Повышение эффективности конверсионного газотурбинного двигателя путем добавления водорода в топливный газ

   Водород, как топливо с отсутствием углеродного следа, становится важным компонентом для декарбонизации экономики. Он может использоваться не только как средство хранения, но и как топливо для энергетического оборудования. Водород очень сильно отличается своими энергетическими свойствами (высокая теплотворная способность, высокая скорость горения), которые сильно отличаются от традиционных топлив для газовых турбин, поэтому при сжигании водорода возможно появление новых неизученных проблем при эксплуатации основного и вспомогательного оборудования. Для внедрения водородных технологий в традиционную энергосистему необходимы новые подходы к работе оборудования. Газовые турбины, в отличие от другого энергетического оборудования, могут перенастраиваться на сжигание любого газообразного топлива, удовлетворяющего требованиям по камере сгорания. Сжигание 100 % H₂ в камере сгорания эксплуатируемой газовой турбины без глубокой модернизации невозможно, это может нанести ущерб основному и вспомогательному оборудованию. Газовые турбины, работающие на водороде, будут важной составляющей при декарбонизации всех отраслей промышленности. В статье рассмотрены переменные режимы работы газотурбинной установки мощностью 18 МВт в зависимости от процентного содержания H₂ в природном газе. Традиционным топливом для газовых турбин является природный газ, в представленном исследовании рассматривается добавление до 20 % водорода к исходному природному газу. Добавление водородного топлива оказывает влияние на режим работы турбины. Рассмотрена работа газотурбинной установки при различных температурах наружного воздуха, работа на полной и частичной нагрузке в условиях оптового рынка электроэнергии.

1. Kivimaa P. How will renewables expansion and hydrocarbon decline impact security? Analysis from a socio-technical transitions perspective / P. Kivimaa, M. H. Sivonen // Environmental Innovation and Societal Transitions. – 2023. – Vol. 48. – Article Number 100744. – DOI: 10.1016/j.eist.2023.100744.

2. Abd А. A. Effects of non-hydrocarbons impurities on the typical natural gas mixture flows through a pipeline / А. A. Abd, S. Z. Naji, A. S. Hashim // Journal of Natural Gas Science and Engineering. – 2020. – Vol. 76. – Article Number 103218. – DOI: 10.1016/j.jngse.2020.103218.

3. Gałko G. Evaluation of alternative refuse-derived fuel use as a valuable resource in various valorised applications / G. Gałko, I. Mazur, M. Rejdak, B. Jagustyn, J. Hrabak, M. Ouadi, H. Jahangiri, M. Sajdak // Energy. – 2023. – Vol. 263. – Part D. – Article Number 125920. – DOI: 10.1016/j.energy.2022.125920.

4. Achitaev, A., Life extension of AC-DC converters for hydrogen electrolysers operating as part of offshore wind turbines/ Achitaev, A., Suvorov, A., Ilyushin, P., Kan, K., Suslov, K./ International Journal of Hydrogen Energy, 2024, 51, pp. 137-159

5. Karaeva, J. Pyrolysis of Amaranth Inflorescence Wastes: Bioenergy Potential, Biochar and Hydrocarbon Rich Bio-Oil Production / Timofeeva, S.; Islamova, S.; Bulygina, K.; Aliev, F.; Panchenko, V.; Bolshev, V / Agriculture 2023, 13, 260.

6. Ermolaev, D. V. A comprehensive study of thermotechnical and thermogravimetric properties of peat for power generation / Timofeeva, S. S., Islamova, S. I. et al / Biomass Conv. Bioref. 9, 767-774 (2019). doi: 10.1007/s13399-019-00472-8

7. Gao D. A coordinated energy security model taking strategic petroleum reserve and alternative fuels into consideration / D. Gao, Z. Li, P. Liu, J. Zhao, Y. Zhang, C. Li // Energy. – 2018. – Vol. 145. – P. 171-181. – DOI: 10.1016/j.energy.2017.11.097.

8. Marin G. Study of the Properties of Fuel Gas in Gas Turbine Plants Depending on Its Composition / G. Marin, B. Osipov, D. Mendeleev // Lecture Notes in Mechanical Engineering. – 2022. – P. 403-412. – DOI: 10.1007/978-981-16-9376-2_38

9. Zakaria Z. Direct conversion technologies of methane to methanol: An overview / Z. Zakaria, S. K. Kamarudin // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2016. – Vol. 65. – P. 250-261. – DOI: 10.1016/j.rser.2016.05.082.

