燃?xì)怆姀S天然氣摻氫技術(shù)應(yīng)用及研究

蘇州工業(yè)園區(qū)藍(lán)天燃?xì)鉄犭娪邢薰?安 升

全球氣候問(wèn)題日益嚴(yán)重，各國(guó)紛紛提出實(shí)現(xiàn)凈零碳排放目標(biāo)。我國(guó)也在2020年提出“3060”目標(biāo)，將持續(xù)投資可持續(xù)技術(shù)的非化石燃料能源產(chǎn)業(yè)。發(fā)電行業(yè)是全球二氧化碳排放的主要來(lái)源，可再生能源和去碳化是發(fā)電行業(yè)當(dāng)前的主要研究方向。天然氣或燃油是目前發(fā)電重型燃?xì)廨啓C(jī)主要使用的燃料，近年燃?xì)廨啓C(jī)摻氫燃燒及摻氫比例逐步至純氫燃燒是燃?xì)廨啓C(jī)領(lǐng)域制造商和學(xué)者的研究重點(diǎn)。

天然氣摻氫燃燒是一種新型發(fā)電方式，具有更高的環(huán)保性和可調(diào)節(jié)性、更高的供電持續(xù)性和安全可靠性，不僅能緩解天然氣供應(yīng)壓力，而且能加速氫能利用落地，使電力系統(tǒng)深度脫碳，為電廠保持長(zhǎng)期競(jìng)爭(zhēng)力提供幫助。因此，天然氣摻氫燃燒的研究、開發(fā)和示范應(yīng)用是電力領(lǐng)域可持續(xù)發(fā)展的重要組成部分，通過(guò)不斷推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步和創(chuàng)新應(yīng)用，能更加有效地提高能源利用的效率和環(huán)保性，推動(dòng)能源領(lǐng)域向更加環(huán)保、低碳、智能的方向轉(zhuǎn)型。

1 天然氣摻氫技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展

1.1 國(guó)外天然氣摻氫的應(yīng)用及發(fā)展

大量研究表明，當(dāng)管道天然氣中摻入的氫氣比例在20%以下時(shí)，對(duì)燃?xì)夤艿篮腿細(xì)庠罹叩仍O(shè)施的影響很小。通用電氣、三菱動(dòng)力、西門子等國(guó)際主要燃?xì)廨啓C(jī)廠商正在加速燃?xì)廨啓C(jī)摻氫技術(shù)的探索和布局，以開發(fā)具有燃料靈活性的新機(jī)型、升級(jí)現(xiàn)役燃機(jī)以及提高燃機(jī)摻氫燃燒能力，拓展新市場(chǎng)。這些廠商將燃?xì)浼夹g(shù)應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)領(lǐng)域已有20年歷史，并已在全球廣泛應(yīng)用，并且計(jì)劃在2030年將輪機(jī)燃?xì)淠芰μ嵘?00%。

1.2 國(guó)內(nèi)天然氣摻氫的應(yīng)用及發(fā)展

我國(guó)目前僅有兩個(gè)天然氣摻氫示范項(xiàng)目——遼寧省朝陽(yáng)市和山西省晉城市的示范項(xiàng)目。朝陽(yáng)市項(xiàng)目使用電解水制氫的方式，摻氫比例為10%；晉城市項(xiàng)目使用煤制氫。目前，我國(guó)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(xiàn)有的《進(jìn)入天然氣長(zhǎng)輸管道的氣體質(zhì)量要求》和《車用壓縮氫氣天然氣混合燃?xì)狻返葮?biāo)準(zhǔn)。

由國(guó)家電投投資建設(shè)荊門綠動(dòng)電廠于2021年12月23日成功實(shí)現(xiàn)了15%摻氫燃燒改造并正常運(yùn)行。該項(xiàng)目采用了聯(lián)合循環(huán)、熱電聯(lián)供技術(shù)，同時(shí)還是首個(gè)全球商業(yè)領(lǐng)域燃?xì)廨啓C(jī)燃?xì)涫痉俄?xiàng)目。2022年9月29日，該廠成功將燃?xì)浔壤嵘?0%，并實(shí)現(xiàn)30%摻氫比以下靈活切換，這一重大的技術(shù)突破使我國(guó)擁有一套完成的燃?xì)廨啓C(jī)摻氫改造工程設(shè)計(jì)方案。

2 天然氣摻氫技術(shù)條件及應(yīng)用改造

2.1 天然氣摻氫的優(yōu)缺點(diǎn)

