Добавление водорода к топливному газу для повышения энергетических характеристик газотурбинных установок

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.

1. Марьин 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/10.21285/1814-3520-2020-2-356-365

2. Марьин 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/10.30724/1998-9903-2020-22-5-41-51

3. De 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.2017.09.049

4. Cho 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/s12239-008-0050-5

5. Lokini 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/10.1115/1.4042410

6. Marin 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.2019.8934021

7. Alcaráz-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.2017.12.007

8. Swamy 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/s12666-015-0775-6

9. Титов А.В., Осипов Б.М. Инструментальная среда для исследования газотурбинных установок на математических моделях // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2017. № 4. С. 17–21.

10. 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.

11. 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.2021.15.61.005

12. Ермолаев 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/10.34129/2070-4755-2019-56-3-122-134

13. Бачев 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.4018968

14. Lukai 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.2019.01.175

15. Lukai 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.8b01442

16. EsclapezL., 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.2017.02.035

17. Цанев 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.

18. 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/B978-0-12-814853-2.00003-5

19. Dodds 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.2014.11.059

20. Jinlong 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.8b04463

21. Shaker 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.2019.2928479

22. Roy 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.2018.03.074

23. Islamova 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/S0361521920030040