10. Marin G. E. Simulation of the operation of a gas turbine installation of a thermal power plant with a hydrogen fuel production system / G. E. Marin, B. M. Osipov, A. V. Titov, A. R. Akhmetshin // International Journal of Hydrogen Energy. – 2023. – Vol. 48 – Iss. 12. – P. 4543-4550. – DOI: 10.1016/j.ijhydene.2022.10.075.

11. Tasnadi-Asztalos Hydrogen-based power generation from bioethanol steam reforming / Tasnadi-Asztalos, Zs., Cormos, C. C., Agachi / P. S. AIP Conference Proceedings, 2015, 1700, 050001.

12. Abejón, R., Integration of quality-dependent prices in the optimization strategy for chemicals ultrapurification by reverse osmosis membrane cascades / Abejón, R., Garea, A., Irabien, A. / Desalination and Water Treatment, 56(13), 2015, pp. 3486-3493.

13. Lamas, M. I., Numerical Analysis of Emissions from Marine Engines Using Alternative Fuels / Lamas, M. I., Rodríguez, C. G., Telmo, J., Rodríguez, J. D. / Polish Maritime Research, 2015, 22(4), pp. 48-52.

14. Barhoumi, E. M. Optimal design of standalone hybrid solar-wind energy systems for hydrogen-refueling station Case study /Barhoumi, E. M./ Journal of Energy Storage, 2023, 74, 109546.

15. Zamanzade M. An Overview of the Hydrogen Embrittlement of Iron Aluminides / M. Zamanzade, A. Barnoush // Procedia Materials Science. – 2014. – Vol. 3. – P. 2016-2023. – DOI: 10.1016/j.mspro.2014.06.325.

16. Honma Y. Study of Embrittlement of the 2.25 Cr-1 Mo-V Steel Weld Metal by Hydrogen Charge and High Pressure Hydrogen Gas Environment / Y. Honma, R. Kayano // Procedia Engineering. – 2015. – Vol. 130. – P. 571-582. – DOI: 10.1016/j.proeng.2015.12.269.

17. Gicquel L. Y. M. Large Eddy Simulations of gaseous flames in gas turbine combustion chambers / L. Y. M. Gicquel, G. Staffelbach, T. Poinsot // Progress in Energy and Combustion Science. – 2012. – Vol. 38 – Iss. 6. – P. 782-817. – DOI: 10.1016/j.pecs.2012.04.004.

18. Al-attab K. A. Design and performance of a pressurized cyclone combustor (PCC) for high and low heating value gas combustion / K. A. Al-attab, Z. A. Zainal // Applied Energy. – 2011. – Vol. 88 – Iss. 4. – P. 1084-1095. – DOI: 10.1016/j.apenergy.2010.10.041.

19. Bulysova, L. A., Influence of Hydrogen in Fuel Gas on the Processes in Gas Turbine Combustion Chambers / Bulysova, L. A., Vasiliev, V. D., Pugach, K. S. / Power Technology and Engineering, 57(4), pp. 599-604

20. Liang, B., Effects of chamber geometry, hydrogen ratio and EGR ratio on the combustion process and knocking characters of a HCNG engine at the stoichiometric condition/ Liang, B., Cheng, L., Zhang, M., ...Ma, F., Huang, Z. / Applications in Energy and Combustion Science, 15, 100189, 2023.

21. Álvarez Tejedor. Gas turbine materials selection, life management and performance improvement / T. Álvarez Tejedor // In Woodhead Publishing Series in Energy Power Plant Life Management and Performance Improvement. Woodhead Publishing. – 2011. – Vol. 9. – Р. 330-419. – DOI: 10.1533/9780857093806.3.330.

22. Adamou A. Design, simulation, and validation of additively manufactured high-temperature combustion chambers for micro gas turbines / A. Adamou, J. Turner, A. Costall, A. Jones, C. Copeland // Energy Conversion and Management. – 2021. – Vol. 248. – Article Number 114805. – DOI: 10.1016/j.enconman.2021.114805.

23. Marin G. Improving the Performance of Power Plants with Gas Turbine Units / G. Marin, B. Osipov, A. Titov, A. Akhmetshin, A. Shubina, M. Novoselova // Proceedings – 2022 4^th International Conference on Control Systems, Mathematical Modeling, Automation and Energy Efficiency. SUMMA 2022. – 2022. – P. 832-836. – DOI: 10.1109/SUMMA57301.2022.9974004.

