ipolytechiPolytech JournaliPolytech Journal2782-40042782-6341Irkutsk National Research Technical University10.21285/1814-3520-2021-3-342-355ipolytech-492Research ArticleЭНЕРГЕТИКАPOWER ENGINEERINGДобавление водорода к топливному газу для повышения энергетических характеристик газотурбинных установокAdding hydrogen to fuel gas to improve energy performance of gas-turbine plantsМарьинГ. Е.MarinG. E.

Марьин Георгий Евгеньевич, старший машинист энергоблоков цеха парогазовых установок, АО «Татэнерго», филиал «Казанская ТЭЦ–2»; старший преподаватель кафедры энергетического машиностроения, Казанский государственный энергетический университет

420021, г. Казань, ул. Салимжанова, 1420066, г. Казань, ул. Красносельская, 51

George E. Marin, Senior Control Room Operator of the Combined Cycle Plant of JSC ‘Tatenergo’, Branch of Kazan CHP-2; Senior Lecturer of the Department of Power Engineering, Kazan State Power Engineering University

1 Salimzhanov St., Kazan 42002151 Krasnoselskaya St., Kazan 420066

george64199@mail.ruОсиповБ. М.OsipovB. M.

Осипов Борис Михайлович, кандидат технических наук, доцент, профессор кафедры энергетического машиностроения

420066, г. Казань, ул. Красносельская, 51

Boris M. Osipov, Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor, Professor of the Department of Power Engineering

51 Krasnoselskaya St., Kazan 420066

obm0099@ya.ruАхметшинА. Р.AkhmetshinA. R.

Ахметшин Азат Ринатович, кандидат технических наук, доцент кафедры энергетического машиностроения, Казанский государственный энергетический университет; ведущий специалист Ассоциации «Росэлектромонтаж»

420066, г. Казань, ул. Красносельская, 51111250, г. Москва, пр. Завода «Серп и Молот», 6/1/615

Azat R. Akhmetshin, Сand. Sci. (Eng.), Associate Professor of the Department of Power Engineering, Kazan State Power Engineering University; e-mail: dr.akhmetshin@ieee.org Chief Specialist of the Roselectromontazh Association

51 Krasnoselskaya St., Kazan 4200666/1/615, Zavoda Serp I Molot proezd, Moscow 111250

dr.akhmetshin@ieee.orgСавинаМ. В.SavinaM. V.

Савина Мария Валерьевна, кандидат технических наук, доцент кафедры энергетического машиностроения

420066, г. Казань, ул. Красносельская, 51

Maria V. Savina, Сand. Sci. (Eng.), Associate Professor of the Department of Power Engineering

51 Krasnoselskaya St., Kazan 420066

pmv_83@mail.ruКазанский государственный энергетический университет; АО «Татэнерго» филиал «Казанская ТЭЦ–2»РоссияKazan State Power Engineering University; JSC ‘Tatenergo’, Branch of Kazan CHP-2Russian FederationКазанский государственный энергетический университетРоссияKazan State Power Engineering UniversityRussian FederationКазанский государственный энергетический университет; Ассоциация «Росэлектромонтаж»РоссияKazan State Power Engineering University; Roselectromontazh AssociationRussian Federation202106072021253342355Copyright © Марьин Г.Е., Осипов Б.М., Ахметшин А.Р., Савина М.В., 20212021Марьин Г.Е., Осипов Б.М., Ахметшин А.Р., Савина М.В.Marin G.E., Osipov B.M., Akhmetshin A.R., Savina M.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ipolytech.elpub.ru/jour/article/view/492

