某型號F級燃氣輪機混氫燃燒的性能分析和工程實踐

李立新， 張昭昭

(國家電力投資集團有限公司湖北分公司，武漢 430077)

為實現綠色可持續發展、助力“雙碳”目標的實現，能源行業應當減少對化石能源的依賴，提高可再生能源的利用效率。而要提高可再生能源的利用效率，就要解決其大規模利用、長期存儲與并網的問題。氫能因具有單位質量能量高、可大規模壓縮存儲和零碳排放等優點，其與可再生能源相結合形成的“氫電耦合”的能源技術路線是解決可再生能源有效利用問題的重要手段。

在燃氣輪機天然氣燃料中摻混氫，將有助于提高以天然氣為燃料的燃氣輪機排放性能，減少未燃天然氣和CO，并降低CO2的排放量[1]。對于燃氣輪機電廠而言，目前面臨著減碳、天然氣成本高的雙重壓力，在此背景下開展現役燃氣輪機的混氫改造，既符合綠色環保、低碳排放的要求，又能提高燃氣輪機電廠的運行靈活性，從而提高其市場競爭力。

目前，國外主要燃氣輪機制造商紛紛致力于混氫乃至純氫燃燒的大功率燃氣輪機的研究和測試工作，但還沒有商運機組。2021年12月，國家電投集團荊門綠動能源有限公司在運燃氣輪機成功實現15%摻氫燃燒改造和運行，這是我國首次在重型燃氣輪機商業機組上實施摻氫燃燒改造試驗和科研攻關。國內在該項目之前也沒有燃氣輪機混氫改造、試驗和投入商運的案例。該項目作為國內氫混燃氣輪機聯合循環、熱電聯供(CCHP)項目，對某F級重型燃氣輪機熱電聯供機組成功進行了混氫改造，使其具備15%～30%(體積分數，下同)混氫燃燒的能力，第一階段已完成15%混氫的商業試運，第二階段將進一步升級完成30%混氫的示范應用。該項目的成功實施為燃氣輪機電廠轉型及國內電力系統低碳轉型積累了重要的實踐經驗，對同類型燃氣輪機的改造提供了重要參考。

1 混氫燃燒的挑戰

1.1 混氫燃燒的穩定性

根據國際能源署(IEA)的報告[2]，天然氣與氫氣燃料特性的對比見表1。由表1可知，采用氫氣替換天然氣具有以下特點：(1) 單位質量氫氣的低位發熱量(LHV)是天然氣的3倍，而在大氣壓下單位體積氫氣的低位發熱量只有天然氣的1/3，所以需要將氫氣進一步壓縮，并采用更大的儲罐；(2) 氫氣的著火能量是天然氣的1/3，傳播速度是天然氣的8倍，在空氣中的可燃范圍約為天然氣的5倍，這些特征表明相對于天然氣，氫氣更容易出現自燃和燃燒室回火的風險；(3) 氫氣燃燒時，由于燃燒間隔特別短，火焰和振蕩更容易匹配，增加了燃燒壓力波動的可能性[3]。

表1 氫氣與天然氣燃料特性的對比

1.2 混氫燃燒對熱流量的影響

華白數Wi是燃氣熱值與其相對密度平方根的比值，是表征燃氣熱流量的重要參數，其計算方法見式(1)。如圖1所示,在燃氣輪機運行中，當燃料成分變化較小、導致發熱量變化較小時，無需進行系統調整[4](華白數變化小于5%)。當混氫比例為20%時，華白數的變化小于5%，而當混氫比例達到30%時，華白數的變化為7.66%，不同混氫比例時，燃燒室的改造范圍也不同。

(1)

式中：Wi為華白數，kJ/m3；Hi為燃氣熱值，kJ/m3；Gs為燃氣相對密度(設空氣的相對密度為1)。

圖1 燃料華白數隨混氫比例變化的曲線

1.3 混氫燃燒下降低NOx排放的措施

在絕熱條件下，氫氣火焰溫度比天然氣高約300 K。燃燒室局部火焰溫度升高，會導致燃燒室出口NOx排放量增加。一般有3種方式降低NOx排放量[5]：(1) 預混燃燒；(2) 蒸汽或惰性氣體稀釋；(3) 排氣中去除。一般認為方案(3)的經濟性較差。混氫比例較大的情況下，采用預混燃燒面臨氫氣易燃問題，需對原燃燒室進行改造。

