于永堂：卡特彼勒纯氢与掺氢燃气内燃机发电技术介绍

编者按：9月14日，第五届未来能源大会举办氢能技术与应用发展专题论坛，聚焦于氢能领域的前沿技术和应用发展。本次论坛由中国能源研究会氢能专业委员会秘书长徐文辉主持，与会专家学者从氢能技术的标准、前沿技术研究和应用案例等几个方面，对氢能产业以及未来能源的可持续发展展开深入探讨。

卡特彼勒电力事业部资深行业经理于永堂先生作了《卡特彼勒纯氢与掺氢燃气内燃机发电技术介绍》演讲。

以下内容根据论坛演讲实录进行整理。

于永堂：谢谢。我首先介绍一下我们讲的纯氢内燃机发电，刚才韦总讲的是运输汽车方面的，我们讲的是静止发电机方面的。

首先我们卡特彼勒可能知道比较多的就是一个挖掘机，实际上卡特彼勒是有三大业务块组成的，一个是挖机事业部，还有一个就是我们中间的能源与交通事业部，就是我们所在的一个发电电力系统，还有一个就是矿产资源业务，也就是矿车运输行业，还有后面的一些补助的金融融资，就不多介绍了。

另外就是卡特彼勒燃气发电机组的应用是非常广的，从广泛的分布式，还有整个的污水处理沼气，还有瓦斯发电等等都是有的，所以后来我们用氢能应用以后推出了100%纯氢能应用，后面我会做介绍。当然我们是通过燃气发电机组应用，我们就开了冷热电三联供的发电，还有一个就是整个的在北美市场上用的一个备用的发电机组关键负载的应用，这方面就是很好的控制我们的碳排放，同时氮氧化物也有非常大的降低。

另外就是我们这是整个卡特彼勒燃气发电机组的图谱，从最小的217一直到我们最大的内燃机发电是4500千瓦，就是4.5兆瓦，我们看一下有G系列，还有CG系列，实际上就是我们这些产品线大概有30多种机型，我们是在全球有三个地方生产，一个是在美国，还有一个是德国，还有一个是我们在天津生产的所有的G系列，天津生产的和美国生产的一样的，就是很多美国生产线都迁移到中国天津这一块儿来生产。

这个图就是用不同的形式展现氢气的来源和用途，我在这里不多说，不管是光电解还是水电解，我们也不看是灰氢还是绿氢，这个是我们整个的利用。我们大的来看就是100%的纯氢应用，同时在这里还有在这里讲到的就是绿氢，实际上我们在现实生活中还有很多的灰氢和副产氢，像后面你们看到的绿解、电解行业，还有我们的石油行业，还有焦油、煤气这一块儿我们都可以做一些利用。

这个就是我们整个的G3516H就是100%纯氢，我们这个氢气的发电不像燃料电池99.99或者是99.999，我们一氧化碳对燃料电池是作为一个催化剂，实际上一氧化碳对我们内燃机来讲是一种燃料，所以说我们对一氧化碳的纯度是没有要求的，因为我们这些都可以作为燃料的一种来应用，因为这个很多特种钢炼的时候就含有很高的一氧化碳，是一点问题都没有的。同时我们对硫化氢的有害气体的成分要求也不是特别高，不像燃料电池，它是非常非常小的那种要求。

同时，我们这个就是我们这个3516H是1500转的，他是额定转速，这个时候我们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转速氮氧化物的排量是很高的，就是怠速的时候是很高的，但是我们这个就是100。因为我们这个是内燃机发电，后端我们还有尾气利用全部加起来可以达到80.5%，这个就是我们为什么要讲掺氢的利用需求。同时我们也讲到了，我们内燃机，也就是我们氢气的纯发电机是在内燃机的基础上开发出来的，所以它的成本基本上和早期的天然气发电机的成本是持平的，同时维护费用也不会增加太多。这是大的一个方向。

