Сжигание водородосодержащих газов в газотурбинных установках – Водородные технологические решения

Сжигание водородосодержащих газов в газотурбинных установках

Сжигание водородосодержащих газов в газотурбинных установках

В. Д. Буров, к.т.н. – ФГБОУ ВО НИУ «МЭИ»

Б. А. Рыбаков, к.т.н. – ООО «СК-Инжиниринг»

М. А. Савитенко – АНО «Центр исследований и научных разработок

в области энергетики «Водородные технологические решения»

Характеристики водородосодержащих газов (ВСГ) зависят от содержания водорода в топливном газе. Выявление этих зависимостей необходимо для определения параметров пунктов подготовки топливного газа для газотурбинных установок.

Использование водорода в качестве топливного газа становится актуальной темой. Это вызвано, прежде всего, тем, что при сжигании водорода не выделяется углекислый газ, а образуется только водяной пар. Так, при сжигании одного килограмма водорода (Н2) выделяется 120 МДж тепловой энергии и 9 кг водяного пара (Н2О). При сжигании одного килограмма метана (СН4) выделяется 50 МДж тепловой энергии, а также 2,75 кг углекислого газа (СО2) и 2,25 кг водяного пара (Н2О), то есть 5 кг парниковых газов.

Таким образом, для получения 120 МДж тепловой энергии потребуется сжечь 2,4 кг метана. При этом в атмосферу попадет 6,6 кг углекислого газа и 5,4 кг водяного пара, то есть 12 кг парниковых газов.

При сжигании водородосодержащих газов (ВСГ) выбросы углекислого газа в атмосферу будут снижаться по сравнению с выбросами СО2, образующимися при сжигании природного газа, как показано на рис. 1.

Важным является определение возможности сжигания водородосодержащих смесей в газотурбинных установках при использовании «стандартных» камер сгорания, разработанных для природного газа.

В табл. 1 дан компонентный состав природного газа и водородосодержащего газа. Из таблицы видно, что природный газ состоит в основном из метана, а ВСГ – из метана и водорода, поэтому для моделирования основных характеристик ВСГ будем использовать характерис-тики метана и водорода.

В табл. 2 приведены значения объемной низшей теплоты сгорания и плотности природного газа и ВСГ при стандартных условиях, а также значения числа Воббе. Как видно, у водородосодержащего газа данные значения ниже, чем у природного газа – это обусловлено характеристиками водорода.

Из табл. 3, где приведены такие характеристики, как плотность (r), низшая теплота сгорания (НТС) и низшее число Воббе (WI) метана, водорода и природного газа, видно, что объемная теплота сгорания водорода в 3,4 раза меньше, чем природного газа; плотность – в 8,3 раза меньше, массовая теплота сгорания – в 2,4 раза выше, а число Воббе водорода ниже, чем природного газа, всего на 18 %.

Если в водородосодержащем газе доля азота не превышает 1 %, то объемная теплота сгорания ВСГ ниже, чем у природного газа, массовая теплота выше, а объемное число Воббе ниже, чем природного газа.

Отсюда следует вывод: поскольку объемная теплота сгорания водорода существенно ниже, чем у природного газа, то при сжигании ВСГ проходное сечение газопроводов и оборудования системы подготовки топливного газа (фильтров, запорно-регулирующей арматуры, теплообменников) должно быть увеличено по отношению к проходному сечению газопровода природного газа.

Зависимость характеристик ВСГ от содержания водорода

На графиках рис. 2 (а, б, в, г) представлены зависимости плотности, объемной и массовой теплоты сгорания и объемного числа Воббе водородосодержащего газа от объемной концентрации водорода.

Для каждой газотурбинной установки существует допустимый диапазон изменения теплоты сгорания и числа Воббе топливного газа. Например, для ГТУ SGT5-2000E максимальное значение массовой теплоты сгорания топливного газа равно 50 МДж/кг ± 5 %.

Поскольку массовая теплота сгорания ВСГ  выше, чем у природного газа (49 МДж/кг), то подмешивание водорода к природному газу увеличит массовую теплоту сгорания топливного газа. При максимальном значении массовой теплоты сгорания 52,5 МДж/кг максимальная допустимая объемная концентрация водорода в топливном газе составит 0,27 (27 %).

При подмешивании водорода к природному газу число Воббе топливного газа уменьшится, так как значения объемного числа Воббе  ниже, чем у природного газа (48,1 МДж/м3).

