Preview

Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE)

Расширенный поиск
Доступ открыт Открытый доступ  Доступ закрыт Доступ платный или только для Подписчиков

Разработка и исследование парогазовых энергоустановок, работающих на метано-водородных смесях с конденсационными котлами-утилизаторами

https://doi.org/10.15518/isjaee.2025.10.141-169

Аннотация

Сокращение выбросов парниковых газов при производстве тепловой и электрической энергии является одним из ключевых направлений устойчивого развития. Переход от углеводородного топлива к водородному позволит практически полностью предотвратить образование углекислого газа в камерах сгорания газотурбинных установок с одновременным увеличением влагосодержания в продуктах сгорания, что делает перспективным утилизацию низкопотенциальной теплоты водяных паров из среды уходящих газов в конденсационных котлах-утилизаторах. В настоящей работе представлены результаты комплексного анализа парогазовых энергоблоков, работающих на водороде и метано-водородных смесях, с дополнительной утилизацией низкопотенциальной теплоты влажных продуктов сгорания в органических циклах Ренкина. Определён уровень энергетической эффективности установок, усовершенствована методика RANS моделирования теплопередачи в конденсационных котлах-утилизаторах, а также оценены габариты теплоутилизирующей установки.

Об авторах

В. О. Киндра
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ»
Россия

Киндра Владимир Олегович, кандидат технических наук, доцент кафедры инновационных технологий наукоемких отраслей

Researcher ID: C-6347-2014

Scopus ID: 57023993700

111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, стр. 1



И. А. Максимов
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ»
Россия

Максимов Игорь Александрович, старший преподаватель кафедры инновационных технологий наукоемких отраслей

Researcher ID: GSD-9808-2022

Scopus ID: 57904246500

111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, стр. 1



П. А. Брызгунов
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ»
Россия

Брызгунов Павел Александрович, кандидат технических наук, доцент кафедры инновационных технологий наукоемких отраслей

Researcher ID: LPQ-6956-2024

Scopus ID: 57844836600

111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, стр. 1



М. А. Островский
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ»
Россия

Островский Михаил Андреевич, аспирант, ассистент кафедры инновационных технологий наукоемких отраслей

Researcher ID: OOK-6198-2025

Scopus ID: 57802572900

111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, стр. 1



Н. Д. Рогалев
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ»
Россия

Рогалев Николай Дмитриевич, доктор технических наук, профессор, ректор

Researcher ID: AAE-7314-2022

Scopus ID: 6507029432

111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, стр. 1



Список литературы

1. Cecere D., Giacomazzi E., Di Nardo A., Calchetti G. Gas Turbine Combustion Technologies for Hydrogen Blends: 19 // Energies. Multidisciplinary Digital Publishing Institute. – 2023. – № 19. – V. 16. – P. 6829.

2. Pashchenko D. Hydrogen-rich gas as a fuel for the gas turbines: A pathway to lower CO2 emission // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2023. – V. 173. – P. 113117.

3. Chiesa P., Lozza G., Mazzocchi L. Using Hydrogen as Gas Turbine Fuel // J. Eng. Gas Turbines Power. – 2005. – № 1. – V. 127. – Pp. 73-80.

4. SGT5-9000HL Heavy-duty gas turbine (50 Hz) Электронный ресурс. URL: https://www.siemens-energy.com/global/en/home/products-services/product/sgt5-9000hl.html (Дата обращения: 30.07.2025).

5. 9HA Gas Turbine | 9HA.01 and 9HA.02 | GE Vernova Электронный ресурс // gepower-v2. URL: https://www.gevernova.com/gas-power/products/gas-turbines/9ha (Дата обращения: 07.10.2025).

6. Karim G. A., Wierzba I., Al-Alousi Y. Methane-hydrogen mixtures as fuels // International Journal of Hydrogen Energy. – 1996. – V. 21. – № 7. – Pp. 625-631.

7. Makaryan I. A., Sedov I. V., Salgansky E. A., Arutyunov A. V., Arutyunov V. S. A Comprehensive Review on the Prospects of Using Hydrogen-Methane Blends: Challenges and Opportunities: 6 // Energies. Multidisciplinary Digital Publishing Institute. – 2022. – № 6. – V. 15. – P. 2265.

