于永堂：纯氢及掺氢内燃机发电技术及案例分享

编者按：在“双碳”背景下分布式能源领域贯彻新发展理念，以“双碳背景下能源安全新思维——新型分布式综合能源保障”为主题的“第十八届中国分布式能源国际论坛”于2022年12月8日在北京采用线上的形式召开，本次大会由中国能源研究会与中国能源网联合主办。会上，卡特彼勒电力事业部资深行业经理于永堂做了主题为《纯氢及掺氢内燃机发电技术及案例分享》的报告。

以下内容根据论坛演讲实录进行整理。

于永堂：各位专家，各位领导下午好！朱总对上游掺氢和纯氢管道运输进行了介绍，我们作为下游的企业，终端的设备企业，我们已经准备好了，我对卡特彼勒纯氢燃机内燃发电机和掺氢内燃发电机做一下介绍。

我分四部分，一个是卡特彼勒公司的介绍，燃气发电市场的应用，还有今天的重点纯氢和掺氢内燃机的技术介绍，分享一下我们整个卡特彼勒分布式能源用的燃气发电机组的介绍和案例的介绍。

卡特彼勒公司是非常大的公司，去年总的销售收入510亿美金，我们不但是世界上最大的工程机械生产常见，同时是技术在柴油发电机和整个燃气发电机组是技术非常领先的公司。我们卡特彼勒公司三大业务板块，卡特彼挖掘机，属于基础建设事业部的，还有矿山机械，我们叫资源行业，卡特彼勒整个燃气发电机组属于电力系统，它归属到能源与交通业务这个领域，我们能源与交通业务领域分的还是非常广的，一个是石油天然气的应用，还有铁路，工业发动机的应用。

后面我们介绍一下整个卡特彼勒燃气发电机市场的应用，卡特彼勒燃气发电机市场的应用非常广，可以说在我们市场生活的各个角落都非常多的应用，像分布式发电，分布式能源，商业楼宇这些东西，同时对于一些沼气，垃圾天然气，还有瓦斯气都是有非常广的应用。同时我们针对当前提出100%纯氢和掺氢有一些应用。

卡特彼勒燃气发电机组的型号非常多，我们的功率覆盖范围从217千瓦到了4500千瓦，4.5兆瓦，整个功能覆盖范围非常广，我们在北美地区有一些更小的10千瓦，20千瓦，是针对北美市场的。同时我们卡特彼勒还有一个燃气发电机的备用机组，这个备用机组是100%加载的。本来我们昨天有介绍，因为有一些特殊的原因安排在明天，明天我们会做更详细的介绍。我们燃气发电机组不但与天然气可以用，沼气可以用，我们型号特别多，在30多种的型号。这个型号多了，我们有三个生产厂，一个在美国，还有德国，还有中国天津卡特彼勒天津有限公司生产的大的发动机，它的生产燃气是和美国完全一致的。

后面对卡特彼勒掺氢和纯氢燃气发电机进行介绍。我们都知道对于可再生能源氢气来讲现在是一个热电，我们整个应用，包括100%纯氢的利用，还有掺氢的利用，掺氢的利用我们在后面会单独的介绍，这里20%针对国内掺氢，我们可以适应25%的燃气发电机组的应用。我重点介绍一下100%的纯氢，卡特彼勒推出来了G36H的纯氢内燃机的发电机组，对现在讲掺氢，还有纯氢，绿氢的应用时间是有一些滞后的，这对当前我们国内灰氢，蓝氢，我们已经准备好了，我们的氢气来源非常广。我们现在对于这个市场，绿氢的业务还是少，但是也会有，明天我会做一些重点的介绍，今天不再继续展开讲了。

这是100%纯氢，针对当前市场需求，我们推出了1250千瓦，50赫兹，60赫兹都可以用的连续主用或者负载管理，负载管理，这是北美市场的说法相当于调峰和紧急备用的工况，我们这个机组在G3500系列超过35年应用的平台上开发出来的，这个发电机组具有非常好的功率密度和效率，在1500转领域，当前100%纯氢我们的效率是最高的，这款机器不但可以主用，也可以作为备用，非常适合电力平衡市场，也就是说整个电力管理的市场。同时我们这个机器，因为是纯氢，可以做到零碳排放，这看机器在生命周期是最低的，我们低于天然气的平台应用经验上开发出来的。