Минимальное значение объемного низшего числа Воббе водородсодержащего газа для ГТУ SGT5-2000E составляет 37,5 МДж/м3.

Из графика на рис. 2г видно, что зависимость числа Воббе от концентрации водорода имеет минимум при значении концентрации водорода в ВСГ равном 0,84. Минимальное значение числа Воббе равно 38,44 МДж/м3, что превышает минимально допустимое значение для водородосодержащего газа.

Следовательно, для ГТУ SGT5-2000E объемное число Воббе ВСГ не является ограничивающим фактором. Ограничивающий фактор для нее – значение максимальной массовой теплоты сгорания ВСГ.

Увеличение предельной концентрации водорода за счет добавления азота

Массовую теплоту сгорания ВСГ можно уменьшить с помощью подмешивания азота к топливному газу. Это приведет к снижению массовой теплоты сгорания, поскольку азот является инертным газом, имеющим плотность 1,25 кг/м3. Для ГТУ SGT5-2000E минимальное значение массовой теплоты сгорания топливного газа равно 39,9 МДж/кг.

В табл. 4 показаны значения массовой теплоты сгорания и объемного числа Воббе от объемной концентрации водорода при объемной концентрации азота в ВСГ, изменяющейся в диапазоне 9,3…9,6 %. Из таблицы видно, что концентрация водорода в топливном газе может быть существенно увеличена при подмешивании к ВСГ азота. Вторым важным эффектом подмешивания азота является уменьшение в ВСГ доли природного газа. Так, при концентрации азота в природном газе менее 1 % допустимая концентрация водорода равна 27 %, а доля природного газа – 72 %. При подмешивании 9 % азота в ВСГ допустимая концентрация водорода увеличивается до 31 %, а доля природного газа уменьшается до 60 %.

На графиках рис. 3 (а,б,в,г) представлены зависимости плотности, объемной и массовой теплоты сгорания и объемного числа Воббе водородосодержащего газа от объемной концентрации водорода при подмешивании 10 % (об.) азота. На рис. 3в видно, что массовая низшая теплота сгорания ВСГ изменяется в диапазоне от 41 до 47 МДж/кг при изменении концентрации водорода от 0 до 100 %.

Следовательно, при концентрации 10 % азота в ВСГ массовая теплота сгорания находится в допустимом диапазоне при изменении концентрации водорода от 0 до 100 %.

На рис. 3г видно, что присутствие 10 % азота в ВСГ минимально допустимое число Воббе достигается при концентрации водорода 32 %, что на 5 % выше допустимого значения WI при отсутствии азота.Следовательно, присутствие азота в ВСГ позволяет увеличить допустимую концентрацию водорода в топливном газе.

При 32 % водорода и 10 % азота доля метана в ВСГ уменьшается до 58 %.Для сравнения: при отсутствии азота в ВСГ допустимая концентрация водорода равна 27 %, соответственно, доля метана составит 73 %.

Организация процесса смешения ВСГ и природного газа

В табл. 5 приведены примеры компонентного состава природного газа и водородосодержащего газа с концентрацией водорода 60 %; в табл. 6 – значения объемной низшей теплоты сгорания и плотности природного газа и ВСГ при нормальных условиях, а также значения объемного низшего числа Воббе природного газа и ВСГ.

Массовая низшая теплота сгорания ВСГ равна 59, 9 МДж/кг, что существенно выше максимально допустимого значения числа Воббе для SGT5-2000E. Чтобы обеспечить сжигание водородосодержащего газа, имеющего состав, приведенный в табл. 6, необходимо к ВСГ подмешивать природный газ.

Расчет показывает: чтобы снизить массовую теплоту сгорания водородосодержащего газа с 59,9 до 52,5 МДж/кг, необходимо к исходному ВСГ подмешать такой объем природного газа, чтобы его доля в смеси составляла 55 % (об.) суммарного объема топливного газа. Как уже отмечалось выше, долю природного газа в топливном газе можно уменьшить, если подмешивать к ВСГ азот.