Цель – расчет технико-экономической эффективности добавления водорода к природному газу для улучшения энергетических характеристик топлива газотурбинных установок при длительной эксплуатации месторождений газа. Для разработки математической модели газотурбинного двигателя General Electric 6FA применялись методы математического моделирования в программе АС ГРЭТ. Показано, что снижение теплотворной способности топлива приводит к увеличению расхода топлива на 11%, происходит увеличение количества CO2, NO, NO2 в выхлопных газах газовой турбины. Установлено, что в период отрицательных температур и пиковых режимов работы оборудования мощность турбины будет ограничена пропускной способностью топливной системы (максимальное ее значение составило 5,04 кг/с). Показано, что одним из способов повышения энергетических характеристик является добавление водорода к исходному природному газу. Проведены расчеты энергетической эффективности при различных соотношениях компонентов топлива (водорода и природного газа) при переменных режимах работы установки в диапазоне нагрузок от 75 до 85 МВт. Рассчитан мгновенный расход топливного газа: при мощности 85 МВт он составил 5,04 кг/с (при содержании в подаваемом топливе 4,5% водорода и 95,5% природного газа). Показано, что добавление водорода ввиду его высокой стоимости целесообразно производить только в пиковых режимах для достижения максимальной мощности газотурбинной установки. Предложенный метод добавки водорода в количестве 4,5% к топливному газу позволяет сохранить максимальный расход топлива в количестве 5,04 кг/с для достижения наибольшей мощности 85 МВт. При использовании данного метода нет ограничений по максимальной и пиковой мощностям газотурбинной установки.

The study aims to calculate the technical and economic efficiency of adding hydrogen to natural gas to improve the energy characteristic of the fuel in gas-turbine plants during long-term gas field operations. Mathematical modelling techniques in the CAS CFDPT (computer-aided system for computational fluid dynamics of power turbomachinery) program were used to develop a mathematical model of the General Electric 6FA gas turbine engine. It was shown that a decrease in the calorific value of the fuel leads to an increase in fuel consumption by 11% and the amount of CO2, NO2 in the turbine exhaust gas. It was determined that, during the freezing season and peak power rating operations, the turbine power is limited by the fuel system capacity (its maximum value amounted to 5.04 kg/s). It was shown that energy characteristics can be improved by adding hydrogen to the feed natural gas. Energy efficiency was calculated at different fuel components (hydrogen and natural gas) ratios at variable-load operation in the range between 75 and 85 MW. Instant fuel gas flow amounted to 5.04 kg/s (with 4.5% hydrogen and 95.5% natural gas in the feed fuel) at 85 MW. Due to its high cost, the use of hydrogen is only advisable in peak power rating operations to reach the maximum capacity of the gas-turbine plant. The proposed method of adding 4.5% hydrogen to fuel gas allows the maximum fuel consumption to be maintained at a rate of 5.04 kg/s to reach the topping power of 85 MW. When using this method, there are no limitations on the maximum and peak capacity of the gas-turbine plant.

