燃氣電廠天然氣摻氫技術應用及研究

蘇州工業園區藍天燃氣熱電有限公司 安 升

全球氣候問題日益嚴重，各國紛紛提出實現凈零碳排放目標。我國也在2020年提出“3060”目標，將持續投資可持續技術的非化石燃料能源產業。發電行業是全球二氧化碳排放的主要來源，可再生能源和去碳化是發電行業當前的主要研究方向。天然氣或燃油是目前發電重型燃氣輪機主要使用的燃料，近年燃氣輪機摻氫燃燒及摻氫比例逐步至純氫燃燒是燃氣輪機領域制造商和學者的研究重點。

天然氣摻氫燃燒是一種新型發電方式，具有更高的環保性和可調節性、更高的供電持續性和安全可靠性，不僅能緩解天然氣供應壓力，而且能加速氫能利用落地，使電力系統深度脫碳，為電廠保持長期競爭力提供幫助。因此，天然氣摻氫燃燒的研究、開發和示范應用是電力領域可持續發展的重要組成部分，通過不斷推動技術進步和創新應用，能更加有效地提高能源利用的效率和環保性，推動能源領域向更加環保、低碳、智能的方向轉型。

1 天然氣摻氫技術的應用及發展

1.1 國外天然氣摻氫的應用及發展

大量研究表明，當管道天然氣中摻入的氫氣比例在20%以下時，對燃氣管道和燃氣灶具等設施的影響很小。通用電氣、三菱動力、西門子等國際主要燃氣輪機廠商正在加速燃氣輪機摻氫技術的探索和布局，以開發具有燃料靈活性的新機型、升級現役燃機以及提高燃機摻氫燃燒能力，拓展新市場。這些廠商將燃氫技術應用于燃氣輪機領域已有20年歷史，并已在全球廣泛應用，并且計劃在2030年將輪機燃氫能力提升到100%。

1.2 國內天然氣摻氫的應用及發展

我國目前僅有兩個天然氣摻氫示范項目——遼寧省朝陽市和山西省晉城市的示范項目。朝陽市項目使用電解水制氫的方式，摻氫比例為10%；晉城市項目使用煤制氫。目前，我國尚未制定管輸摻氫天然氣中的摻氫比例的明確要求，只能參考現有的《進入天然氣長輸管道的氣體質量要求》和《車用壓縮氫氣天然氣混合燃氣》等標準。

由國家電投投資建設荊門綠動電廠于2021年12月23日成功實現了15%摻氫燃燒改造并正常運行。該項目采用了聯合循環、熱電聯供技術，同時還是首個全球商業領域燃氣輪機燃氫示范項目。2022年9月29日，該廠成功將燃氫比例提升到30%，并實現30%摻氫比以下靈活切換，這一重大的技術突破使我國擁有一套完成的燃氣輪機摻氫改造工程設計方案。

2 天然氣摻氫技術條件及應用改造

2.1 天然氣摻氫的優缺點

摻氫技術涉及燃燒科學、熱力學、化學等多個領域，需要結合燃料的物化性質、燃燒氧化過程等進行綜合設計。摻氫后會減少二氧化碳、固體顆粒物等大氣污染物排放，提升燃氣輪機效率，延長燃氣輪機熱通道部件壽命，充分發揮可再生能源潛力，減小對天然氣等化石燃料的過度依賴。

和天然氣相比，氫氣擴散速度更快、著火點更低、火焰傳播速度較高，導致天然氣摻氫燃燒后火焰著火位置將向上游遷移，存在回火風險；同時溫度峰值更高，且高溫區更為集中，易出現氮氧化物（NOx）排放值升高，氫氣燃燒間隔比起天然氣要更短，對燃燒室中的火焰產生影響，更易與振蕩適配，增加了燃燒壓力脈動大幅變化的風險，影響燃氣輪機安全穩定運行[1]。

表1 天然氣和氫氣物理特性對比

2.2 混氫站或調壓站建設及改造

混氣站或調壓站在設計時，要確保氣質符合燃氣輪機規范參數標準，對熱值及氣體成分、壓力、溫度波動等影響燃氣輪機穩定運行的參數深入分析其邊界范圍，同時考慮下游輸氣管道及燃氣輪機天然氣管道系統和燃燒室，合理增設旁路、放散、置換管路及接口，確保即使混氣站或調壓站發生事故異常時不會危及下游設備及管道[2]。