摻氫技術(shù)涉及燃燒科學(xué)、熱力學(xué)、化學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域，需要結(jié)合燃料的物化性質(zhì)、燃燒氧化過(guò)程等進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。摻氫后會(huì)減少二氧化碳、固體顆粒物等大氣污染物排放，提升燃?xì)廨啓C(jī)效率，延長(zhǎng)燃?xì)廨啓C(jī)熱通道部件壽命，充分發(fā)揮可再生能源潛力，減小對(duì)天然氣等化石燃料的過(guò)度依賴。

和天然氣相比，氫氣擴(kuò)散速度更快、著火點(diǎn)更低、火焰?zhèn)鞑ニ俣容^高，導(dǎo)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(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)溫度峰值更高，且高溫區(qū)更為集中，易出現(xiàn)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(duì)燃燒室中的火焰產(chǎn)生影響，更易與振蕩適配，增加了燃燒壓力脈動(dòng)大幅變化的風(fēng)險(xiǎn)，影響燃?xì)廨啓C(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行[1]。

表1 天然氣和氫氣物理特性對(duì)比

2.2 混氫站或調(diào)壓站建設(shè)及改造

混氣站或調(diào)壓站在設(shè)計(jì)時(shí)，要確保氣質(zhì)符合燃?xì)廨啓C(jī)規(guī)范參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)熱值及氣體成分、壓力、溫度波動(dòng)等影響燃?xì)廨啓C(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的參數(shù)深入分析其邊界范圍，同時(shí)考慮下游輸氣管道及燃?xì)廨啓C(jī)天然氣管道系統(tǒng)和燃燒室，合理增設(shè)旁路、放散、置換管路及接口，確保即使混氣站或調(diào)壓站發(fā)生事故異常時(shí)不會(huì)危及下游設(shè)備及管道[2]。

分別對(duì)天然氣和摻氫合成氣管道上裝設(shè)緊急切斷閥，增設(shè)氣體流量計(jì)、過(guò)濾器、色譜和熱值分析儀、加熱器、調(diào)壓器等設(shè)備，確保天然氣摻氫比例可以達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)。為滿足系統(tǒng)安全還應(yīng)裝設(shè)氮?dú)獯祾呦到y(tǒng)、燃?xì)夥派⑾到y(tǒng)及排污系統(tǒng)，在管路上合理增設(shè)氮?dú)獯祾呓宇^及取樣口，放散管的放散量需滿足20%設(shè)計(jì)總量，為防止脆氫管材不低于20G，確保管道墊片符合DIN 2695標(biāo)準(zhǔn)，防止有毒氣體泄漏?？刂葡到y(tǒng)可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)選擇。此外還應(yīng)根據(jù)《工業(yè)企業(yè)噪聲衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》將噪聲控制在85dB以內(nèi)[3]。

混氣站或調(diào)壓站設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿足GB 50028—2006《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》、GB 50251—2015 《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》、DL/T 5204—2016《發(fā)電廠油氣管道設(shè)計(jì)規(guī)程》、DL/T 5174—2003《燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠設(shè)計(jì)規(guī)定》等相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求。

2.3 燃?xì)廨啓C(jī)的改造

2.3.1 氣質(zhì)成分變化對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)熱流量的影響

華白數(shù)是熱流量重要的參數(shù)之一，公式（1）中Wi為華白數(shù)，Hi為燃?xì)鉄嶂?，Gs為燃?xì)庀鄬?duì)密度。在燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行中，如果燃料成分、發(fā)熱量均無(wú)較大變化，華白數(shù)前后變化偏差在±5%以內(nèi)，則不需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整。但當(dāng)燃料成分發(fā)生較大改變，比如混合氫氣的比例增加時(shí)，會(huì)導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)的性能和效率發(fā)生變化，可能需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)摻氫比為20%時(shí)，華白數(shù)的變化小于5%。但當(dāng)摻氫達(dá)到30%時(shí)，華白數(shù)的變化超出規(guī)定范圍。