根據火力發電廠大氣污染物排放標準要求，以氣體為燃料的燃氣輪機NOx排放質量濃度應低于50 mg/m3，因此機組改造后的NOx排放仍需滿足該指標。

1.4 氣體燃料系統的挑戰

氫氣摻燒對氣體燃料系統的技術要求也較高:(1) 氫氣體積分數的波動范圍小，氣體中氫氣體積分數的最大允許變化限值為±0.5%/s，以滿足燃燒和控制的需求；(2) 氣體燃料中的氫氣體積分數在5%～<25%內時，氣體燃料溫度不得超過140 ℃，氫氣體積分數超過25%時，氣體燃料溫度需低于55 ℃；(3) 當氫氣體積分數超過5%時，原紅外探測器無法檢測到燃氣中的氫氣，需進行改造。

2 混氫改造技術方案

實施混氫燃燒的機組為某型號54 MW F級燃氣-蒸汽聯合循環機組，燃氣輪機型號為SGT-800，額定功率為54 MW；余熱鍋爐為雙壓臥式自然循環鍋爐，蒸發質量流量為77 t/h；汽輪機為抽汽凝汽式機組，型號為C23-7.8/1.3，純凝額定功率為22.6 MW，額定供熱功率為10.5 MW。

2.1 燃氣輪機本體改造方案

為使該燃氣輪機適應混氫燃燒，需對燃氣輪機及其輔助系統進行一系列改造。主要包括燃燒系統、燃料系統、罩殼通風系統、氣體檢測系統、火災監測系統和空氣吹掃系統改造等，并涉及燃氣輪機輸出功率修正、危險區域重新劃分等。

對混氫比例為5%～15%、>15%～30%的2種運行工況制定了不同燃氣輪機改造方案。通過對燃燒器、燃料系統、燃氣輪機罩殼危險氣體檢測系統、火焰檢測系統和通風系統等進行改造，最終實現燃氣輪機30%的混氫能力。主要改造項見表2。

表2 燃氣輪機本體改造方案

根據燃氣輪機設計校核要求，當氫氣體積分數超過15%時，必須安裝新的適合氫氣的燃燒器。本次改造對燃氣輪機本體共計30個燃燒器進行了更換，為防止回火，在每個燃燒器上安裝了回火監控元件，用于監控、報警和回火跳閘處理，同時對控制邏輯進行改造和升級。

氣體燃料中氫氣體積分數的最大允許變化限值為±0.5%/s。必須對燃料的混合進行精確控制和監測，以使燃料成分中的瞬間變化率不超過這個最大變化率。

此外，氫氣還存在與整體安全相關的其他操作挑戰。

(1) 氫氣燃燒后火焰的光度低，很難從視覺上看到，需要專門為氫氣火焰配置火焰檢測系統。火災探測系統中的標準紅外火焰探測器(FMX-3501)能夠探測氫氣體積分數高達15%的火焰，對于氫氣體積分數高于15%的燃燒混合氣，紅外火焰探測器將會更換為組合式紅紫外復合(UV/IR)探測器類型。

(2) 氫氣可以通過可能被認為是氣密或不滲透其他氣體的密封件擴散。因此，與天然氣一起使用的傳統密封系統可能需要用焊接連接或其他合適的組件代替。當氫氣體積分數超過5%時，需要使用催化探測器。因原紅外火焰探測器無法檢測到燃氣中的氫氣。系統新增帶有催化氣體探測器的全新氣體探測系統。

2.2 燃料系統混氫技術方案

電廠目前需外購氫氣后通過氫氣管束車運輸至廠內，在廠內增設卸氫站實現氫氣供應。氫氣經卸氣柱進入氫氣調壓單元，氫氣調壓單元分3路并聯設置。調壓前氫氣壓力為4.0～20 MPa，調壓后氫氣壓力為3.5 MPa。

摻混點位于已建天然氣調壓站減壓撬后。天然氣從調壓器后管道引出，與氫氣管道分為2路進入混氣罐進行靜態預混，預混后的燃料進入混氫天然氣管道被輸送至燃氣輪機前置模塊。

混氣罐前氫氣管道設置高精度流量比例調節閥、高精度流量計，混氣罐前天然氣管道設置高精度流量計，2路流量信號與氫氣流量比例調節閥形成閉環控制。實時測量天然氣體積流量，對于氫氣，按照天然氣體積流量測量值的一定比例控制閥門開度，并設定報警和高高報警等。

3 混氫燃燒的熱力性能分析

采用混氫燃料運行時，由于燃料成分質量分數發生變化，燃料的熱值以及燃氣輪機熱力參數均會發生變化，實際運行工況點將偏離原設計工況點。

建立燃氣輪機熱力性能模型，分別對天然氣、15%混氫燃料、30%混氫燃料的燃氣輪機熱力系統進行分析。

3.1 燃氣輪機熱力性能模型

3.1.1 壓氣機

在保持轉速和進口空氣參數不變時，通過比折合等熵效率計算壓氣機的等熵效率[6]：

(2)