При расчете геометрических размеров смешивающего устройства необходимо принять во внимание, что плотность ВСГ существенно меньше плотности природного газа из-за присутствия в ВСГ водорода, имеющего низкую плотность. Нужно учитывать также, что ВСГ производится, как правило, с низким давлением, поэтому перед смешивающим устройством статическое давление ВСГ и природного газа необходимо выравнять, или редуцировать природный газ, имеющий более высокое давление, до давления в газопроводе ВСГ с помощью регулятора давления, или повысить давление ВСГ с помощью газодожимной компрессорной установки.

Для измерения расходов смешиваемых потоков на каждом входном газопроводе (природного газа и исходного ВСГ) необходимо установить расходомерные устройства, а для регулирования расходов природного газа и ВСГ – регуляторы расхода.

Смешивающие устройства (СУ) могут иметь самые разнообразные формы – от простых тройников до сложных аэродинамических конструкций. При организации процесса смешения важно определить аэродинамическое сопротивление СУ. В том случае, если после узла смешения необходимо повышать давление ВСГ с помощью газодожимной компрессорной установки, снижение давления на СУ придется компенсировать путем увеличения мощности КУ, что приведет к увеличению собственных нужд газотурбинного энергоблока.

Необходимо, как минимум, контролировать следующие входные и выходные параметры ВСГ, а также природного газа: плотность, низшую теплоту сгорания, число Воббе, давление, температуру.

Поскольку в процессе смешения двух газовых потоков повышается турбулентность, что, как правило, сопровождается увеличением пульсаций давления, а также других перечисленных выше параметров, нужно устанавливать датчики для измерения параметров смешанного газа на таком расстоянии от СУ, где смесь ВСГ и природного газа имеет гомогенный характер.

Известно, что за счет искусственной интенсификации процесса смешения с помощью завихрителей потока можно уменьшить расстояние от узла смешения до места, где поток будет гомогенным, но, как правило, интенсификация смешения приводит к увеличению аэродинамического сопротивления СУ. В связи с этим необходим поиск оптимальных конструктивных и технологических решений при проектировании СУ для смешения двух газовых сред с различными параметрами.

Регулирование состава топливного газа подмешиванием ВСГ

Розжиг газовой турбины осуществляется на природном газе. Подмешивание ВСГ к топливному газу производится путем управления регулирующим клапаном, который установлен на линии ВСГ.

В зависимости от требований к составу топливного газа ГТУ можно предложить несколько вариантов регулирования состава топливного газа:

  1. Регулирование процентного содержания ВСГ в топливном газе.

Этот метод применим при условии, если достаточным показателем состава топливного газа для газовой турбины является процентное содержание в нем ВСГ. В этом случае требуемое процентное содержание ВСГ в топливном газе задается оператором либо САУ газовой турбины. Клапан на линии ВСГ регулирует отклонение фактического расхода ВСГ от требуемого расхода. Требуемый расход определяется в зависимости от его заданного процентного содержания в топливном газе следующим образом:

 

Fofg = Ffg (k/100),                                             (1)

 

где Fofg – требуемый объемный расход ВСГ, м3/ч; Ffg – измеренный объемный расход топливного газа (смеси ВСГ и природного газа), м3/ч; k – заданное процентное объемное содержание ВСГ, %.

 

  1. Регулирование числа Воббе расчетным путем.

Применяется тогда, когда достаточным показателем состава топливного газа для газовой турбины является расчетное значение числа Воббе топливного газа. Допускается статистическая погрешность между заданным и фактическим значением. В этом случае требуемое число Воббе топливного газа задается оператором либо САУ ГТ.

Суть метода заключается в том, что, зная заданное число Воббе топливного газа, можно рассчитать содержание ВСГ в топливном газе, при котором число Воббе будет равно заданному значению с учетом погрешности расчета. Клапан на линии ВСГ регулирует отклонение фактического расхода ВСГ от требуемого. Требуемый расход определяется в зависимости от его процентного содержания в топливном газе, как указано выше. В свою очередь, процентное содержание ВСГ, при котором будет обеспечиваться заданное значение WI, определяется из формулы вычисления числа Воббе для смеси двух газов:

 

WI =                                                                 ,(2)

 

 

где WI – заданное число Воббе (Wobbe Index), MДж/м3; Qofg – низшая теплота сгорания ВСГ, MДж/м3; Qng – низшая теплота сгорания природного газа, MДж/м3; Gsofg – относительная плотность ВСГ (отношение плотности ВСГ к плотности воздуха при нормальных условиях); Gsng – относительная плотность природного газа (отношение плотности природного газа к плотности воздуха при нормальных условиях); k – искомое процентное содержание ВСГ, %.