парогазовая установкагазотурбинная установкарежимы работы электростанциитопливный газкомпонентпроцесс сгоранияcombined cycle plantgas turbine-plantspower plant operation modesfuel gascomponentcombustion processReferencesМарьин Г.Е., Осипов Б.М. Критерии выбора составов топлив при их сжигании в газотурбинных установках с незначительными переделками топливной системы // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2020. Т. 24. № 2. С. 356–365. https://doi.org/10.21285/1814-3520-2020-2-356-365Marin GE, Osipov BM. Choice criteria in the composition of fuel applied in gas turbine installations with minor fuel system modifications. Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta = Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2020;24(2):356–365. (In Russ.) https://doi.org/10.21285/1814-3520-2020-2356-365Марьин Г.Е., Осипов Б.М., Зунино П., Менделеев Д.И. Влияние состава топлива на энергетические параметры газотурбинной установки // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2020. Т. 22. № 5. С. 41–51. https://doi.org/10.30724/1998-9903-2020-22-5-41-51Marin GE, Osipov BM, Zunino P, Mendeleev DI. Influence of fuel composition on energy parameters of gas turbine plant. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Problemy energetiki = Power engineering: Research, Equipment, Technology. 2020;22(5):41-51. (In Russ.) https://doi.org/10.30724/1998-9903-2020-22-5-41-51De Vries H., Mokhov A.V., Levinsky H.B. The impact of natural gas/hydrogen mixtures on the performance of enduse equipment: Interchangeability analysis for domestic appliances // Applied Energy. 2017. Vol. 208. Р. 1007–1019. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2017.09.049De Vries H, Mokhov AV, Levinsky HB. The impact of natural gas/hydrogen mixtures on the performance of enduse equipment: Interchangeability analysis for domestic appliances. Applied Energy. 2017;208:1007–1019. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2017.09.049Cho H.M., He Bang-Quan. Combustion and emission characteristics of a lean burn natural gas engine // International Journal of Automotive Technology. 2008. Vol. 9. No. 4. P. 415–422. https://doi.org/10.1007/s12239-008-0050-5Cho HM, He Bang-Quan. Combustion and emission characteristics of a lean burn natural gas engine. International Journal of Automotive Technology. 2008;9(4):415–422. https://doi.org/10.1007/s12239-008-0050-5Lokini P., Roshan D.K., Kushari A. Influence of swirl and primary zone airflow rate on the emissions and performance of a liquid-fueled gas turbine combustor // Journal of Energy Resources Technology. 2019. Vol. 141. Iss. 6. P. 062009. https://doi.org/10.1115/1.4042410Lokini P, Roshan DK, Kushari A. 5. Lokini P, Roshan DK, Kushari A. Influence of swirl and primary zone airflow rate on the emissions and performance of a liquid-fueled gas turbine combustor. Journal of Energy Resources Technology. 2019;141(6):062009. https://doi.org/10.1115/1.4042410Marin G.E., Mendeleev D.I., Akhmetshin A.R. Analysis of changes in the thermophysical parameters of the gas turbine unit working fluid depending on the fuel gas composition // International Multi-Conference on Industrial Engineering and Modern Technologies (FarEastCon) (Vladivostok, 1–4 October 2019). Vladivostok: IEEE, 2019. P. 1–4. https://doi.org/10.1109/FarEastCon.2019.8934021Marin GE, Mendeleev DI, Akhmetshin AR. Analysis of changes in the thermophysical parameters of the gas turbine unit working fluid depending on the fuel gas composition. In: International Multi-Conference on Industrial Engineering and Modern Technologies (FarEastCon). 1–4 October 2019, Vladivostok. Vladivostok: IEEE; 2019, p. 1–4. https://doi.org/10.1109/FarEastCon.2019.8934021Alcaráz-Calderon A.M., González-Díaz М.О., Mendez Á., González-Santaló J.M., González-Díaz А. Natural gas combined cycle with exhaust gas recirculation and CO2 capture at part-load operation // Journal of the Energy Institute. 