式中：Mc為壓氣機比折合流量；nc為壓氣機比折合轉速；ηc為壓氣機比折合效率；c為系數。

不考慮外部損失時壓氣機所需消耗的功率為：

(3)

3.1.2 透平

透平變工況特性計算采用弗留格爾公式[7]：

(4)

式中：qm,t為燃氣質量流量，kg/s；T3為透平前燃氣總溫，K；p3為透平前燃氣總壓，kPa；p4為透平后的燃氣靜壓，kPa；π為透平的膨脹比，π=p3/p4；下標0代表設計工況點。

透平做功Pt為：

(5)

3.1.3 燃燒室

燃燒室的能量平衡公式[4]如下：

qm,a(ha，T2-ha,T1)+qm,f(hf,Tf-hf,T1)+

qm,fHu,T1ηr=(qm,a+qm,f)(hg,T3-hg,T1)=

(qm,a-qm,fL0)(ha,T3-ha,T1)+

qm,f(1+L0)(hpg,T3-hpg,T1)

(6)

式中：ηr為燃燒效率；qm,a為流進燃燒室的空氣質量流量，kg/s;qm,f為供入燃燒室的燃料質量流量，kg/s;ha,T2、ha,T1、ha,T3分別為空氣在溫度為T2、T1、T3時的焓，J/kg;hpg,T3、hpg,T1分別為純燃氣在溫度為T3和T1時的焓，J/kg;hg,T3、hg,T1分別為燃燒產物在溫度為T3和T1時的焓，J/kg;Hu,T1為溫度T1時測定的燃料低位發熱量，J/kg;hf,Tf、hf,T1分別為燃料在溫度Tf和T1時的焓，J/kg；L0為理論空氣量。

其中，氣體燃料發熱量可以按下式計算：

Hu，T1=∑riHui，T1

(7)

式中：ri為氣體燃料中各種組成氣體的體積分數或質量分數；Hui,T1為氣體燃料中各種組成氣體在溫度T1條件下的低位發熱量。

3.1.4 燃氣輪機輸出功率及效率

燃氣輪機輸出功率Ngt計算公式[6]為：

qm×ηmηgr

(8)

式中：f為燃空質量比；ηm為機械效率；ηgr為發電機效率;ηt為透平效率。

燃氣輪機效率為：

(9)

式中：Hu,f為燃料的低位發熱量；ηe為廠用電率。

3.2 燃氣輪機性能計算結果及分析

計算國家標準化組織(ISO)工況、75%ISO工況下，3種混氫比例(0%、15%、 30%)下的燃氣輪機性能參數，結果見表3。

表3 ISO工況和75% ISO工況下燃氣輪機性能參數

由表3可知，隨著混氫比例的提高，燃氣輪機的輸出功率、效率、排氣溫度和排氣質量流量均有所下降。與燃用天然氣燃料滿負荷運行工況相比，15%混氫滿負荷運行下的燃氣輪機輸出功率下降不大，下降幅度僅為1.84%，30%混氫滿負荷運行時下降幅度為7.48%。滿負荷工況下，燃氣輪機效率同樣隨混氫比例的升高下降幅度變小，15%混氫和30%混氫運行時下降幅度分別為0.26%和1.28%。燃氣輪機排氣溫度在15%混氫時下降1.5%，30%混氫時下降5.6%。

研究表明，當燃料中氫氣體積分數高于10%時，需要降低燃氣輪機輸出功率，以維持NOx的排放水平。結合熱力型NOx生成機理，通過適當降低燃燒器燃燒溫度，可以抑制混氫燃料產生的NOx排放升高和回火問題，此時透平入口溫度T3會下降。

根據弗留格爾公式，在透平燃氣質量流量不變的情況下，透平入口溫度T3降低，透平入口壓力p3也降低，此時燃氣輪機壓氣機壓比和透平膨脹比均下降。且T3降低幅度比p3降低幅度更大，透平排氣溫度T4也隨之降低。上述參數變化導致混氫后燃氣輪機輸出功率和效率均降低。

在燃氣輪機滿負荷下，混氫比例為15%和30%時，CO2排放質量流量由7.76 kg/s分別降低到7.25 kg/s和6.44 kg/s，不同混氫比例及年利用時間的CO2減排量見表4。

表4 混氫燃氣輪機CO2減排效果

3.3 聯合循環性能影響分析

除燃氣輪機外，燃氣-蒸汽聯合循環的其他主要設備為余熱鍋爐和汽輪機，需對其進行適應性分析。混氫比例為15%和30%的工況下，余熱鍋爐排煙溫度略有升高(見表5)，對原鋼制煙囪無腐蝕影響。

