于永堂：卡特彼勒純氫與摻氫燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電技術(shù)介紹

編者按：9月14日，第五屆未來能源大會舉辦氫能技術(shù)與應(yīng)用發(fā)展專題論壇，聚焦于氫能領(lǐng)域的前沿技術(shù)和應(yīng)用發(fā)展。本次論壇由中國能源研究會氫能專業(yè)委員會秘書長徐文輝主持，與會專家學(xué)者從氫能技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)、前沿技術(shù)研究和應(yīng)用案例等幾個方面，對氫能產(chǎn)業(yè)以及未來能源的可持續(xù)發(fā)展展開深入探討。

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?xì)鈨?nèi)燃機(jī)發(fā)電技術(shù)介紹》演講。

以下內(nèi)容根據(jù)論壇演講實錄進(jìn)行整理。

于永堂：謝謝。我首先介紹一下我們講的純氫內(nèi)燃機(jī)發(fā)電，剛才韋總講的是運(yùn)輸汽車方面的，我們講的是靜止發(fā)電機(jī)方面的。

首先我們卡特彼勒可能知道比較多的就是一個挖掘機(jī)，實際上卡特彼勒是有三大業(yè)務(wù)塊組成的，一個是挖機(jī)事業(yè)部，還有一個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發(fā)電電力系統(tǒng)，還有一個就是礦產(chǎn)資源業(yè)務(wù)，也就是礦車運(yùn)輸行業(yè)，還有后面的一些補(bǔ)助的金融融資，就不多介紹了。

另外就是卡特彼勒燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的應(yīng)用是非常廣的，從廣泛的分布式，還有整個的污水處理沼氣，還有瓦斯發(fā)電等等都是有的，所以后來我們用氫能應(yīng)用以后推出了100%純氫能應(yīng)用，后面我會做介紹。當(dāng)然我們是通過燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組應(yīng)用，我們就開了冷熱電三聯(lián)供的發(fā)電，還有一個就是整個的在北美市場上用的一個備用的發(fā)電機(jī)組關(guān)鍵負(fù)載的應(yīng)用，這方面就是很好的控制我們的碳排放，同時氮氧化物也有非常大的降低。

另外就是我們這是整個卡特彼勒燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的圖譜，從最小的217一直到我們最大的內(nèi)燃機(jī)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，實際上就是我們這些產(chǎn)品線大概有30多種機(jī)型，我們是在全球有三個地方生產(chǎn)，一個是在美國，還有一個是德國，還有一個是我們在天津生產(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)線都遷移到中國天津這一塊兒來生產(chǎn)。

這個圖就是用不同的形式展現(xiàn)氫氣的來源和用途，我在這里不多說，不管是光電解還是水電解，我們也不看是灰氫還是綠氫，這個是我們整個的利用。我們大的來看就是100%的純氫應(yīng)用，同時在這里還有在這里講到的就是綠氫，實際上我們在現(xiàn)實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。

這個就是我們整個的G3516H就是100%純氫，我們這個氫氣的發(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催化劑，實際上一氧化碳對我們內(nèi)燃機(jī)來講是一種燃料，所以說我們對一氧化碳的純度是沒有要求的，因為我們這些都可以作為燃料的一種來應(yīng)用，因為這個很多特種鋼煉的時候就含有很高的一氧化碳，是一點(diǎn)問題都沒有的。同時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，我們這個就是我們這個3516H是1500轉(zhuǎn)的，他是額定轉(zhuǎn)速，這個時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(zhuǎn)速氮氧化物的排量是很高的，就是怠速的時候是很高的，但是我們這個就是100。因為我們這個是內(nèi)燃機(jī)發(fā)電，后端我們還有尾氣利用全部加起來可以達(dá)到80.5%，這個就是我們?yōu)槭裁匆v摻氫的利用需求。同時我們也講到了，我們內(nèi)燃機(jī)，也就是我們氫氣的純發(fā)電機(jī)是在內(nèi)燃機(jī)的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的，所以它的成本基本上和早期的天然氣發(fā)電機(jī)的成本是持平的，同時維護(hù)費(fèi)用也不會增加太多。這是大的一個方向。

還有一個就是剛才韋總講到了很多內(nèi)燃機(jī)發(fā)電的特性，在這里我就單獨(dú)了說一下，就不展開介紹了，我就說一下我們整個的一些難點(diǎn)是怎么克服的。實際上在這個里面，我們因為氫氣的燃燒特性是完全和原來的天然氣、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)動機(jī)是有制熱的熱點(diǎn)，所以他很容易造成早燃，還會有回火，后面我們會針對這些回火有一些改進(jìn)。我們原來是通過爆震來檢測我們的發(fā)電機(jī)是否運(yùn)轉(zhuǎn)正常，但是因為氫氣的燃燒速度是天然氣、汽油的七到八倍，所以這個時候采用原來傳統(tǒng)的被動檢測已經(jīng)來不及了，所以這個時候我們是采用一個主動的缸式壓力傳感器來進(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(jī)控制在一個正常穩(wěn)定的狀態(tài)。

