燃气轮机掺氢50%实现！天然气掺氢燃烧在争议中持续前行

近日，Georgia Power（佐治亚电力）和Mitsubishi Power（三菱电力）宣布，在美国佐治亚州斯米尔纳市的McDonough-Atkinson工厂的M501GAC天然气涡轮机上部分和满负荷混合氢气和天然气燃料的第二次试验。本次试验也是“首个”在燃气轮机上验证 50% 天然气掺氢燃烧的测试项目。

2022 年，该电厂已完成 20% 氢混合测试，此次在2022年基础上进一步提升比例至50%。在50%掺氢比例试验之前，电厂还进行了多项测试，包括从 5% 到 50% 不等的多种不同的混合百分比。此外燃气轮机还进行了从蒸汽冷却到风冷的技术改造，并引入 J 系列燃烧技术，优化启动时间、调节能力与维护成本，为高比例掺氢创造条件。

天然气掺氢仍存在争议

• 能源替代重要途径。国内天然气进口需求从十年前的592亿方到如今接近2000亿方的快速增长，巨大的能源安全隐患一直客观存在并在逐年放大。从立足本土天然气储量的基础上寻求能源替代之路，而最直接也最有效的方式之一就是天然气掺氢。
• 氢气消纳的重要途径。天然气燃烧在工业和居民生活中有广泛的应用。氢气部分或全部替代天然气有利于提升氢气的应用规模，从而为提升制氢技术和降低制氢成本提供正反馈。
• 天然气应用的重要降碳方式。天然气在工业上光伏应用于发电于热源。氢气的可燃烧性使氢气成为火电和工业热源过渡为零碳生产的重要工具。

批评者则从能源转化效率、成本、减排预期等角度出发，建议有限度地鼓励天然气掺氢应用的发展。

• 转换效率低。“电-氢-（燃烧）电”的能量利用效率不足30%，甚至仅为20%，是对能量载体的不当利用。
  

• 经济性优势难实现。相同状态下，氢气热值仅为同体积天然气的1/3，因此氢气价格必须至少达到天然气的1/3才能实现掺氢/纯氢燃烧的经济性，而目前绿氢价格动辄30元/kg以上，实现经济性还有很长的路。

• 基建成本高。掺氢/纯氢需要对氢气管道、管道增压压缩机、燃气轮机进行新建/改造工程，毫无疑问需要大量的基建改造成本投入。    

• 减排效果不及预期。氢气本身并非强效温室气体，但大气中的氢气会延长甲烷在大气中的存留时间，而甲烷的温室效应是CO2的73倍，有研究认为，氢气的温室效应为CO₂的35倍（前20年内）。因此，有研究提出，需氢气比例≥80%仅减少50% CO₂排放；比例为20%仅减少CO2排放减少量约5%。

国内持续推动天然气掺氢燃烧项目发展

全球范围内，各设备厂家和火电企业一直致力于从掺氢掺烧向纯氢燃烧发展。国内在天然气掺氢/纯氢燃烧等方面起步相对较晚，但在数年间也取得了令人瞩目的进步。

2022年，国家电投荆门绿动能源有限公司在运燃机成功实现15%掺氢运行，同年9月，又成功实现30%掺氢燃烧改造和运行，这是我国首次在重型燃机商业机组上实施高比例掺氢燃烧改造试验和科研攻关，也是全球范围内首个在天然气联合循环、热电联供商业机组中进行高比例掺氢燃烧的示范项目。

2023年11月，杭汽轮集团在高效低碳燃气轮机试验装置国家重大科技基础设施（江苏中科能源动力研究中心）CTF#1燃烧室试验平台成功开展自主HGT51F燃气轮机燃烧室掺氢中压全温试验，天然气燃料的掺氢比例达到25%，是国内首次在自主重型燃气轮机全尺寸燃烧室开展掺氢比例超过20%的试验研究。

2024 年 7 月，我国首台自主研制的 F 级 50 兆瓦重型燃气轮机（G50）完成 30% 掺氢全尺寸试验，实现年减排 CO₂约 1.8 万吨；

2024 年 9 月，杭汽轮 HGT51F 燃烧室在国内率先完成 40% 掺氢全温全压试验，攻克了高氢燃料的回火和热声振荡难题；同月，浙能天然气集团于 2024 年 9 月成功完成 30% 掺氢燃烧及分离试验，验证了终端设备的安全性。

2024年12月22日，全球首台30MW级纯氢燃气轮机“木星一号”在整机试验中首次点火成功，这是目前全球单机功率最大的纯氢发电机组。

另外值得一提的是，在《国家能源局综合司关于组织开展能源领域氢能试点工作的通知 国能综通科技〔2025〕91 号》中明确支持开展氢氨燃料供电供能方向试点工作，其中燃机类项目规模不低于 10 兆瓦，掺氢/掺氨比例不低于 15%；燃煤锅炉类项目规模不低于 300 兆瓦，掺氢/掺氨比例不低于 10%。