8. Kuczyński S., Łaciak M., Olijnyk A., Szurlej A., Włodek T. Thermodynamic and Technical Issues of Hydrogen and Methane-Hydrogen Mixtures Pipeline Transmission // Energies. Multidisciplinary Digital Publishing Institute. – 2019. – № 3. – V. 12.– P. 569.

9. Komarov I., Osi̇Pov S., Zlyvko O., Vegera A., Naumov V. Combined cycle gas turbine for combined heat and power production with energy storage by steam methane reforming // Journal of Energy Systems. – 2021. – № 3. – V. 5.– Pp. 231-243.

10. Bui M., Sunny N., Dowell N. M. The prospects of flexible natural gas-fired CCGT within a green taxonomy // iScience. Elsevier. – 2023. – № 8. – V. 26.

11. Bachu S. CO2 storage in geological media: Role, means, status and barriers to deployment // Progress in Energy and Combustion Science. – 2008. – № 2. – V. 34. – Pp. 254-273.

12. Kelemen P., Benson S. M., Pilorgé H., Psarras P., Wilcox J. An Overview of the Status and Challenges of CO2 Storage in Minerals and Geological Formations // Front. Clim. Frontiers. – 2019. – V. 1.

13. Maksimov I., Kindra V., Vegera A., Rogalev A., Rogalev N. Thermodynamic Analysis and Optimization of Power Cycles for Waste Heat Recovery: 24 // Energies. Multidisciplinary Digital Publishing Institute. – 2024. – № 24. – V. 17. – P. 6375.

14. Kindra V., Maksimov I., Komarov I., Xu C., Xin T. Feasibility Study of Scheme and Regenerator Parameters for Trinary Power Cycles: 9 // Energies. Multidisciplinary Digital Publishing Institute. – 2023. – № 9. – V. 16. – P. 3886.

15. Global Hydrogen Review 2025 – Analysis Электронный ресурс // IEA. – 2025. URL: https://www.iea.org/reports/global-hydrogen-review-2025 (Дата обращения: 13.10.2025).

16. U. S. National Hydrogen Strategy and Roadmap | Hydrogen Program Электронный ресурс. URL: https://www.hydrogen.energy.gov/library/roadmaps-vision/clean-hydrogen-strategy-roadmap (Дата обращения: 13.10.2025).

17. Hydrogen Электронный ресурс. URL: https://energy.ec.europa.eu/topics/eus-energy-system/hydrogen_en (Дата обращения: 13.10.2025).

18. ISO/TC 197 – Hydrogen technologies Электронный ресурс // ISO. URL: https://www.iso.org/committee/54560.html (Дата обращения: 14.10.2025).

19. Öberg S., Odenberger M., Johnsson F. Exploring the competitiveness of hydrogen-fueled gas turbines in future energy systems // International Journal of Hydrogen Energy. – 2022. – № 1. – V. 47. – Pp. 624-644.

20. Öberg S., Odenberger M., Johnsson F. The value of flexible fuel mixing in hydrogen-fueled gas turbines – A techno-economic study // International Journal of Hydrogen Energy. – 2022. – № 74. – V. 47. – Pp. 31684-31702.

21. Dominguez-Gonzalez G., Muñoz-Hernandez J. I., Bunn D., Garcia-Checa C. J. Integration of Hydrogen and Synthetic Natural Gas within Legacy Power Generation Facilities // Energies. Multidisciplinary Digital Publishing Institute. – 2022. – № 12. – V. 15. – P. 4485.

22. Rigaud J., De Paepe W., Laget H. Thermodynamic Assessment of the Conversion of a Typical CCGT Power Plant to a Fully E-Fuel Fired Unit // J. Eng. Gas Turbines Power. – 2022. – № 121012. – V. 144.

23. Krempus D., Bahamonde S., van der Stelt T. P., Klink W., Colonna P., De Servi C. M. On mixtures as working fluids of air-cooled ORC bottoming power plants of gas turbines // Applied Thermal Engineering. – 2024. – V. 236. – P. 121730.