同時就是剛才講的，我們氫氣需要非常大的進(jìn)氣量，所以說我們的增加器，我們的渦輪增壓器的控制更加的精準(zhǔn)，都是做了很多的改進(jìn)。同時，在我們這里看一下，我們所有的這些發(fā)電機(jī)、內(nèi)燃機(jī)電控系統(tǒng)控制，都是在我們這個飛機(jī)上面的一個ECM的控制系統(tǒng)實現(xiàn)的，這些都是卡特彼勒自己開發(fā)的。

還有一個就是我們知道我們發(fā)電的時候講，就是很高的在線率，因為我們一年也就是8700多個小時，但是我們的內(nèi)燃機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)電可以維持在8000小時以上，這個時候我們?yōu)榱司S持很高的在線率，我們做了很多的改進(jìn)。首先我們用的就是氣門間歇液壓自動調(diào)節(jié)裝置，他是從原來的1000小事一調(diào)增加到4000小事一調(diào)。同時我們用了切口環(huán)的設(shè)計，它是活塞的配套，非常的精密，它整個就是防止它產(chǎn)生積碳，沒有產(chǎn)生積碳的時候，機(jī)油消耗就會特別特別低。同時我們這個發(fā)電機(jī)就像汽車一樣，水泵、油泵都是在機(jī)器上自帶的，而不是像傳統(tǒng)的友商用的是220V的交流電來點(diǎn)的電泵。所以這個時候我們就很容易實現(xiàn)冷啟動，就是只要有24V的電池就可以實現(xiàn)冷啟動。

同時，我們這個純氫內(nèi)燃機(jī)是在G3516H的基礎(chǔ)上研發(fā)的，因為這個是十年以前的開發(fā)，它的大修周期達(dá)到8萬小時，另外就是運(yùn)營維護(hù)成本是特別低的，也就是對這個H系列的機(jī)器。還有一個就是占地面積小，后面我還有一個總結(jié)。

剛才講的就是我們這個氫氣的燃燒的快，同時點(diǎn)火能量低，所以很容易造成早燃甚至回火。其實我們整個卡特彼勒的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)，大家看一下綠的部分，實際上在每一個進(jìn)氣管我們都是帶有阻火網(wǎng)的，就是卡特彼勒從一開始設(shè)計的時候就一直是有的，但是針對氫氣的時候，因為氫氣的整個的淬火間隙特別短，它很容易造成回火，并且很容易穿過金屬和金屬之間的間隙，所以很容易到后面回火，為了防止這個問題，我們在每一個里面都裝了有阻火網(wǎng)，這個就是我們卡特彼勒的優(yōu)點(diǎn)。

其實和剛才講的一樣，不管是燃?xì)怆姵亍⑦€是內(nèi)燃機(jī)還是用在交通上還是什么方面，我簡單的做了一個總結(jié)，就是整個的純氫內(nèi)燃機(jī)發(fā)電的優(yōu)勢，首先講純氫內(nèi)燃機(jī)發(fā)電對于燃料電池來講，燃料電池發(fā)電都可以并網(wǎng)，對不對?但是我們這個純氫內(nèi)燃機(jī)剛才講的他是一個旋轉(zhuǎn)的，旋轉(zhuǎn)的是帶動我這個發(fā)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動，所以當(dāng)并網(wǎng)以后，外界如果不穩(wěn)的話，我可以通過旋轉(zhuǎn)來吸收這個不穩(wěn)定的能量來平衡穩(wěn)定性，這一點(diǎn)是我們內(nèi)燃機(jī)發(fā)電只要是旋轉(zhuǎn)式發(fā)電都有的。但是對于整個的不管是光伏還是整個的風(fēng)電，因為他們都是通過逆變器并網(wǎng)的，所以這是我們內(nèi)燃機(jī)發(fā)電，或者說旋轉(zhuǎn)性慣性發(fā)電的一個最大的優(yōu)勢，也就是優(yōu)于電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

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

還有一個就是我們這個機(jī)組是在1500轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速內(nèi)的，它的溫度是最大的，效率也是最高的，當(dāng)然還有一些低速機(jī)也在做，因為用氫氣發(fā)電推動船的也有很多，當(dāng)然他們那個轉(zhuǎn)速低，功率會比我們大一點(diǎn)，但是1500轉(zhuǎn)來講我們這個是最大的。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(qiáng)，特別快，但是我們都會做一些改進(jìn)，對這些整個的有害氣體的容忍度是非常高的。所以對這個氫氣的純度要求比較低。這樣使我們在對一些藍(lán)氫，特別是石油煉化，還有一些整個的別的一些電解行業(yè)，可以大大的節(jié)省我們氫氣的提純的純度要求。