还有一个就是刚才韦总讲到了很多内燃机发电的特性，在这里我就单独了说一下，就不展开介绍了，我就说一下我们整个的一些难点是怎么克服的。实际上在这个里面，我们因为氢气的燃烧特性是完全和原来的天然气、汽油和甲醛是不一样的，因为氢气的点火能量需要的是特别特别低，它需要天然气点火能量的6%就可以着火，汽油的8%，所以很容易造成早燃，甚至于回火。我们知道我们的发动机是有制热的热点，所以他很容易造成早燃，还会有回火，后面我们会针对这些回火有一些改进。我们原来是通过爆震来检测我们的发电机是否运转正常，但是因为氢气的燃烧速度是天然气、汽油的七到八倍，所以这个时候采用原来传统的被动检测已经来不及了，所以这个时候我们是采用一个主动的缸式压力传感器来进行检测，检测到任何不正常我们马上进行修整，使发电机控制在一个正常稳定的状态。

同时就是刚才讲的，我们氢气需要非常大的进气量，所以说我们的增加器，我们的涡轮增压器的控制更加的精准，都是做了很多的改进。同时，在我们这里看一下，我们所有的这些发电机、内燃机电控系统控制，都是在我们这个飞机上面的一个ECM的控制系统实现的，这些都是卡特彼勒自己开发的。

还有一个就是我们知道我们发电的时候讲，就是很高的在线率，因为我们一年也就是8700多个小时，但是我们的内燃机运转发电可以维持在8000小时以上，这个时候我们为了维持很高的在线率，我们做了很多的改进。首先我们用的就是气门间歇液压自动调节装置，他是从原来的1000小事一调增加到4000小事一调。同时我们用了切口环的设计，它是活塞的配套，非常的精密，它整个就是防止它产生积碳，没有产生积碳的时候，机油消耗就会特别特别低。同时我们这个发电机就像汽车一样，水泵、油泵都是在机器上自带的，而不是像传统的友商用的是220V的交流电来点的电泵。所以这个时候我们就很容易实现冷启动，就是只要有24V的电池就可以实现冷启动。

同时，我们这个纯氢内燃机是在G3516H的基础上研发的，因为这个是十年以前的开发，它的大修周期达到8万小时，另外就是运营维护成本是特别低的，也就是对这个H系列的机器。还有一个就是占地面积小，后面我还有一个总结。

刚才讲的就是我们这个氢气的燃烧的快，同时点火能量低，所以很容易造成早燃甚至回火。其实我们整个卡特彼勒的燃气发电机，大家看一下绿的部分，实际上在每一个进气管我们都是带有阻火网的，就是卡特彼勒从一开始设计的时候就一直是有的，但是针对氢气的时候，因为氢气的整个的淬火间隙特别短，它很容易造成回火，并且很容易穿过金属和金属之间的间隙，所以很容易到后面回火，为了防止这个问题，我们在每一个里面都装了有阻火网，这个就是我们卡特彼勒的优点。

其实和刚才讲的一样，不管是燃气电池、还是内燃机还是用在交通上还是什么方面，我简单的做了一个总结，就是整个的纯氢内燃机发电的优势，首先讲纯氢内燃机发电对于燃料电池来讲，燃料电池发电都可以并网，对不对?但是我们这个纯氢内燃机刚才讲的他是一个旋转的，旋转的是带动我这个发电机进行转动，所以当并网以后，外界如果不稳的话，我可以通过旋转来吸收这个不稳定的能量来平衡稳定性，这一点是我们内燃机发电只要是旋转式发电都有的。但是对于整个的不管是光伏还是整个的风电，因为他们都是通过逆变器并网的，所以这是我们内燃机发电，或者说旋转性惯性发电的一个最大的优势，也就是优于电网的稳定性。

还有一个就是初始投资成本，它不是特别高，刚才韦虹总也讲了，汽车是这样的，实际上我们对发电机也是差不多的，整个的一个初期购置成本和天然气机组会有稍微的提升，但是也不会太大。

还有一个就是我们这个机组是在1500转转速内的，它的温度是最大的，效率也是最高的，当然还有一些低速机也在做，因为用氢气发电推动船的也有很多，当然他们那个转速低，功率会比我们大一点，但是1500转来讲我们这个是最大的。而且我们对于氢气的纯度要求是比较低的，就是一氧化碳我们作为一种燃料燃烧掉了，同时硫化氢我们有措施和改进，因为硫化氢对铜的腐蚀特别强，特别快，但是我们都会做一些改进，对这些整个的有害气体的容忍度是非常高的。所以对这个氢气的纯度要求比较低。这样使我们在对一些蓝氢，特别是石油炼化，还有一些整个的别的一些电解行业，可以大大的节省我们氢气的提纯的纯度要求。