Решив уравнение относительно k, получим:

 

k =                               . 100,                       (3)

 

где a = (Qofg – Qng)2;

b = 2Qng(Qofg – Qng) – W2(Gsofg – Gsng);

c = Qng2 – W2Gsng.

Зная требуемое содержание ВСГ, необходимое для обеспечения заданного числа Воббе топливного газа, определяем требуемый расход ВСГ (см. выражение 1).

 

  1. Регулирование числа Воббе расчетным путем

с коррекцией по его фактическому отклонению.

Этот метод применим в том случае, если необходимо точное регулирование WI (он дополняет вариант 2). Суть метода – введение корректирующего ПИ контура регулирования на основании фактического отклонения числа Воббе. Настройка контура осуществляется в процессе наладки. На выходе корректирующего контура формируется поправка к расчетному требуемому значению расхода ВСГ, на основе которой регулирующий клапан на линии подачи ВСГ будет поддерживать измеренное число Воббе топливного газа в заданных пределах.

Физический смысл числа Воббе

Число Воббе (WI) является признанным международным критерием взаимозаменяемости газообразных топлив. Оно определяется как отношение объемной теплоты сгорания топливного газа к квадратному корню относительной плотности газа при нормальных условиях. Число Воббе, низшее или высшее, характеризует тепловую мощность и аэродинамические параметры горелочного устройства при постоянном давлении. Этот критерий был сформулирован в 1927 г. итальянским инженером Альфредо Воббе.

Поскольку WI учитывает изменение теплоты сгорания газа и плотности при изменении состава газа, сгорающего при атмосферных условиях, т.е. близких к нормальным (0 °С) или стандартным условиям, то оно является критерием взаимозаменяемости газообразных топлив для устройств, работающих при давлениях и температурах близких к атмосферным.

В отличие от котельных, сжигающих газ при низких давлениях, в ГТУ газ сжигается при повышенных значениях давления и температуры на входе в КС. В современных ГТУ температура топливного газа на входе в камеру сгорания достигает 250 °С, давление – 6 МПа.

Плотность газа на входе в камеру сгорания пропорциональна плотности газа при нормальных условиях, давлению газа перед КС и обратно пропорциональна температуре газа:

 

r = rну . (Р/Pну) . (Tну/T),

 

где rну, Pну, Tну– плотность, давление и температура (К) газа при нормальных условиях;

r, P, T– плотность, давление и температура  газа на входе в камеру сгорания ГТУ.

Произведение расхода газа на низшую теплоту сгорания равно количеству теплоты, выделяемому при сжигании газа в КС в единицу времени.

Сравним параметры двух газов – №1 и №2, имеющих разный компонентный состав, соответственно, различную теплоту сгорания, при подводе к ГТУ одинакового количества теплоты в единицу времени. Для учета давления и температуры топливного газа на входе в КС предлагается использовать Актуальное число Воббе, которое связано с традиционным WI следующим выражением:

АWI = Qн (об.)/(rгкс/rвну)0,5,            (4)

 

где rгкс – плотность газа на входе в КС ГТУ, rвну – плотность воздуха при нормальных условиях.

Актуальное число Воббе связано с традиционным WI выражением

АWI = WI / (rгкс/rгну)0,5.                     (5)

Количество теплоты, подводимое к КС в единицу времени, равно произведению массовой теплоты сгорания на массовый расход топливного газа:

 

G1 . Qн1 (масс.) = G2 . Qн2 (масс.),      ( 6 )

 

где Qн1 (масс.) – массовая низшая теплота сгорания газа №1 (МДж/кг); Qн2 (масс.) – массовая низшая теплота сгорания газа №2 (МДж/кг); G1, G2 – массовые расходы газов №1 и №2 (кг/c).

Преобразуем выражение (6):

(1/r1ну) . G1 . Qн1 (об.) = (1/r1ну) . G2 . Qн1 (об.), (7)

 

где r1ну, r1ну – плотность газов №1 и №2 при нормальных условиях (кг/м3).

Используя стандартное число Воббе, выражение (7) можно записать так:

(rвну/r1ну)–0,5 . G1 . WI1 = (rвну/r2ну)–0,5. G2. WI2, (8)

 

где, WI – число Воббе, равное Qн(об.)/ (rгну/rвну)0,5; Qн (об.) – объемная низшая теплота сгорания; rгну – плотность газа при нормальных условия;ρrвну – плотность воздуха при нормальных условиях.