分別對天然氣和摻氫合成氣管道上裝設緊急切斷閥，增設氣體流量計、過濾器、色譜和熱值分析儀、加熱器、調壓器等設備，確保天然氣摻氫比例可以達到實時監測和調節。為滿足系統安全還應裝設氮氣吹掃系統、燃氣放散系統及排污系統，在管路上合理增設氮氣吹掃接頭及取樣口，放散管的放散量需滿足20%設計總量，為防止脆氫管材不低于20G，確保管道墊片符合DIN 2695標準，防止有毒氣體泄漏。控制系統可根據實際情況進行相應選擇。此外還應根據《工業企業噪聲衛生標準》將噪聲控制在85dB以內[3]。

混氣站或調壓站設計時應滿足GB 50028—2006《城鎮燃氣設計規范》、GB 50251—2015 《輸氣管道工程設計規范》、DL/T 5204—2016《發電廠油氣管道設計規程》、DL/T 5174—2003《燃氣-蒸汽聯合循環電廠設計規定》等相關技術規范要求。

2.3 燃氣輪機的改造

2.3.1 氣質成分變化對燃氣輪機熱流量的影響

華白數是熱流量重要的參數之一，公式（1）中Wi為華白數，Hi為燃氣熱值，Gs為燃氣相對密度。在燃氣輪機的運行中，如果燃料成分、發熱量均無較大變化，華白數前后變化偏差在±5%以內，則不需要對系統進行調整。但當燃料成分發生較大改變，比如混合氫氣的比例增加時，會導致燃氣輪機的性能和效率發生變化，可能需要對系統進行調整。當摻氫比為20%時，華白數的變化小于5%。但當摻氫達到30%時，華白數的變化超出規定范圍。

2.3.2 燃燒室及系統改造

隨著摻氫比例的逐漸提升，華白數變化超過規定值，會減低燃氣輪機燃燒穩定性，可能會產生燃燒脈動，出現機組熄火或回火等異常發生，更嚴重的會對整個燃燒室及燃燒部件產生損壞。所以高摻氫比就要對燃氣輪機及其相關輔助系統進行改造升級，主要對燃燒系統和燃料系統進行部件升級，后需對控制系統升級改造，將輸出功率等重要參數進行修正，對部件、控制系統要進行配套升級和優化，確保改造后機組能正常安全可靠運行。燃燒系統改造的目的主要是為了優化摻氫后的燃燒過程，其中包括燃燒室更換，冷卻空氣變化及燃空比調節等相關改造。燃料系統也需要進行相應改造，運行中的燃料配比及燃料閥門開度都需要重新修正，確保運行期間燃氣連續穩定供給。

為確保整體系統設備的安全穩定，還需對冷卻通風系統、氣體監測系統和火災監測系統等重要配套系統進行改造，目的意在使機組適應摻氫燃燒，機組性能及穩定性得到保障。確保在燃氣輪機改造后能滿足設計要求和各項安全標準。

在燃氣輪機改造過程中需結合實際情況選擇最適方案，保證改造后機組能正常運行切能產生預期經濟收益。改造過程應遵循國家相關標準和安全規范，尤其是在天然氣摻氫混合燃料的應用，更要確保改造后滿足安全和環境要求。因此，改造前必須進行充分的風險分析和安全評估，確保改造方案的科學性和合理性。

3 燃氣輪機天然氣摻氫分析方法

3.1 燃燒室物理模型及工況參數

CFD是一種通過計算機模擬實際物理流動現象的技術手段，將流體力學理論以編碼的形式嵌入計算軟件，利用數值模擬對流動、傳熱等各種工程問題進行求解，無論是規律的層流流動還是不規則的湍流流動、空間維數高低還是流體是否具有壓縮性，CFD軟件都能完整地展現實際物理現象。當模擬燃料燃燒等不同工況時，計算機會對基本控制方程進行求解，目前應用較廣的k-ε模型有三種，分別為：標準k-ε模型、RNG k-ε模型以及Realizable k-ε模型。