同时刚才我讲了，因为氢气的点火能量低，所以氢气很容易启动，我们这个就不存在启动困难的问题。对我们这个内燃发电机对于这个氢气的低温启动是不受影响的。刚才也讲了我们的综合效率是比较高的，就是发电效率+热效率，因为我们可以作为一个总的应用，所以整个的综合效率是比较高的。

同时，我们这个内燃机是这样的，就是说我们在最大负载的时候，我们的效率是最高的，所以我们的这种内燃机，不管是天然气的还是氢气发电，我们是希望大家100%负载，一直100%负载运行是最好的，这样的运行是最经济的。

还有一个就是刚才讲的就是我们有自带水泵，机油泵以及润滑油泵，只要有24小时蓄电池，就可以很容易的实现黑启动，当然这个是大家用天然气发电的时候就知道黑启动是什么意思，就是全部没有外电的时候我整个机器启动起来供电。还有一个就是大修周期，我们的大修周期会相当的高，同时终生运营维护成本很低，另外一个就是我们结构紧凑，占地面积也小。

另外我讲一下掺氢，因为国家发改委是在2021年推出了天然气管道20%掺氢的应用，实际上掺氢的时候你们看一下，如果是掺了氢以后我的碳排放是非常显著的，当然对氮氧化物影响是20%还是比较小的，后面的时候就是当我们达到100的时候我们的碳排放为零，但是其实还是有的，为什么呢?因为它会产生氮氧化物。但是我们为了控制氮氧化物最低，我们可以控制在100ppm，因为它的转速是恒定的。

另外就是卡特彼勒针对当前全世界的应用，我们是全线推出了25%的掺氢的升级套件的应用，实际上我们所有的刚才讲的卖出去的从400千瓦一直到4.5兆瓦，所有的天然气机组都可以应对以后国内20%掺氢的应用，只要加装我们该装的一个套件以后，就可以在原来天然气的基础上运行20%的掺氢。实际上我们设计的极限是25%。

实际上卡特彼勒早期的时候对整个的氢气利用经验是非常多的，特别是对后面这个大的机组，我们4.5兆瓦这个，就是60%的氢气，他已经用了差不多20年的时间了。还有一个是G3500列是40%的氢气，还有最高的就是132B系列，它有80%的氢气，当然这个80%的时候它的输出功率比天然气是降一点的，就是因为它需要大量的空气，我不能像原来控制那么多的进气量，所以说功率会降低一些。

还有一个就是讲到这个我就大概的讲一下我们的一些应用案例，这个首先一个纯氢内燃机的热电系统实际上我们是在美国能源部合作的一个项目，这个项目就是整个的可以做到三个同时运行，就是可以100%纯氢运行，20%掺氢运行和100%纯天然气运行，这个是和美国合作的一个项目。

还有就是一些热电联供的一些传统的3520H，这个是一个数据中心的，就是我们整个的不管是电，再加上一些排温，我们都可以做一些收集，这样可以对整个项目进行供电和制冷。这是另外一个云计算的项目，是两台4.5兆瓦的，我们这么大的机组都可以做到黑启动，当然它的黑启动是需要一些辅助的。还有一个是一个机场的三联供的一个设计。

因为氢气的成本是非常高的，所以对现阶段来讲做三连供应用可能不太现实，但是对于我们这种氢气内燃机来讲，在当前作为一个储能方式是非常非常合适的，特别是你不管是光伏储电以后，你的电没有用的时候，我可以电解产生氢气，当你需要电的时候，如果是没有光或者说没有风的时候，我就反向从X到电，这个X就是从氢气或者是甲醇都可以发电，这个可以作为一个很好的储能方式来考虑。另外一个就是这个投资成本应该是会好很多，同时刚才我也讲了一些并网的优势，我感觉我们的纯氢内燃机发电还是非常有优势的。

谢谢大家!