我们针对纯氢的，刚才朱总也讲到，100%纯氢的时候因为它的燃烧特性和天然气的燃烧特性完全不一样，我们开发机器的时候单独做了特殊的设计，避免氢气产生不正常的燃烧，我们知道氢气的点火能量低，并且燃烧速度特别快，很容易造成回火，如果利用传统燃气系统，很容易造成回火，我们卡特彼勒单独开发了氢气进气的气喷射技术，针对刚才讲的，因为它的燃烧特性不一样，我们不能够依赖于天然气传统传感器控制燃烧，传感器是发生之后进行控制，但是由于刚才讲的氢气燃烧特性，速度非常快，如果用传统的方式根本不能保证它的正常燃烧，这个时候我们单独做了一个气管压力感应的模式，使氢气的燃烧控制更加稳定，同时排放更加低。

还有我们用更加准确的控制方式控制燃烧比例，这是我们电子模块控制单元，我们叫ECM，电子工程模块在发动机上安装的，所有的设备，传感器，控制系统都是安装在发动机上的，控制更加的稳定，同时我们电子控制模块对应用环境特别的适应，不管低温还是高温。我们所有的传感器，还有信号传到ECM，ECM可以进行电子控制，转速控制，还有负载图谱的控制，还有氢气控制，通过控制所有的功能来实现我们发动机和发电机组的正常工作。

另外我们G3500H，在线率和可靠性是非常高的，我们基于一些经验做了很多特殊的设计，采用了切口式的设计，使我们的油耗非常低，如果用卡特彼勒特殊的合成机油，机油消耗可以说是我们竞争对手的1/3都不到，非常低，同时我们3500H系列采用了调节气功能，这是气门间歇调整达到4000小时，有别于传统的1000个小时做一个调整，大大节省停机时间，使在线率有非常大的提高。卡特彼勒的机器并不是针对发电应用，我们还要照顾工业级的应用，火车的应用，我们的水泵都是可以选择机器自带，这样就不需要用交流电带一些电泵，实现机油的冷却，润滑，这个机器非常的容易实现启动，我们不需要UPS，我们需要24伏的电可以完成启动。

同时大修周期特别长，基于我们3500H天然气发动机组寿命周期得来的，我们G3500H在天然气应用功率是2000千瓦的，我们用的纯氢内燃机组的时候1250千瓦，所以负载负荷更加小，寿命会更加长。我们这个机组占地小，很多的附件都在机器上安装好了。

还有最重要的我们由于燃气的燃烧特性，氢气非常容易回火，我们通过氢气的喷射技术，还有主动控制燃烧压力，这是主动的控制行为，如果氢气不正常燃烧的时候或者发生故障的时候，如果有回火的时候，我们有最后一道防线，我们在每个氢气气管里有阻火器，有很多小的钢丝网，万一产生回火，回火也会在阻火器进行熄灭，避免产生回到气管里的回火风险。在国内我没有看到，我去韩国的时候看到过一个竞争对手的，整个回火之后，缸体和缸盖全炸开了，我们卡特彼勒有一个阻火器，所有的燃气发电机组卡特彼勒都是有的，可以说这是我们最后的安全措施，我们可以主动避免回火，还有一个被动的安全装置。

时间有限，我不能具体的展开，我简单对比一下我们G3500H纯氢发电机组的优势，这是针对燃料电池讲的，大家都知道纯氢只能做燃料电池应用，以前可以这么认为，但是通过今天介绍之后纯氢内燃机可以做很好的利用，因为它有很多的优点。首先它的初次投资成本比较低，基本上和天然气机组的费用是持平的，因为所有的配套也是一致的，唯一的就是燃气的来源不一样，原来是天然气管道里面，现在是纯氢，单独的配套。同时我们对G3516H纯氢内燃发电机组1500转功率是最大的，发电效率最高，燃气内燃机对氢气的纯度要求必须低，我们燃气内燃机对氢气的浓度要求是根据ISO14687，A级的标准作为一个参考的。

我们只要要求氢气的浓度超过98%就可以了，远远低于燃料电池要求各纯度是99.97%，同时我们对于的要求是比较低的，一氧化碳，硫化氢，我们有要求，但是不至于像燃料电池要求那么低，燃料电池对一氧化碳和硫化氢特别的敏感，整个一氧化碳和硫化氢对燃料电池的铂金催化剂具有非常好的亲和作用，如果一氧化碳浓度和氯化氢的浓度高，很容易造成中毒，使燃料电池失去应有的特性，燃料电池对一氧化碳要求的浓度是0.2个PPM，所以S对这个要求的纯度非常高，燃料电池对于整个氢气的纯度要求高，整个花费也是非常高的。