2.3.2 燃燒室及系統(tǒng)改造

隨著摻氫比例的逐漸提升，華白數(shù)變化超過(guò)規(guī)定值，會(huì)減低燃?xì)廨啓C(jī)燃燒穩(wěn)定性，可能會(huì)產(chǎn)生燃燒脈動(dòng)，出現(xiàn)機(jī)組熄火或回火等異常發(fā)生，更嚴(yán)重的會(huì)對(duì)整個(gè)燃燒室及燃燒部件產(chǎn)生損壞。所以高摻氫比就要對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)及其相關(guān)輔助系統(tǒng)進(jìn)行改造升級(jí)，主要對(duì)燃燒系統(tǒng)和燃料系統(tǒng)進(jìn)行部件升級(jí)，后需對(duì)控制系統(tǒng)升級(jí)改造，將輸出功率等重要參數(shù)進(jìn)行修正，對(duì)部件、控制系統(tǒng)要進(jìn)行配套升級(jí)和優(yōu)化，確保改造后機(jī)組能正常安全可靠運(yùn)行。燃燒系統(tǒng)改造的目的主要是為了優(yōu)化摻氫后的燃燒過(guò)程，其中包括燃燒室更換，冷卻空氣變化及燃空比調(diào)節(jié)等相關(guān)改造。燃料系統(tǒng)也需要進(jìn)行相應(yīng)改造，運(yùn)行中的燃料配比及燃料閥門開度都需要重新修正，確保運(yùn)行期間燃?xì)膺B續(xù)穩(wěn)定供給。

為確保整體系統(tǒng)設(shè)備的安全穩(wěn)定，還需對(duì)冷卻通風(fēng)系統(tǒng)、氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等重要配套系統(tǒng)進(jìn)行改造，目的意在使機(jī)組適應(yīng)摻氫燃燒，機(jī)組性能及穩(wěn)定性得到保障。確保在燃?xì)廨啓C(jī)改造后能滿足設(shè)計(jì)要求和各項(xiàng)安全標(biāo)準(zhǔn)。

在燃?xì)廨啓C(jī)改造過(guò)程中需結(jié)合實(shí)際情況選擇最適方案，保證改造后機(jī)組能正常運(yùn)行切能產(chǎn)生預(yù)期經(jīng)濟(jì)收益。改造過(guò)程應(yīng)遵循國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和安全規(guī)范，尤其是在天然氣摻氫混合燃料的應(yīng)用，更要確保改造后滿足安全和環(huán)境要求。因此，改造前必須進(jìn)行充分的風(fēng)險(xiǎn)分析和安全評(píng)估，確保改造方案的科學(xué)性和合理性。

3 燃?xì)廨啓C(jī)天然氣摻氫分析方法

3.1 燃燒室物理模型及工況參數(shù)

CFD是一種通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬實(shí)際物理流動(dòng)現(xiàn)象的技術(shù)手段，將流體力學(xué)理論以編碼的形式嵌入計(jì)算軟件，利用數(shù)值模擬對(duì)流動(dòng)、傳熱等各種工程問(wèn)題進(jìn)行求解，無(wú)論是規(guī)律的層流流動(dòng)還是不規(guī)則的湍流流動(dòng)、空間維數(shù)高低還是流體是否具有壓縮性，CFD軟件都能完整地展現(xiàn)實(shí)際物理現(xiàn)象。當(dāng)模擬燃料燃燒等不同工況時(shí)，計(jì)算機(jī)會(huì)對(duì)基本控制方程進(jìn)行求解，目前應(yīng)用較廣的k-ε模型有三種，分別為：標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、RNG k-ε模型以及Realizable k-ε模型。

為更好的模擬實(shí)際工況使計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確，通常會(huì)考慮輻射問(wèn)題，F(xiàn)luent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(shí)，F(xiàn)luent還提供了通用有限速度模型，非預(yù)混和燃燒模型，預(yù)混和燃燒模型，部分預(yù)混和燃燒模型四種燃燒模型。

3.2 數(shù)值方程求解

3.2.1 設(shè)定邊界條件

在使用CFD進(jìn)行數(shù)值模擬求解時(shí)，需要對(duì)模型進(jìn)行邊界條件的設(shè)定，這將直接影響到計(jì)算流場(chǎng)的解。為確?？刂品匠逃写_定解，需將流動(dòng)現(xiàn)象劃分為有限個(gè)微元體，并根據(jù)自然界三大守恒定律確定相應(yīng)的控制方程。同時(shí)還需設(shè)定定解條件，即邊界條件和初始條件。邊界條件需要滿足質(zhì)量、能量和動(dòng)量守恒等物理規(guī)律，而初始條件則是在最初計(jì)算時(shí)給出的觸發(fā)值。

3.2.2 數(shù)值計(jì)算驗(yàn)證

利用Gambit軟件對(duì)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格質(zhì)量在0.3以上即可使用。在空氣進(jìn)口區(qū)域和燃燒室大部分區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，在燃燒器區(qū)域采用混合結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，在甲烷和氫氣的燃燒化學(xué)反應(yīng)方面可采用了GRI1.2反應(yīng)機(jī)理。此外，還需要對(duì)模型設(shè)定的參數(shù)和計(jì)算方法進(jìn)行驗(yàn)證。