表5 余熱鍋爐排煙溫度

進入余熱鍋爐的煙氣熱量隨著混氫比例的增大而逐漸減少。在ISO工況下，余熱鍋爐高壓過熱器和低壓過熱器的蒸汽質量流量和蒸汽溫度的變化分別如圖2和圖3所示。由圖2和圖3可知，隨著燃氣-蒸汽聯合循環燃氣輪機混氫比例的升高，高壓過熱器蒸汽質量流量和蒸汽溫度下降，低壓過熱器蒸汽質量流量隨之升高，但蒸汽溫度基本保持不變。汽輪機的主汽汽溫未超過許用要求，汽輪機的運行安全不受影響。

圖2 余熱鍋爐蒸汽質量流量變化

圖3 余熱鍋爐蒸汽溫度變化

4 混氫改造技術效果

4.1 混氫運行參數

燃氣輪機額定功率下的混氫運行參數見圖4，圖中LEL代表可燃氣體的爆炸下限。由圖4可知，長管拖車內氫氣壓力約20 MPa，經過卸氫柱后降低為9.42 MPa，再經過氫氣減壓撬，降低為3.45 MPa，經過流量計和調節閥后進一步降低到3.18 MPa，與調壓站經過調節后3.19 MPa的天然氣在混氣罐內混合，出口壓力為3.18 MPa，溫度為18.5 ℃，混氣罐出口氫氣體積分數為14.9%，混氫天然氣去燃氣輪機前置模塊。

圖4 燃氣輪機混氫運行參數

混氫比例的變化曲線見圖5，每秒鐘記錄1個數據，每秒鐘的最大變化率為0.2%，滿足最大允許變化限值±0.5%/s的要求，說明此次混氫過程較為平穩，精度較高，滿足控制要求。

圖5 氫氣摻混過程中混氫比例的變化曲線

4.2 燃氣輪機混氫運行工況

表6給出了燃氣輪機未混氫和混氫比例為15%時機組運行參數。表6給出的運行工況參數與第3.2節熱力性能計算分析所反映的總體趨勢一致。混氫后煙氣體積流量基本保持不變，燃氣輪機輸出功率和燃氣輪機效率也基本一致。混氫后的透平入口溫度、燃氣輪機排氣平均溫度和燃燒器平均溫度均有降低，其中透平入口溫度降低了13.9 K，燃氣輪機排氣平均溫度降低9 K，燃燒器平均溫度降低7 K。燃燒器平均溫度是混氫后新加的測點溫度，位于噴嘴附近，用于監視回火情況。混氫后余熱鍋爐高壓過熱器出口蒸汽質量流量與溫度略有下降，低壓過熱器出口蒸汽質量流量略有增加，出口蒸汽溫度基本不變。

表6 54 MW工況運行參數對比

與第3.2節熱力性能計算分析結果不同，實際工況環境參數與熱力性能計算時采用ISO工況存在差異，另外運行燃氣輪機背壓高于熱力性能計算背壓設定值，透平排氣溫度也較熱力性能計算工況高，因此燃氣輪機性能參數的實際值與計算值存在差異，運行工況下的燃氣輪機效率低于熱力性能計算工況效率值。

試驗結果表明，混氫后燃燒穩定，燃燒器平均溫度沒有明顯升高，沒有出現回火現象。改造前機組的NOx排放質量濃度為39.9 mg/m3，改造后機組的NOx排放質量濃度為46.1 mg/m3，滿足改造要求。

5 結 論

(1) 混氫改造的難點主要集中在燃燒室及其輔機的改造和氫氣摻混系統，基于對混氫對燃燒穩定性、熱流量、NOx排放影響以及燃料系統混氫技術方案的研究，提出了某型號F級燃氣輪機本體和混氫系統的改造方案。

(2) 建立燃氣輪機熱力性能模型，分別對天然氣、15%混氫燃料、30%混氫燃料的燃氣輪機、聯合循環熱力系統進行了分析，熱力性能分析結果為混氫改造提供技術支撐。

(3) 混氫改造工程實踐顯示，改造后燃燒穩定，燃燒器平均溫度沒有明顯升高，沒有出現回火現象，燃氣輪機輸出功率基本保持不變，NOx排放合格；在燃氣輪機額定負荷下，混氫15%和混氫30%后，按照年運行小時數3 000～6 000 h計算，預計每年可降低CO2排放量分別約為0.55～1.10萬t、1.89～2.84萬t。

(4) 隨著后續混氫30%的示范應用，以及大規模可再生能源制氫成本進一步降低，“氫電耦合”的能源路線將有助于燃氣輪機電廠減少碳排放、提高運行靈活性、降低運行成本、提高市場競爭力。