燃气电厂天然气掺氢技术应用及研究

苏州工业园区蓝天燃气热电有限公司 安 升

全球气候问题日益严重，各国纷纷提出实现净零碳排放目标。我国也在2020年提出“3060”目标，将持续投资可持续技术的非化石燃料能源产业。发电行业是全球二氧化碳排放的主要来源，可再生能源和去碳化是发电行业当前的主要研究方向。天然气或燃油是目前发电重型燃气轮机主要使用的燃料，近年燃气轮机掺氢燃烧及掺氢比例逐步至纯氢燃烧是燃气轮机领域制造商和学者的研究重点。

天然气掺氢燃烧是一种新型发电方式，具有更高的环保性和可调节性、更高的供电持续性和安全可靠性，不仅能缓解天然气供应压力，而且能加速氢能利用落地，使电力系统深度脱碳，为电厂保持长期竞争力提供帮助。因此，天然气掺氢燃烧的研究、开发和示范应用是电力领域可持续发展的重要组成部分，通过不断推动技术进步和创新应用，能更加有效地提高能源利用的效率和环保性，推动能源领域向更加环保、低碳、智能的方向转型。

1 天然气掺氢技术的应用及发展

1.1 国外天然气掺氢的应用及发展

大量研究表明，当管道天然气中掺入的氢气比例在20%以下时，对燃气管道和燃气灶具等设施的影响很小。通用电气、三菱动力、西门子等国际主要燃气轮机厂商正在加速燃气轮机掺氢技术的探索和布局，以开发具有燃料灵活性的新机型、升级现役燃机以及提高燃机掺氢燃烧能力，拓展新市场。这些厂商将燃氢技术应用于燃气轮机领域已有20年历史，并已在全球广泛应用，并且计划在2030年将轮机燃氢能力提升到100%。

1.2 国内天然气掺氢的应用及发展

我国目前仅有两个天然气掺氢示范项目——辽宁省朝阳市和山西省晋城市的示范项目。朝阳市项目使用电解水制氢的方式，掺氢比例为10%；晋城市项目使用煤制氢。目前，我国尚未制定管输掺氢天然气中的掺氢比例的明确要求，只能参考现有的《进入天然气长输管道的气体质量要求》和《车用压缩氢气天然气混合燃气》等标准。

由国家电投投资建设荆门绿动电厂于2021年12月23日成功实现了15%掺氢燃烧改造并正常运行。该项目采用了联合循环、热电联供技术，同时还是首个全球商业领域燃气轮机燃氢示范项目。2022年9月29日，该厂成功将燃氢比例提升到30%，并实现30%掺氢比以下灵活切换，这一重大的技术突破使我国拥有一套完成的燃气轮机掺氢改造工程设计方案。

2 天然气掺氢技术条件及应用改造

2.1 天然气掺氢的优缺点

掺氢技术涉及燃烧科学、热力学、化学等多个领域，需要结合燃料的物化性质、燃烧氧化过程等进行综合设计。掺氢后会减少二氧化碳、固体颗粒物等大气污染物排放，提升燃气轮机效率，延长燃气轮机热通道部件寿命，充分发挥可再生能源潜力，减小对天然气等化石燃料的过度依赖。

和天然气相比，氢气扩散速度更快、着火点更低、火焰传播速度较高，导致天然气掺氢燃烧后火焰着火位置将向上游迁移，存在回火风险；同时温度峰值更高，且高温区更为集中，易出现氮氧化物（NOx）排放值升高，氢气燃烧间隔比起天然气要更短，对燃烧室中的火焰产生影响，更易与振荡适配，增加了燃烧压力脉动大幅变化的风险，影响燃气轮机安全稳定运行[1]。

表1 天然气和氢气物理特性对比

2.2 混氢站或调压站建设及改造

混气站或调压站在设计时，要确保气质符合燃气轮机规范参数标准，对热值及气体成分、压力、温度波动等影响燃气轮机稳定运行的参数深入分析其边界范围，同时考虑下游输气管道及燃气轮机天然气管道系统和燃烧室，合理增设旁路、放散、置换管路及接口，确保即使混气站或调压站发生事故异常时不会危及下游设备及管道[2]。