24. Marin G. Analysis of the Operation of a Gas Turbine Plant When Burning Hydrogen Fuel / G. Marin, B. Osipov, A. Akhmetshin // Proceedings – 2022 International Russian Automation Conference, RusAutoCon 2022. – P. 961-965. – DOI: 10.1109/RusAutoCon54946.2022.9896214.

25. Samitha Weerakoon A. H. Trends and Advances in Micro Gas Turbine Technology for Sustainable Energy Solutions: A Detailed Review / A. H. Samitha Weerakoon, M. Assadi // Energy Conversion and Management: X. – 2023. – Article Number 100483. – DOI: 10.1016/j.ecmx.2023.100483.

26. Enagi I. I. Combustion chamber design and performance for micro gas turbine application / I. I. Enagi, K. A. Al-attab, Z. A. Zainal // Fuel Processing Technology. – 2017. – Vol. 166. – P. 258-268. – DOI: 10.1016/j.fuproc.2017.05.037.

27. Osipov B. M. Investigation of power gas turbine drives on the basis of mathematical models / B. M. Osipov, A. V. Titov, A. R. Khammatov // Russian Aeronautics. – 2010. – Vol. 53. – P. 69–72. – DOI: 10.3103/S1068799810010113.

28. Ishaq H., Performance investigation of adding clean hydrogen to natural gas for better sustainability / H. Ishaq, I. Dincer // Journal of Natural Gas Science and Engineering. – 2020. – Vol. 78. – Article Number 103236. – DOI: 10.1016/j.jngse.2020.103236.

29. Şöhret, Y., Exergy analysis of a turbofan engine for an unmanned aerial vehicle during a surveillance mission / Şöhret, Y., Dinç, A., Karakoç, T. H. / Energy, 93, 2015, pp. 716-729.

30. Galashov, N. N., Thermal Efficiency of Three-Cycle Utilization-Type Steam-Gas Units / Galashov, N. N., Tsibulskii, S. A. / Power Technology and Engineering, 48(6), 2015, pp. 459-463.

31. Sorgulu F. Experimental investigation for combustion performance of hydrogen and natural gas fuel blends / F. Sorgulu, M. Ozturk, N. Javani, I. Dincer // International Journal of Hydrogen Energy. – 2023. – Vol. 48. – Iss. 88. – P. 34476-34485. – DOI: 10.1016/j.ijhydene.2023.05.239.

32. Guo Q. On the explosion characteristics of natural gas with hydrogen and inert gas additions / Q. Guo, J. Liu, W. Liang, H. Wang // Process Safety and Environmental Protection. – 2023. – Vol. 179. – P. 700-713. – DOI: 10.1016/j.psep.2023.09.056.

33. Slim B. K. The combustion behaviour of forced-draught industrial burners when fired within the EASEE-gas range of Wobbe Index / B. K. Slim, H. D. Darmeveil, S. Gersen, H. B. Levinsky // Journal of Natural Gas Science and Engineering. – 2011. – Vol. 3. – Iss. 5. – P. 642-645. – DOI: 10.1016/j.jngse.2011.07.004.

34. Worasaen A. Suitable Study of CBG Fuel by Considering in Wobbe Index From Compressed Bio-Methane Gas Plant, Khon Kaen University, Thailand / A. Worasaen, N. Pannucharoenwong, C. Benjapiyaporn, J. Jongpluempiti, P. Vengsungnle // Energy Procedia. – 2017. – Vol. 138. – P. 278-281. – DOI: 10.1016/j.egypro.2017.10.061.

35. Roy P. S. Predicting Wobbe Index and methane number of a renewable natural gas by the measurement of simple physical properties / P. S. Roy, C. Ryu, C. S. Park // Fuel. – 2018. – Vol. 224. – P. 121-127. – DOI: 10.1016/j.fuel.2018.03.074.

36. Zachariah-Wolff J. L. From natural gas to hydrogen via the Wobbe index: The role of standardized gateways in sustainable infrastructure transitions / J. L. Zachariah-Wolff, T. M. Egyedi, K. Hemmes // International Journal of Hydrogen Energy. – 2007. – Vol. 32. – Iss. 9. – P. 1235-1245. – DOI: 10.1016/j.ijhydene.2006.07.024.

37. Mendeleev D. I. Improving the efficiency of combined-cycle plant by cooling incoming air using absorption refrigerating machine / D. I. Mendeleev, G. E. Maryin, A. R. Akhmetshin // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2019. – Vol. 643. – Article Number 012099. – DOI: 10.1088/1757-899X/643/1/012099.