24. Gogoi T. K., Lahon D., Nondy J. Energy, exergy and exergoeconomic (3E) analyses of an organic Rankine cycle integrated combined cycle power plant // Thermal Science and Engineering Progress. – 2023. – V. 41. – P. 101849.

25. Reshaeel M., Javed A., Jamil A., Ali M., Mahmood M., Waqas A. Multiparametric optimization of a reheated organic Rankine cycle for waste heat recovery based repowering of a degraded combined cycle gas turbine power plant // Energy Conversion and Management. – 2022. – V. 254. – P. 115237.

26. Chandio M. W., Kumar L., Memon A. G., Awad M. M. Thermodynamic, economic, and environmental evaluation of internal combustion engine exhaust gas-driven Organic Rankine cycles for power generation and desalination // International Journal of Thermofluids. – 2025. – V. 25. – P. 101046.

27. Bălănescu D. -T., Homutescu V. -M. Performance analysis of a gas turbine combined cycle power plant with waste heat recovery in Organic Rankine Cycle // Procedia Manufacturing. – 2019. – V. 32. – Pp. 520-528.

28. Amini A., Mirkhani N., Pakjesm Pourfard P., Ashjaee M., Khodkar M. A. Thermo-economic optimization of low-grade waste heat recovery in Yazd combined-cycle power plant (Iran) by a CO2 transcritical Rankine cycle // Energy. – 2015. – V. 86. – Pp. 74-84.

29. Khan Y., Mishra R.S. Thermodynamic (energy-exergy) analysis of combined cycle power plant for improving thermal energetic and exergetic efficiencies by integration of organic Rankine cycle (ORC). – 2018.

30. Pashchenko D., Mustafin R., Karpilov I. Efficiency of chemically recuperated gas turbine fired with methane: Effect of operating parameters // Applied Thermal Engineering. – 2022. – V. 212. – P. 118578.

31. Pashchenko D., Mustafin R., Karpilov I. Thermochemical recuperation by steam methane reforming as an efficient alternative to steam injection in the gas turbines // Energy. – 2022. – V. 258. – P. 124913.

32. Carapellucci R., Giordano L. Upgrading existing gas-steam combined cycle power plants through steam injection and methane steam reforming // Energy. – 2019. – V. 173. – Pp. 229-243.

33. Mullen D. T. Net zero electricity and hydrogen production with post-combustion CO2 capture and storage. The University of Edinburgh. – 2025.

34. Andersen P. Ø., Brattekås B., Zhou Y., Nadeau P., Nermoen A., Yu Z., Fjelde I., Oelkers E. Carbon capture utilization and storage (CCUS) in tight gas and oil reservoirs // Journal of Natural Gas Science and Engineering. – 2020. – V. 81. – P. 103458.

35. Liang B., Chen C., Jia C., Wang C., Wang X., Zha Y., Wang R., Meng Z., Wang H. Carbon capture, utilization and storage (CCUS) in oil and gas reservoirs in China: Status, opportunities and challenges // Fuel. – 2024. – V. 375. – P. 132353.

36. Bao X., Fragoso A., Aguilera R. Simultaneous enhanced oil recovery, CCUS and UHUS in shale oil reservoirs // International Journal of Coal Geology. – 2023. – V. 275. – P. 104301.

37. Bashir A., Ali M., Patil S., Aljawad M. S., Mahmoud M., Al-Shehri D., Hoteit H., Kamal M. S. Comprehensive review of CO2 geological storage: Exploring principles, mechanisms, and prospects // Earth-Science Reviews. – 2024. – V. 249. – P. 104672.

38. Michael K., Golab A., Shulakova V., Ennis-King J., Allinson G., Sharma S., Aiken T. Geological storage of CO2 in saline aquifers – A review of the experience from existing storage operations // International Journal of Greenhouse Gas Control. – 2010. – № 4. – V. 4. – Pp. 659-667.

39. Aydin G., Karakurt I., Aydiner K. Evaluation of geologic storage options of CO2: Applicability, cost, storage capacity and safety // Energy Policy. – 2010. – № 9. – V. 38. – Pp. 5072-5080.

40. Li W., Zhao J., Fu L., Yuan W., Zheng Z., Li Y. Energy efficiency analysis of condensed waste heat recovery ways in cogeneration plant // Energy Conversion and Management. – 2015. – V. 101. – Pp. 616-625.