分别对天然气和掺氢合成气管道上装设紧急切断阀，增设气体流量计、过滤器、色谱和热值分析仪、加热器、调压器等设备，确保天然气掺氢比例可以达到实时监测和调节。为满足系统安全还应装设氮气吹扫系统、燃气放散系统及排污系统，在管路上合理增设氮气吹扫接头及取样口，放散管的放散量需满足20%设计总量，为防止脆氢管材不低于20G，确保管道垫片符合DIN 2695标准，防止有毒气体泄漏。控制系统可根据实际情况进行相应选择。此外还应根据《工业企业噪声卫生标准》将噪声控制在85dB以内[3]。

混气站或调压站设计时应满足GB 50028—2006《城镇燃气设计规范》、GB 50251—2015 《输气管道工程设计规范》、DL/T 5204—2016《发电厂油气管道设计规程》、DL/T 5174—2003《燃气-蒸汽联合循环电厂设计规定》等相关技术规范要求。

2.3 燃气轮机的改造

2.3.1 气质成分变化对燃气轮机热流量的影响

华白数是热流量重要的参数之一，公式（1）中Wi为华白数，Hi为燃气热值，Gs为燃气相对密度。在燃气轮机的运行中，如果燃料成分、发热量均无较大变化，华白数前后变化偏差在±5%以内，则不需要对系统进行调整。但当燃料成分发生较大改变，比如混合氢气的比例增加时，会导致燃气轮机的性能和效率发生变化，可能需要对系统进行调整。当掺氢比为20%时，华白数的变化小于5%。但当掺氢达到30%时，华白数的变化超出规定范围。

2.3.2 燃烧室及系统改造

随着掺氢比例的逐渐提升，华白数变化超过规定值，会减低燃气轮机燃烧稳定性，可能会产生燃烧脉动，出现机组熄火或回火等异常发生，更严重的会对整个燃烧室及燃烧部件产生损坏。所以高掺氢比就要对燃气轮机及其相关辅助系统进行改造升级，主要对燃烧系统和燃料系统进行部件升级，后需对控制系统升级改造，将输出功率等重要参数进行修正，对部件、控制系统要进行配套升级和优化，确保改造后机组能正常安全可靠运行。燃烧系统改造的目的主要是为了优化掺氢后的燃烧过程，其中包括燃烧室更换，冷却空气变化及燃空比调节等相关改造。燃料系统也需要进行相应改造，运行中的燃料配比及燃料阀门开度都需要重新修正，确保运行期间燃气连续稳定供给。

为确保整体系统设备的安全稳定，还需对冷却通风系统、气体监测系统和火灾监测系统等重要配套系统进行改造，目的意在使机组适应掺氢燃烧，机组性能及稳定性得到保障。确保在燃气轮机改造后能满足设计要求和各项安全标准。

在燃气轮机改造过程中需结合实际情况选择最适方案，保证改造后机组能正常运行切能产生预期经济收益。改造过程应遵循国家相关标准和安全规范，尤其是在天然气掺氢混合燃料的应用，更要确保改造后满足安全和环境要求。因此，改造前必须进行充分的风险分析和安全评估，确保改造方案的科学性和合理性。

3 燃气轮机天然气掺氢分析方法

3.1 燃烧室物理模型及工况参数

CFD是一种通过计算机模拟实际物理流动现象的技术手段，将流体力学理论以编码的形式嵌入计算软件，利用数值模拟对流动、传热等各种工程问题进行求解，无论是规律的层流流动还是不规则的湍流流动、空间维数高低还是流体是否具有压缩性，CFD软件都能完整地展现实际物理现象。当模拟燃料燃烧等不同工况时，计算机会对基本控制方程进行求解，目前应用较广的k-ε模型有三种，分别为：标准k-ε模型、RNG k-ε模型以及Realizable k-ε模型。

