司高级副总裁兼氢基础设施负责人Michael Ducker告诉POWER的那样，该公司在其DLN多集群燃烧器方面取得了进展。他说，到20世纪20年代末和3030年代，更多的"客户正在关注燃气轮机能够100%使用氢气运行。"他们开始确定项目范围，希望今天内置这种能力，"他说。"从产品开发的角度来看，三菱动力正在走上正轨并支持这些项目。

然而，一些行业专家警告说，依靠氢燃烧作为天然气的替代品来实现脱碳将面临重大挑战。一个特别被低估的担忧是，与天然气相比，氢气的热值和密度很小，Kiewit Engineering发电服务总监Diane Fischer说。

"如果你去100%[体积]氢气，从热力学计算的角度来看，燃烧涡轮机将大约是用天然气燃烧的原始燃烧涡轮机的30%的容量，"她解释说。"与天然气相比，这完全是氢气的热值和密度的函数。所以，如果你想用氢气完成同样的事情，你将需要投入比天然气更多的氢气，"她说。

相反，"要达到与天然气相同的容量，您将远远超过最初实现相同目标的体积的200%以上"（图2）。除了为这些较大体积设计的燃烧室（主要燃烧氢气的装置可能需要）之外，氢气燃烧可能需要更多的下游NOx她说，控制和更快的点火速度对于将改变其燃料混合物的装置来说可能是一个挑战。

操作和维护氢气燃气轮机也可能具有挑战性。Fischer说，虽然典型的天然气装置使用适合其燃烧涡轮机的减压器来压低管道气体的压力，但无论是来自电解槽还是输送的氢气供应都需要储存和加压，就像校准气体一样。其他供应风险包括潜在不可靠的供应和系统要求的不确定性。气体发生器（见侧栏）还需要符合某些与氢相关的安全设计规范，包括消防、通风、管道和管道。

碳捕获越来越有吸引力

由于低碳燃料可能更适合拥有"年轻"热车队（并且能够获得氢气和氨）的地区，因此天然气发电的未来可能更深地植根于其减少碳排放的能力，并整合碳捕获，利用和储存（CCUS）系统。对CCUS用于天然气生产的兴趣正在增长，尽管是逐渐的。截至2021年11月，估计有CCUS的40个发展中电力项目中只有15个是燃气的。

像SSE Thermal和Equinor的Keadby 3这样的项目，一个位于英国北林肯郡的910兆瓦CCGT项目，正在受到密切关注。该天然气项目计划于2027年上线，将为一个集成的碳捕获和压缩工厂提供热烟气，以捕获至少90%的排放一氧化碳。2.

在美国，几个CCUS项目得到了税收优惠的支持，政府在10月份向12个天然气项目提供了4500万美元，作为解决点源碳捕获问题的一部分。其中包括一个项目，为Calpine在德克萨斯州的1.1吉瓦鹿园CCGT设施配备壳牌的Cansolv CO。2捕获解决方案，自2013年以来一直在SaskPower的边界大坝项目中投入使用的技术。

GE Gas Power还将获得600万美元来完成一项工程设计研究，将95%的商业碳捕集解决方案整合到Southern Co.位于阿拉巴马州的Barry工厂的现有CCGT站点中，该站点将提供先进的可操作性，更低的成本和高效率。该解决方案有望扩展到其他商业 站。此外，备受关注的是几个商业项目，这些项目将以NET Power的Allam循环为特色。阿拉姆循环使用一氧化碳2作为火焰切割机中的工作流体超临界一氧化碳2电源循环，产生相对纯的一氧化碳2流"以显著降低的捕获成本"。

效率损失

然而，为燃气发电厂大规模配备CCUS可能是微妙的，充满挑战，GE电力脱碳总监John Catillaz和Emergent Technologies脱碳技术总监Jeffery Goldmeer指出。"有两种方法可以系统地将高效天然气发电转变为零碳或接近零碳资源的任务：燃烧前和燃烧后，"GE专家最近解释说。预燃烧是指燃气轮机上游的系统和过程。如今，解决燃烧前脱碳的最常见方法很简单：更换燃料。在燃烧后方面，使用了"可以从烟气中去除CO2的不同技术的工具箱"。他们写道，为了使电力部门在保持高可靠性的同时快速脱碳，GE认为"燃气轮机的燃烧前和燃烧后脱碳选项都是当今可用的可行工具"。

他们说，另一个突出的挑战是"由于多种因素，包括可用土地，获得地质储存地层以及缺乏鼓励部署的政策/法规，并非每种资产都被认为是一个好的候选者。"成本也是一个大问题："对于90%的燃烧后碳捕获系统，一个近似的经验法则是，它可以使发电厂的资本支出增加一倍。从名义上讲，这当然是一项重大投资。但与效率损失不同，效率损失与碳减排量呈线性关系，重要的是要记住，资本支出与碳减排百分比没有线性关系，"专家指出。"因此，将碳捕获率降低到85%可以显着降低资本成本。