41. Chen Q., Finney K., Li H., Zhang X., Zhou J., Sharifi V., Swithenbank J. Condensing boiler applications in the process industry // Applied Energy. – 2012. – № 1. – V. 89. – Pp. 30-36.

42. Vannoni A., Giugno A., Sorce A. Integration of a flue gas condensing heat pump within a combined cycle: Thermodynamic, environmental and market assessment // Applied Thermal Engineering. – 2021. – V. 184. – P. 116276.

43. Maalouf S., Boulawz Ksayer E., Clodic D. Investigation of direct contact condensation for wet fluegas waste heat recovery using Organic Rankine Cycle // Energy Conversion and Management. – 2016. – V. 107. – Pp. 96-102.

44. Li Y., Yan M., Zhang L., Chen G., Cui L., Song Z., Chang J., Ma C. Method of flash evaporation and condensation – heat pump for deep cooling of coal-fired power plant flue gas: Latent heat and water recovery // Applied Energy. – 2016. – V. 172. – Pp. 107-117.

45. Thekdi A., Nimbalkar S. U., Sundaramoorthy S., Armstrong K. O., Taylor A., Gritton J. E., Wenning T., Cresko J. Technology Assessment on Low-Temperature Waste Heat Recovery in Industry: ORNL/TM-2021/2150. Oak Ridge National Laboratory (ORNL), Oak Ridge, TN (United States). – 2021.

46. Zhang W., Wang S., Mu L. Condensation heat transfer characteristics of flue gas on anti-corrosive coated finned tubes // Applied Thermal Engineering. – 2021. – V. 189. – P. 116672.

47. Terhan M., Comakli K. Design and economic analysis of a flue gas condenser to recover latent heat from exhaust flue gas // Applied Thermal Engineering. – 2016. – V. 100. – Pp. 1007-1015.

48. Lebedev A. S., Pavlov A. Yu., Richter F., Adamchuk A. A. Experience gained from operation of the GTE-160 gas turbine installation and prospects for its modernization // Therm. Eng. – 2013. – № 2. – V. 60. – Pp. 89-91.

49. Kindra V. O., Naumov V. Y., Kovalev D. S. Air-cooled gas turbine model. – № 2. – V. 21.

50. Трухний А. Д. Парогазовые установки электростанций: учебник для вузов. – М.: Издательство МЭИ. – 2017. – 675 с.

51. Taniguchi H., Kudo K., Hwang Q.-R., Fujii A. Heat and Mass Transfer from Air with HIgh Water Vapor Content (Latent Heat Recovery from Flue Gas) // JSME international journal. Ser. 2, Fluids engineering, heat transfer, power, combustion, thermophysical properties. – 1988. – № 2. – V. 31. – Pp. 299-305.

52. Osakabe M., Ishida K., Yagi K., Itoh T., Ohmasa K. Condensation heat transfer on tubes in actual flue gas // Heat Trans. Asian Res. – 2001. – № 2. – V. 30. – Pp. 139-151.

53. Osakabe M., Itoh T., Yagi K. Condensation heat transfer of actual flue gas on horizontal tubes // Proceedings of the 5th ASME/JSME Joint Thermal Engineering Conference. – 1999. – Pp. 1-8.


Рецензия

Для цитирования:


Киндра В.О., Максимов И.А., Брызгунов П.А., Островский М.А., Рогалев Н.Д. Разработка и исследование парогазовых энергоустановок, работающих на метано-водородных смесях с конденсационными котлами-утилизаторами. Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). 2025;(10):141-169. https://doi.org/10.15518/isjaee.2025.10.141-169

For citation:


Kindra V.O., Maksimov I.A., Bryzgunov P.A., Ostrovsky M.A., Rogalev N.D. Research and development of combined-cycle power plants operating on methane–hydrogen fuel mixtures with condensing heat-recovery steam generators. Alternative Energy and Ecology (ISJAEE). 2025;(10):141-169. (In Russ.) https://doi.org/10.15518/isjaee.2025.10.141-169

Просмотров: 49

JATS XML

ISSN 1608-8298 (Print)