为更好的模拟实际工况使计算结果更加准确，通常会考虑辐射问题，Fluent软件提供五种辐射模型，分别是：DTRM、P-1、Rosseland、S2S以及DO模型。与此同时，Fluent还提供了通用有限速度模型，非预混和燃烧模型，预混和燃烧模型，部分预混和燃烧模型四种燃烧模型。

3.2 数值方程求解

3.2.1 设定边界条件

在使用CFD进行数值模拟求解时，需要对模型进行边界条件的设定，这将直接影响到计算流场的解。为确保控制方程有确定解，需将流动现象划分为有限个微元体，并根据自然界三大守恒定律确定相应的控制方程。同时还需设定定解条件，即边界条件和初始条件。边界条件需要满足质量、能量和动量守恒等物理规律，而初始条件则是在最初计算时给出的触发值。

3.2.2 数值计算验证

利用Gambit软件对计算域进行网格划分，网格质量在0.3以上即可使用。在空气进口区域和燃烧室大部分区域采用结构化网格，在燃烧器区域采用混合结构网格，在甲烷和氢气的燃烧化学反应方面可采用了GRI1.2反应机理。此外，还需要对模型设定的参数和计算方法进行验证。

4 研究结论

国内外在天然气掺氢燃烧方面已经开展了多项基础研究，李祥晟等[4]研究了掺氢对某贫燃预混燃烧和排放性能的影响，得到在掺氢比达到40%时将燃烧室产生较大回火风险。耿卅捷等分析了不同掺氢比下某贫燃预混燃气轮机燃烧室内的温度分布和NOx排放特性，得到最低污染物排放的最优当量比为0.47。Halter等人考察了压力和含氢量对掺氢燃料火焰传播速度的影响，发现氢气的添加将导致火焰传播速度显著提升，同时火焰厚度变窄。Tuncer等人试验分析了不同甲烷掺氢比条件下的全预混火焰的回火、振荡以及NOx排放特性。Bougrine等人研究了预热温度对掺氢燃料火焰传播速度的影响，指出GRI3.0机理在描述掺氢燃料火焰传播速度方面具有精度和效率双重优势。Li等人揭示了不同含氢量和压力下掺氢燃料的爆炸极限。等人试验研究指出提高掺氢比能够减少掺氢燃料的CO排放、提升火焰温度及NOx排放，此外还发现空气分级有助于降低NOx排放。上述基础研究均表明掺氢将对天然气的燃烧及排放特性产生显著影响，因此在实际应用前需要对燃烧设备开展兼容性评估与改造。

目前，国外主要燃气轮机制造商均针对掺氢燃气轮机的燃烧室设计及改造开展了研究、开发及示范应用工作。西门子研究表明现有的天然气燃气轮机燃烧室在不做重大改动的情况下可直接使用含氢量15%～20%的掺氢天然气。GE研发的多喷口燃烧室采用扩散燃烧方式，能够燃用89%含氢量的混合燃气，已在E级和F级燃气轮机上得到应用，但NOx的排放问题较为突出。GE公司所开发的干式贫燃低NOx燃烧室中燃气含氢量最高只能到15%，而为了避免回火风险，在实际运行中掺氢比也尽量控制在5%以下。三菱在掺氢燃气轮机燃烧室中多采用向扩散燃烧喷注蒸汽或氮气的方法降低NOx排放，然而随着NOx排放政策日益严格，掺氢燃气轮机燃烧室设计最终将向预混燃烧方向发展。

5 结语

燃气轮机掺氢燃烧技术是实现拓宽氢能应用场景、保障能源供需平衡、产业终端用能脱碳的重要手段，还将推动发电行业可再生能源应用变革，加快减碳技术创新。建议政府加快顶层设计和规划制定，合理安排产业环境和市场激励与约束机制，加大财政支持和投资引导。企业需制定明确的发展战略目标和实施落地规划，加大资金和人才投入，聚焦重型燃机等关键技术设备的研发和国产化。各方合作加快技术创新和迭代升级，加强国际交流合作，保障燃料供应和拓展终端应用，最终通过氢—气—电三能耦合协同发展，实现“双碳”目标和绿色低碳转型。