他们补充说，现有项目仍应探索CCUS作为改造战略的一部分，因为它可能有助于"降低影响今天建造燃气发电厂决定的未来碳法规的风险"。"此外，由于施工作业、现场设备和劳动力等的协同作用，新发电厂的建设成本可以进一步降低。

浮动CCGT的灵活性

为了占领新市场，几十年来，开发商一直提供浮动发电厂 - 通常是船载柴油，天然气或双燃料发动机 - 因为它们可以经济高效，快速地建造。由于它们是可移动的，因此可以重新安置或交易，并且由于它们不需要大型站点，有时没有土地足迹，因此甚至可以在最偏远的地方和具有挑战性的环境条件下部署，无论是临时还是永久电源。

然而，到目前为止，安装在浮式生产存储和卸载（FPSO）以及石油和天然气（O&G）平台上的大多数燃气轮机都是开放/简单的燃气轮机模块，主要是为了利用其高功率密度和增加的燃气发动机和柴油发电机组的可用性。但随着越来越多的海上运营商致力于更严格的环境目标，西门子能源公司看到了其"超轻型联合循环"（ULCC）和"超轻型触底循环"（ULBC）的机会。这些循环是为浮动CCGT发电厂概念设计的，该公司已将其集成到其"SeaFloat"产品中。

ULCC的设计类似于石油和天然气行业使用的典型燃气轮机（如西门子能源公司的SGT-A35和SGT-750燃气轮机），由燃气轮机成套、蒸汽轮机成套、一次性热回收蒸汽发生器（OTSG）以及工厂的相关平衡组成。ULBC专为现有燃气轮机后面的蒸汽尾随而设计，西门子能源公司的SeaFloat企业主Hamed Hossain解释说。"因此，它可用于新建应用程序和优化现有资产。

浮动工厂设计的一个主要成就是其重量和占地面积。"很明显，重量和占地面积在FPSO和[石油和天然气]平台上起着重要作用，从而降低了钢材要求和分配的空间要求。ULBC的重量比典型的海上联合循环工厂低约50%，"侯赛因告诉POWER。"在这种情况下，鉴于越来越多的国家需要碳税和许可证，气候保护与显着的经济效益齐头并进。

然而 他指出，SeaFloat对发电的价值主张是"多方面的"。"SeaFloat为没有土地或土地权面临挑战或成本太高的地区提供了新的和清洁的联合循环技术。它体现了模块化的最高形式：发电厂作为移动资产或永久安装一体提供给所需位置，"侯赛因补充道。这不仅仅是关于土地，也是关于用基于我们最先进的SGT-800燃气轮机的高效技术取代往复式发动机，柴油发电机和燃煤发电厂等老化资产。虽然碳减排是一个关键的设计属性，但与往复式发动机相比，SeaFloat还可以将NOx，一氧化碳和nmHC等其他污染物减少多达90%。

"这些价值主张为具有不同要求的客户带来了许多好处，"侯赛因说。例如，这个概念可以为许多仍在使用重质燃料油的资产提供使用液化天然气（LNG）的选择。"因此，SeaFloat发电厂的高效率在LNG发电项目的商业模式中发挥着重要作用。SeaFloat动力驳船可以从浮动存储和再气化装置（FSRU）提供服务 - 或者可以在世界上任何地方提供完全集成的解决方案FSRP以及液化天然气储存和再气化装置，无法获得清洁燃料，"侯赛因说。

如今，全球正在开发的SeaFloat项目也瞄准了"整个西门子能源价值流"，包括SeaFloat、电池储能、氢气生成和传输解决方案。侯赛因说，这种"整体方法"旨在帮助客户"找到合适的能源组合，为今天的未来做好准备"。

例如，最新的SeaFloat项目是145兆瓦的Estrella del Mar III发电站（图3），目前正在多米尼加共和国部署。该工厂的设计由西门子能源在瑞典的工程和制造团队构思，船舶设计由新科工程公司进行。"为了最大限度地提高空间利用率，每个组件在功能和占地面积方面都进行了优化， 例如，一流的燃气轮机SGT-800被用作预组装的单升降机完整套件，占地面积小。此外，设备暴露在海上运动（滚动和俯仰），这需要结构加固，影响整体布局和驳船甲板特性，"西门子能源公司说。

3. 西门子能源公司的SeaFloat船舶之一，145兆瓦的Estrella del Mar III电站正处于"热调试"阶段。该工厂由两台SGT-800燃气轮机和一台SST-600蒸汽轮机提供动力。图片提供：西门子能源

值得注意的是，Estrella del Mar III还包括一个电池储能系统，以补偿电 上的电力短缺和频率下降。"总体而言，驳船提供了最佳的空间利用率和高功率密度。此外，SeaFloat团队正在不断优化这一概念，以改善重量，空间，效率，排放，并成为全球能源向脱碳和分散过渡的一个组成部分，"该公司表示。

——Sonal Patel是POWER的高级副主编 编译 陈讲运