為更好的模擬實際工況使計算結果更加準確，通常會考慮輻射問題，Fluent軟件提供五種輻射模型，分別是：DTRM、P-1、Rosseland、S2S以及DO模型。與此同時，Fluent還提供了通用有限速度模型，非預混和燃燒模型，預混和燃燒模型，部分預混和燃燒模型四種燃燒模型。

3.2 數值方程求解

3.2.1 設定邊界條件

在使用CFD進行數值模擬求解時，需要對模型進行邊界條件的設定，這將直接影響到計算流場的解。為確保控制方程有確定解，需將流動現象劃分為有限個微元體，并根據自然界三大守恒定律確定相應的控制方程。同時還需設定定解條件，即邊界條件和初始條件。邊界條件需要滿足質量、能量和動量守恒等物理規律，而初始條件則是在最初計算時給出的觸發值。

3.2.2 數值計算驗證

利用Gambit軟件對計算域進行網格劃分，網格質量在0.3以上即可使用。在空氣進口區域和燃燒室大部分區域采用結構化網格，在燃燒器區域采用混合結構網格，在甲烷和氫氣的燃燒化學反應方面可采用了GRI1.2反應機理。此外，還需要對模型設定的參數和計算方法進行驗證。

4 研究結論

國內外在天然氣摻氫燃燒方面已經開展了多項基礎研究，李祥晟等[4]研究了摻氫對某貧燃預混燃燒和排放性能的影響，得到在摻氫比達到40%時將燃燒室產生較大回火風險。耿卅捷等分析了不同摻氫比下某貧燃預混燃氣輪機燃燒室內的溫度分布和NOx排放特性，得到最低污染物排放的最優當量比為0.47。Halter等人考察了壓力和含氫量對摻氫燃料火焰傳播速度的影響，發現氫氣的添加將導致火焰傳播速度顯著提升，同時火焰厚度變窄。Tuncer等人試驗分析了不同甲烷摻氫比條件下的全預混火焰的回火、振蕩以及NOx排放特性。Bougrine等人研究了預熱溫度對摻氫燃料火焰傳播速度的影響，指出GRI3.0機理在描述摻氫燃料火焰傳播速度方面具有精度和效率雙重優勢。Li等人揭示了不同含氫量和壓力下摻氫燃料的爆炸極限。等人試驗研究指出提高摻氫比能夠減少摻氫燃料的CO排放、提升火焰溫度及NOx排放，此外還發現空氣分級有助于降低NOx排放。上述基礎研究均表明摻氫將對天然氣的燃燒及排放特性產生顯著影響，因此在實際應用前需要對燃燒設備開展兼容性評估與改造。

目前，國外主要燃氣輪機制造商均針對摻氫燃氣輪機的燃燒室設計及改造開展了研究、開發及示范應用工作。西門子研究表明現有的天然氣燃氣輪機燃燒室在不做重大改動的情況下可直接使用含氫量15%～20%的摻氫天然氣。GE研發的多噴口燃燒室采用擴散燃燒方式，能夠燃用89%含氫量的混合燃氣，已在E級和F級燃氣輪機上得到應用，但NOx的排放問題較為突出。GE公司所開發的干式貧燃低NOx燃燒室中燃氣含氫量最高只能到15%，而為了避免回火風險，在實際運行中摻氫比也盡量控制在5%以下。三菱在摻氫燃氣輪機燃燒室中多采用向擴散燃燒噴注蒸汽或氮氣的方法降低NOx排放，然而隨著NOx排放政策日益嚴格，摻氫燃氣輪機燃燒室設計最終將向預混燃燒方向發展。

5 結語

燃氣輪機摻氫燃燒技術是實現拓寬氫能應用場景、保障能源供需平衡、產業終端用能脫碳的重要手段，還將推動發電行業可再生能源應用變革，加快減碳技術創新。建議政府加快頂層設計和規劃制定，合理安排產業環境和市場激勵與約束機制，加大財政支持和投資引導。企業需制定明確的發展戰略目標和實施落地規劃，加大資金和人才投入，聚焦重型燃機等關鍵技術設備的研發和國產化。各方合作加快技術創新和迭代升級，加強國際交流合作，保障燃料供應和拓展終端應用，最終通過氫—氣—電三能耦合協同發展，實現“雙碳”目標和綠色低碳轉型。