2019. Vol. 92. Iss. 2. P. 370–381. https://doi.org/10.1016/j.joei.2017.12.007Alcaráz-Calderon AM, González-Díaz МО, Mendez Á, González-Santaló JM, González-Díaz А. Natural gas combined cycle with exhaust gas recirculation and CO 2 capture at part-load operation. Journal of the Energy Institute. 2019;92(2):370–381. https://doi.org/10.1016/j.joei.2017.12.007Swamy M., Singh К., Pavan A.H.V., Harison M.C.A., Jayaraman G. Failure investigation of frame 6FA gas turbine compressor blades // Transactions of the Indian Institute of Metals. 2016. Vol. 69. Р. 647–651. https://doi.org/10.1007/s12666-015-0775-6Swamy M, Singh К, Pavan AHV, Harison MCA, Jayaraman G. Failure investigation of frame 6FA gas turbine compressor blades. Transactions of the Indian Institute of Metals. 2016. Vol. 69. Р. 647–651. https://doi.org/10.1007/s12666-015-0775-6Титов А.В., Осипов Б.М. Инструментальная среда для исследования газотурбинных установок на математических моделях // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2017. № 4. С. 17–21.Titov AV, Osipov BM. Instrumental medium for gas turbine research on mathematical models. Vestnik Kazanskogo gosudarstvennogo energeticheskogo universiteta. 2017;4;17–21. (In Russ.)Солуянов Ю.И., Федотов А.И., Ахметшин А.Р., Халтурин В.А. Энергосберегающие решения в распределительных электрических сетях на основе анализа их фактических нагрузок // Электроэнергия. Передача и распределение. 2020. № 5. С. 68–73.Soluyanov YuI, Fedotov AI, Akhmetshin AR, Khalturin VA. Energy-saving solutions in distribution electric networks based on the analysis of their actual loads. Elektroenergiya. Peredacha i raspredelenie. 2020;5(62):68–73. (In Russ.)Солуянов Ю.И., Федотов А.И., Ахметшин А.Р., Халтурин В.А. Актуализация расчетных электрических нагрузок с последующим практическим применением на примере Республики Татарстан // Промышленная энергетика. 2021. № 2. С. 32–40. https://doi.org/10.34831/EP.2021.15.61.005Soluyanov YuI, Fedotov AI, Akhmetshin AR, Khalturin VA. Actualization of calculated electrical loads with subsequent practical application on the example of the Republic of Tatarstan. Promyshlennaya energetika. 2021;2:32–40. (In Russ.) https://doi.org/10.34831/EP.2021.15.61.005Ермолаев Д.В., Тимофеева С.С. Влияние моделей структуры асфальтенов высоковязкого углеводородного сырья на энергетические характеристики получаемого синтез-газа // Труды Академэнерго. 2019. № 3. С. 122–134. https://doi.org/10.34129/2070-4755-2019-56-3-122-134Ermolaev DV, Timofeeva SS. Influence of the structure models of asphaltenes of high-viscous hydrocarbon feedstocks on the thermal properties of produced syngas. Trudy Akademenergo. 2019;3:122–134. (In Russ.) https://doi.org/10.34129/2070-4755-2019-56-3-122-134Бачев Н.Л., Шилова А.А., Матюнин О.О., Бульбович Р.В. Организация низкотемпературного бедного горения утилизируемого газа // Проблемы региональной энергетики. 2020. № 3. С. 56–68. https://doi.org/10.5281/zenodo.4018968Bachev NL, Shilova AA, Matyunin OO, Bulbovich RV. Organization of low-temperature poor combustion of recycled gas. Problemy regional'noi energetiki = Problems of regional energy. 2020;3:56–68. (In Russ.) https://doi.org/10.5281/zenodo.4018968Lukai Zheng, Cronly J., Ubogu E., Ahmed I., Yang Zhang, Khandelwal B. Experimental investigation on alternative fuel combustion performance using a gas turbine combustor // Applied Energy. 2019. Vol. 238. P. 15301542. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2019.01.175Lukai Zheng, Cronly J, Ubogu E, Ahmed I, Yang Zhang, Khandelwal B. Experimental investigation on alternative fuel combustion performance using a gas turbine combustor. Applied Energy. 2019;238:1530–1542. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2019.01.175Lukai Zheng, Chenxing Ling, Ubogu E.A., Cronly J., Ahmed I., Yang Zhang, et al. Effects of alternative fuel properties on particulate produced in a gas turbine combustor // Energy Fuels. 2018. Vol. 32. No. 9. P. 9883-9897. https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.8b01442Lukai Zheng, Chenxing Ling, Ubogu EA, Cronly J, Ahmed I, Yang Zhang, et al. Effects of alternative fuel properties on particulate produced in a gas turbine combustor. Energy Fuels. 