4 研究結(jié)論

國(guó)內(nèi)外在天然氣摻氫燃燒方面已經(jīng)開展了多項(xiàng)基礎(chǔ)研究，李祥晟等[4]研究了摻氫對(duì)某貧燃預(yù)混燃燒和排放性能的影響，得到在摻氫比達(dá)到40%時(shí)將燃燒室產(chǎn)生較大回火風(fēng)險(xiǎn)。耿卅捷等分析了不同摻氫比下某貧燃預(yù)混燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室內(nèi)的溫度分布和NOx排放特性，得到最低污染物排放的最優(yōu)當(dāng)量比為0.47。Halter等人考察了壓力和含氫量對(duì)摻氫燃料火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?，發(fā)現(xiàn)氫氣的添加將導(dǎo)致火焰?zhèn)鞑ニ俣蕊@著提升，同時(shí)火焰厚度變窄。Tuncer等人試驗(yàn)分析了不同甲烷摻氫比條件下的全預(yù)混火焰的回火、振蕩以及NOx排放特性。Bougrine等人研究了預(yù)熱溫度對(duì)摻氫燃料火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊挠绊?，指出GRI3.0機(jī)理在描述摻氫燃料火焰?zhèn)鞑ニ俣确矫婢哂芯群托孰p重優(yōu)勢(shì)。Li等人揭示了不同含氫量和壓力下?lián)綒淙剂系谋O限。等人試驗(yàn)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(fā)現(xiàn)空氣分級(jí)有助于降低NOx排放。上述基礎(chǔ)研究均表明摻氫將對(duì)天然氣的燃燒及排放特性產(chǎn)生顯著影響，因此在實(shí)際應(yīng)用前需要對(duì)燃燒設(shè)備開展兼容性評(píng)估與改造。

目前，國(guó)外主要燃?xì)廨啓C(jī)制造商均針對(duì)摻氫燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室設(shè)計(jì)及改造開展了研究、開發(fā)及示范應(yīng)用工作。西門子研究表明現(xiàn)有的天然氣燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室在不做重大改動(dòng)的情況下可直接使用含氫量15%～20%的摻氫天然氣。GE研發(fā)的多噴口燃燒室采用擴(kuò)散燃燒方式，能夠燃用89%含氫量的混合燃?xì)?，已在E級(jí)和F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)上得到應(yīng)用，但NOx的排放問(wèn)題較為突出。GE公司所開發(fā)的干式貧燃低NOx燃燒室中燃?xì)夂瑲淞孔罡咧荒艿?5%，而為了避免回火風(fēng)險(xiǎn)，在實(shí)際運(yùn)行中摻氫比也盡量控制在5%以下。三菱在摻氫燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室中多采用向擴(kuò)散燃燒噴注蒸汽或氮?dú)獾姆椒ń档蚇Ox排放，然而隨著NOx排放政策日益嚴(yán)格，摻氫燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室設(shè)計(jì)最終將向預(yù)混燃燒方向發(fā)展。

5 結(jié)語(yǔ)

燃?xì)廨啓C(jī)摻氫燃燒技術(shù)是實(shí)現(xiàn)拓寬氫能應(yīng)用場(chǎng)景、保障能源供需平衡、產(chǎn)業(yè)終端用能脫碳的重要手段，還將推動(dòng)發(fā)電行業(yè)可再生能源應(yīng)用變革，加快減碳技術(shù)創(chuàng)新。建議政府加快頂層設(shè)計(jì)和規(guī)劃制定，合理安排產(chǎn)業(yè)環(huán)境和市場(chǎng)激勵(lì)與約束機(jī)制，加大財(cái)政支持和投資引導(dǎo)。企業(yè)需制定明確的發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)和實(shí)施落地規(guī)劃，加大資金和人才投入，聚焦重型燃機(jī)等關(guān)鍵技術(shù)設(shè)備的研發(fā)和國(guó)產(chǎn)化。各方合作加快技術(shù)創(chuàng)新和迭代升級(jí)，加強(qiáng)國(guó)際交流合作，保障燃料供應(yīng)和拓展終端應(yīng)用，最終通過(guò)氫—?dú)狻娙荞詈蠀f(xié)同發(fā)展，實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)和綠色低碳轉(zhuǎn)型。