При изменении состава газа, изменится его плотность и теплота сгорания. Соответственно, для сохранения постоянной тепловой мощности ГТУ должен измениться расход топливного газа.

Если число Воббе газов №1 и №2 постоянно, то отношение массового расхода к корню плотности газа должно быть постоянным. В этом случае процессы смесеобразования газа и воздуха должен быть «подобными» для обоих газов. Стандартный критерий Воббе хорошо «работает» в устройствах, где процесс смешения и горения газа и воздуха осуществляется в условиях (температуре и давлении) близких к атмосферным.

Используя Актуальное число Воббе (AWI), выражение (5) можно записать так:

(rвну/r1гкс)–0,5 . G1 . WI1 = (rвну/r2гкс)–0,5 . G2 . WI2, (9)

где, АWI равно Qн (об.)/(rгкс /rвну)0,5.

Из (9) следует, что число Воббе пропорционально отношению квадратного корня из относительной плотности на входе в КС к массовому расходу газа. Можно показать, что отношение массового расхода G к корню из плотности газа r0,5 пропорционально динамическому напору газовых струй на входе в КС.

Динамический напор газовых струй равен половине произведения плотности газа на квадрат его скорости, то есть Рдин = (ru2)/2, где r – плотность, а u – средняя скорость истечения газа. Средняя скорость истечения газа пропорциональна массовому расходу газа (G) и обратно пропорциональна плотности газа (r) и площади сечения газовых струй (F), то есть

 

u = (1/r) . (G/F).

 

Выразим динамический напор газовых струй в виде

 

Рдин = (1/2) . (1/r) . (G/F)2.

 

Учитывая, что площадь проходного сечения газораспределительных отверстий остается постоянной, отношение динамических напоров газовых струй, имеющих разную плотность и теплоту сгорания и, соответственно, объемный и массовый расходы, будет равно

 

Рдин2/Рдин1 = (r1/r2) . (G2/G1)2 ~

~ (АWI1)2/(АWI2)2.

Таким образом, квадрат отношения Актуальных чисел Воббе сравниваемых газов обратно пропорционален отношению их динамических напоров.

Следовательно, при увеличении объемной теплоты сгорания и числа Воббе топливного газа при прочих равных условиях (подвод тепловой энергии, давление и температура подводимого газа) величина динамического напора газовых струй уменьшается, что приводит к изменению аэродинамики газовых струй в КС. Это вызывает изменение интенсивности и равномерности перемешивания топливного газа и воздуха в камере сгорания ГТУ.

И этого следует, что при использовании газа с числом Воббе, отличающимся от исходного, можно сохранить величину динамического напора газовых струй в КС, изменив уровень давления или температуры газа перед ней так, чтобы Актуальное число Воббе оставалось постоянным.

Так, в случае поступления в ГТУ газа с объемной теплотой сгорания, превышающей объемную теплоту сгорания трубопроводного природного газа, необходимо: а) уменьшить давление газа перед КС; б) увеличить температуру газа перед КС; в) сделать то и другое одновременно. В случае поступления в ГТУ менее калорийного газа нужно: а) увеличить давление газа перед КС; б) уменьшить температуру газа перед КС; в) сделать то и другое одновременно.

Выводы

В результате проведенного исследования определены:

n зависимости плотности, объемной и массовой теплоты сгорания, объемного числа Воббе топливного газа от объемной концентрации водорода при отсутствии азота;

n влияние азота на плотность, объемную и массовую теплоту сгорания, объемное число Воббе топливного газа при различных значениях объемной концентрации водорода;

n факторы, ограничивающие концентрацию водорода в топливном газе.

Список литературы

  1. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций. Учебное пособие для вузов/С.В. Цанев, В.Д. Буров, А.Н. Ремизов; под ред. С.В. Цанева // 2-е изд., стереот. М.: Издательский дом МЭИ, 2006. 584 с.
  2. Двойнишников В.А., Хритинин А.Ф., Молчанов В.А., Трофимченко С.И. Расчет характеристик одиночной круглой струи в сносящем потоке/Изв. вузов. Энергетика. 1984, № 6. С. 75–79.

 

Дата публикации 30.04.2021