2018;32(9):9883–9897. https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.8b01442EsclapezL., Ma P.C., Mayhew E., Rui Xu, Stouffer S., Tonghun Lee, et al. Fuel effects on lean blow-out in a realistic gas turbine combustor // Combustion and Flame. 2017. Vol. 181. P. 82–99. https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2017.02.035Esclapez L, Ma PC, Mayhew E, Rui Xu, Stouffer S, Tonghun Lee, et al. Fuel effects on lean blow-out in a realistic gas turbine combustor. Combustion and Flame. 2017;181:82–99. https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2017.02.035Цанев С.В., Буров В.Д., Торжков В.Е. Дожигание топлива в тепловой схеме конденсационных парогазовых установок с котлами-утилизаторами одного давления. М.: Изд-во МЭИ, 2004. 48 с.Tsanev SV, Burov VD, Torzhkov VE. Fuel afterburning in the thermal circuit of condensing combined cycle plants with waste-heat boilers of the same pressure. Moscow: Moscow Power Engineering Institute; 2004, 48 p. (In Russ.)Kayfeci M., Keçebaş A., Bayat M. Hydrogen Production // Solar Hydrogen Production: Processes, Systems and Technologies. Academic Press, 2019. Р. 45–83. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-814853-2.00003-5Kayfeci M, Keçebaş A, Bayat M. Hydrogen production. In: Solar Hydrogen Production: Processes, Systems and Technologies. Academic Press; 2019, р. 45–83. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-814853-2.00003-5Dodds P.E., Staffell I., Hawkes A.D., Li Francis, Grünewald P., McDowall W., et al. Hydrogen and fuel cell technologies for heating: a review // International Journal of Hydrogen Energy. 2015. Vol. 40. Iss. 5. P. 2065–2083. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2014.11.059Dodds PE, Staffell I, Hawkes AD, Li Francis, Grünewald P, McDowall W, et al. Hydrogen and fuel cell technologies for heating: a review. International Journal of Hydrogen Energy. 2015;40(5):2065–2083. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2014.11.059Jinlong Liu, Dumitrescu C.E. Numerical investigation of methane number and Wobbe index effects in LeanBurn natural gas spark-ignition combustion // Energy Fuels. 2019. Vol. 33. No. 5. P. 4564–4574. https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.8b04463Jinlong Liu, Dumitrescu CE. Numerical investigation of methane number and Wobbe index effects in LeanBurn natural gas spark-ignition combustion. Energy Fuels. 2019;33(5):4564–4574. https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.8b04463Shaker M., Sundfor E., Farine G., Slater C., Farine P.A., Briand D. Design and optimization of a low power and fast response viscometer used for determination of the natural gas Wobbe index // IEEE Sensors Journal. 2019. Vol. 19. No. 23. P. 10999–11006. https://doi.org/10.1109/jsen.2019.2928479Shaker M, Sundfor E, Farine G, Slater C, Farine PA, Briand D. Design and optimization of a low power and fast response viscometer used for determination of the natural gas Wobbe index. IEEE Sensors Journal. 2019;19(23):10999–11006. https://doi.org/10.1109/jsen.2019.2928479Roy P.S., Ryu Ch., Chan Seung Park. Predicting Wobbe index and methane number of a renewable natural gas by the measurement of simple physical properties // Fuel. 2018. Vol. 224. P. 121–127. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2018.03.074Roy PS, Ryu Ch, Chan Seung Park. Predicting Wobbe index and methane number of a renewable natural gas by the measurement of simple physical properties. Fuel. 2018;224:121–127. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2018.03.074Islamova S.I., Timofeeva S.S., Khamatgalimov A.R., Ermolaev D.V. Kinetic analysis of the thermal decomposition of lowland and high-moor peats // Solid Fuel Chemistry. 2020. Vol. 54. P. 154–162. https://doi.org/10.3103/S0361521920030040Islamova SI, Timofeeva SS, Khamatgalimov AR, Ermolaev DV. Kinetic analysis of the thermal decomposition of lowland and high-moor peats. Solid Fuel Chemistry. 2020;54:154–162. https://doi.org/10.3103/S0361521920030040

The authors declare that there are no conflicts of interest present.