同時剛才我講了，因為氫氣的點(diǎn)火能量低，所以氫氣很容易啟動，我們這個就不存在啟動困難的問題。對我們這個內(nèi)燃發(fā)電機(jī)對于這個氫氣的低溫啟動是不受影響的。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總的應(yīng)用，所以整個的綜合效率是比較高的。

同時，我們這個內(nèi)燃機(jī)是這樣的，就是說我們在最大負(fù)載的時候，我們的效率是最高的，所以我們的這種內(nèi)燃機(jī)，不管是天然氣的還是氫氣發(fā)電，我們是希望大家100%負(fù)載，一直100%負(fù)載運(yùn)行是最好的，這樣的運(yùn)行是最經(jīng)濟(jì)的。

還有一個就是剛才講的就是我們有自帶水泵，機(jī)油泵以及潤滑油泵，只要有24小時蓄電池，就可以很容易的實現(xiàn)黑啟動，當(dāng)然這個是大家用天然氣發(fā)電的時候就知道黑啟動是什么意思，就是全部沒有外電的時候我整個機(jī)器啟動起來供電。還有一個就是大修周期，我們的大修周期會相當(dāng)?shù)母?，同時終生運(yùn)營維護(hù)成本很低，另外一個就是我們結(jié)構(gòu)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(yīng)用，實際上摻氫的時候你們看一下，如果是摻了氫以后我的碳排放是非常顯著的，當(dāng)然對氮氧化物影響是20%還是比較小的，后面的時候就是當(dāng)我們達(dá)到100的時候我們的碳排放為零，但是其實還是有的，為什么呢?因為它會產(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(zhuǎn)速是恒定的。

另外就是卡特彼勒針對當(dāng)前全世界的應(yīng)用，我們是全線推出了25%的摻氫的升級套件的應(yīng)用，實際上我們所有的剛才講的賣出去的從400千瓦一直到4.5兆瓦，所有的天然氣機(jī)組都可以應(yīng)對以后國內(nèi)20%摻氫的應(yīng)用，只要加裝我們該裝的一個套件以后，就可以在原來天然氣的基礎(chǔ)上運(yùn)行20%的摻氫。實際上我們設(shè)計的極限是25%。

實際上卡特彼勒早期的時候?qū)φ麄€的氫氣利用經(jīng)驗是非常多的，特別是對后面這個大的機(jī)組，我們4.5兆瓦這個，就是60%的氫氣，他已經(jīng)用了差不多20年的時間了。還有一個是G3500列是40%的氫氣，還有最高的就是132B系列，它有80%的氫氣，當(dāng)然這個80%的時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，我不能像原來控制那么多的進(jìn)氣量，所以說功率會降低一些。

還有一個就是講到這個我就大概的講一下我們的一些應(yīng)用案例，這個首先一個純氫內(nèi)燃機(jī)的熱電系統(tǒng)實際上我們是在美國能源部合作的一個項目，這個項目就是整個的可以做到三個同時運(yùn)行，就是可以100%純氫運(yùn)行，20%摻氫運(yùn)行和100%純天然氣運(yùn)行，這個是和美國合作的一個項目。

還有就是一些熱電聯(lián)供的一些傳統(tǒng)的3520H，這個是一個數(shù)據(jù)中心的，就是我們整個的不管是電，再加上一些排溫，我們都可以做一些收集，這樣可以對整個項目進(jìn)行供電和制冷。這是另外一個云計算的項目，是兩臺4.5兆瓦的，我們這么大的機(jī)組都可以做到黑啟動，當(dāng)然它的黑啟動是需要一些輔助的。還有一個是一個機(jī)場的三聯(lián)供的一個設(shè)計。

因為氫氣的成本是非常高的，所以對現(xiàn)階段來講做三連供應(yīng)用可能不太現(xiàn)實，但是對于我們這種氫氣內(nèi)燃機(jī)來講，在當(dāng)前作為一個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，你的電沒有用的時候，我可以電解產(chǎn)生氫氣，當(dāng)你需要電的時候，如果是沒有光或者說沒有風(fēng)的時候，我就反向從X到電，這個X就是從氫氣或者是甲醇都可以發(fā)電，這個可以作為一個很好的儲能方式來考慮。另外一個就是這個投資成本應(yīng)該是會好很多，同時剛才我也講了一些并網(wǎng)的優(yōu)勢，我感覺我們的純氫內(nèi)燃機(jī)發(fā)電還是非常有優(yōu)勢的。

謝謝大家!