同时氢气内燃发动机对发电机组的启动是非常迅速的，加载是非常容易的。可以在很短的时间内完成加载，我们的工作范围广，通过自带的一些冷却回路加热系统，在低温环境下不会受影响，做到零下30几度，零下50度都没有影响，这是和我们整个燃料电池作为一个比较，更加不一样，燃料电池我们知道通过反映之后产生的是水，需要做保温，我们就完全不受影响。同时综合效率不错，达到80.5%，在最大负载的时候效率最高，这样有别于燃料电池在负载大的时候效率也是不错，但是会影响寿命。

另外刚才讲的我们整个自带水泵，最好的应用绿氢产生的时候很好的储能，我们可以做到启动，不需要交流电，这一点我明天会讲。另外大修周期长，基于天然气的经验来的，同时成本非常低。刚才讲了机组结构尺寸，面积小，可以就近安装，很适于分布式发电安装的要求。这个对于100%纯氢介绍，后面是对天然气掺氢的介绍，我们对全线天然气机组都已经准备好25%的天然气掺氢，掺氢之后有几大优点。根据掺氢的浓度不一样，二氧化碳的排放相对的降低，大家可以看到一个图是绿色的线，根据氢含量不同，二氧化碳排放显著的降低，氮氧化物的排放随着掺氢量的不一样，会有显著的下降。

卡特彼勒全线产品，从400千瓦-4500千瓦，不但对一个新机组选择掺氢，还是对原来的机组我们都可以通过安装升级包实现掺氢以后对机组的一些正常应用。同时掺氢之后天然气机组的效率会略有提升，这是好的一方面。

卡特彼勒对掺氢燃气内燃机有非常多的经验，这是我们做的一些列表，对一个小机组，800千瓦我们可以做到80%的氢气，这个800千瓦是纯天然气的是800千瓦，有氢气的时候功率是下降的，就是使机组正常的运转。我们还有一个大机组，4.5CG20/16，我们有20多年60%的氢气燃烧经验，它是有21兆瓦，基本上8台CG260/16的基础上做出来的，氢气的浓度60%以上，我们有非常丰富的经验应对氢气的燃烧控制技术。

我对纯氢内燃机的案例进行介绍，这是卡特彼勒10年的收入量，基本上每年卖1000兆瓦，我们有不同的生产厂进行全球的销售。这是我们在美国的卡特彼勒和美国能源部接受他们的一些支持和赞助，卡特彼勒作为主导研究100%纯氢内燃发电机组的案例，同时对于这个项目我们可以做到三种不同的应用都可以实现。

100%纯氢，普通的天然气进气。可以做25%掺氢天然气的运转，通过美国能源部，还有可再生能源办公室，会依托我们的项目做一些研究，真正做到刚才我们讲的为什么要掺氢，掺氢有哪些优势，一些排放，包括动力和效率，都会在这里进行收集，我们明年3月份就会安装运转了。

在国内纯氢的情况，卡特彼勒为了更好的提供一些数据，美国安装之后，在国内也会有一些相应的案例进行跟踪。讲一下我们天然气的应用，首先是腾讯，上海云数据中心的三联供应有，这是两台2.5兆瓦的G3520H，我们刚才讲的G3500H系列明年到天津工厂进行生产，使整个成本有非常大的下降，这个项目需要准备两期，一期上了之后后端的二期没有上，刚才讲的燃气价格还是有一点贵的。

我们有一个两台4.5兆瓦，两台CG20/16天然气发电机组，这是非常大的天然气机组，但是完全是孤岛的项目，没有电网的用电，在前期运行的时候靠4.5兆瓦供电，使年运行小时第一年超过8500小时，我们整个一年的时间8700多小时，除了保养的时间我们整个都是在运转的。

这是数据中心，合同是非常好的，因为整个要供电，它的整个投资成本用一年多的时间就收回来了。还有我们青岛机场的，这是在2019年完成安装，两台2.5的天然气发电机组，比较好的方案是通过三联供+水蓄冷，结合晚上峰谷的时间产生一些冷水作为备用，第二天的时候释放出来。

我们卡特彼勒是代理体制的销售，卡特彼勒作为制造商，我们有四大代理做支撑和销售服务，如果想对卡特彼勒有更多的了解可以关注我们的微信号，谢谢大家。