H级燃气轮机掺氢发电技术应用现状及关键问题分析

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.24106

发电技术 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (5): 814-825.DOI: 10.12096/j.2096-4528.pgt.24106

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H级燃气轮机掺氢发电技术应用现状及关键问题分析

成明¹, 项阳阳², 杨光伟², 周强¹, 李军³

^1.中能建国际建设集团有限公司，北京市朝阳区 100025
^2.中国能源建设集团浙江省电力设计院有限公司，浙江省杭州市 310012
^3.西安交通大学能源与动力工程学院，陕西省西安市 710049

收稿日期:2024-06-07 修回日期:2024-07-26 出版日期:2024-10-31 发布日期:2024-10-29
作者简介:成明(1986)，男，硕士，工程师，从事国际工程项目技术管理工作，mcheng559x@ceec.net.cn；
项阳阳(1989)，男，博士，高级工程师，从事生物质、燃机和光伏发电项目技术开发及执行管理工作，yyxiang7996@ceec.net.cn；
杨光伟(1992)，男，硕士，工程师，从事燃机电站热机专业设计和燃机发电系统研究工作，gwyang1896@ceec.net.cn；
周强(1991)，男，工程师，从事国际工程项目市场开发和履约管理工作，qzhou2415@ceec.net.cn；
李军(1971)，男，博士，教授，主要研究方向为透平机械气动热力学与优化设计、动密封流热固多场耦合和增稳抑振技术等，junli@mail.xjtu.edu.cn。
基金资助:
国家自然科学基金重点项目(51936008)

Analysis of Application Status and Key Issues of Hydrogen Blending Power Generation Technology for H-class Gas Turbine

Ming CHENG¹, Yangyang XIANG², Guangwei YANG², Qiang ZHOU¹, Jun LI³

^1.China Energy International Group Co. , Ltd. , Chaoyang District, Beijing 100025, China
^2.China Energy Engineering Group Zhejiang Electric Power Design Institute Co. , Ltd. , Hangzhou 310012, Zhejiang Province, China
^3.School of Energy and Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, Shaanxi Province, China

Received:2024-06-07 Revised:2024-07-26 Published:2024-10-31 Online:2024-10-29
Supported by:
Key Project of the National Natural Science Foundation of China(51936008)

摘要/Abstract

摘要：

目的作为新型电力系统的重要支撑，燃氢燃气轮机有助于降低碳排放，有利于电网调峰，是全球未来战略性新兴产业科技创新领域的焦点。燃气轮机掺氢发电技术从示范走向商业化面临诸多关键问题，亟待解决。方法以H级燃气轮机为研究对象，介绍了国内外燃气轮机掺氢发电的战略规划和示范项目，对比了主要燃气轮机厂商H级燃气轮机的技术路线。从氢气来源、系统改造、排放影响以及掺氢发电成本4个方面对未来燃气轮机掺氢发电技术的规模化应用进行分析并提出建议。结果可再生能源电解水制氢将是燃气轮机掺氢发电的主要氢气来源；开发适配掺氢不稳定燃烧的新型干式低氮氧化物燃烧器将是未来掺氢燃气轮机系统改造的重点方向；掺氢比例越高，CO₂减排量越大，但NO _x 排放量呈上升趋势，并有超标风险；未来掺氢发电成本可降至天然气发电成本的同等水平。结论随着大规模可再生能源制氢成本的降低、碳税的实施以及掺氢发电技术的成熟，燃气轮机掺氢发电将逐步进入规模化应用。

关键词: 氢能, H级燃气轮机, 掺氢发电, 掺氢比例, 纯氢, CO₂, NO _x

Abstract:

Objectives As an important support for the new power system, hydrogen gas turbines can help reduce carbon emissions and are conducive to grid peak regulation. They are the focus of technological innovation in the global future strategic emerging industries. Many key issues faced by hydrogen blending gas turbine power generation technology from demonstration to commercialization, need to be solved. Methods H-class gas turbines were taken as the research object, and the strategic planning and demonstration projects of hydrogen blending gas turbine power generation in China and abroad were introduced, and the technology routes of H-class gas turbines of major gas turbine manufacturers were compared. The analysis and suggestion was made from four aspects for the scale application of future hydrogen blending gas turbine power generation technology, including hydrogen source, system transformation, emission impact and hydrogen blending power generation cost. Results Renewable energy electrolysis of water to produce hydrogen will be the main source of hydrogen blending gas turbine power generation. In addition, the development of new dry low nitrogen oxide burners, which are suitable for unstable combustion of hydrogen blending, will be the key direction for future hydrogen blending gas turbine system transformation. The higher the hydrogen volume percentage is, the greater the CO₂ emission reduction is. However, the NO _x emission is on an upward trend. Moreover, there is a risk of exceeding the standard value, and the future cost of hydrogen blending gas turbine power generation can reach the same level as the cost of natural gas power generation. Conclusions With the reduction of the cost of large-scale renewable energy hydrogen production, and the implementation of carbon tax and the maturity of hydrogen blending power generation technology, the gas turbine hydrogen blending power generation will gradually enter large-scale application.

Key words: hydrogen energy, H-class gas turbine, hydrogen blending power generation, hydrogen volume percentage, pure hydrogen, CO₂, NO _x

中图分类号:

TK 479

成明, 项阳阳, 杨光伟, 周强, 李军. H级燃气轮机掺氢发电技术应用现状及关键问题分析[J]. 发电技术, 2024, 45(5): 814-825.

Ming CHENG, Yangyang XIANG, Guangwei YANG, Qiang ZHOU, Jun LI. Analysis of Application Status and Key Issues of Hydrogen Blending Power Generation Technology for H-class Gas Turbine[J]. Power Generation Technology, 2024, 45(5): 814-825.

图/表 12

表1 H级燃气轮机掺氢能力

Tab. 1 Hydrogen blending capacity of H-class gas turbines

掺氢能力

(体积分数/%)

通用电气

(GE)

HA系列

50/60

DLN 2.6e

50(试验)

100(目标)

西门子

(Siemens)

STG5-9000HL

STG6-9000HL

DLE

50(试验)

100(目标)

STG5-8000H

STG6-8000H

DLE

30(试验)

100(目标)

三菱

(Mitsubishi)

M501JAC

M501GAC

预混DLN

多簇DLN

30(试验)

100(目标)

M701JAC

M701GAC

预混DLN

多簇DLN

30(试验)

100(目标)

图1 DLN 2.6e剖面图

Fig. 1 DLN 2.6e sectional view

图2 SGT5/6-9000HL燃烧系统

Fig. 2 SGT5/6-9000HL combustion system

图3 多簇DLN燃烧器结构

Fig. 3 Multi-cluster DLN burner structure

图4 2022年不同制氢方式的氢气产量

Fig. 4 Hydrogen production by different technologies in 2022

图5 2022年和2030年低排放氢气产量

Fig. 5 Low-emission hydrogen production in 2022 and 2030

图6 主要系统改造示意图

Fig. 6 Schematic diagram of main system modification

图7 CO2减排量和碳排放强度随掺氢比例变化曲线

Fig. 7 Change curves of CO2 emission reduction and carbon emission intensity with hydrogen volume percentage

图8 NO x 排放量增幅随掺氢比例变化曲线

Fig. 8 Change curves of NO x emission increase rate with hydrogen volume percentage

图9 掺氢比例对燃料成本及碳税综合影响因子的影响(氢价为1.6 美元/kg)

Fig. 9 Effects of hydrogen blending ratio on the IIFC(hydrogen price=$1.6/kg)

图10 掺氢比例对燃料成本及碳税综合影响因子的影响(氢价为2.1 美元/kg)

Fig. 10 Effects of hydrogen blending ratio on the IIFC(hydrogen price=$2.1/kg)

图11 掺氢比例对燃料成本及碳税综合影响因子的影响(氢价为3 美元/kg)

Fig. 11 Effects of hydrogen blending ratio on the IIFC(hydrogen price=$3/kg)

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H级燃气轮机掺氢发电技术应用现状及关键问题分析

Analysis of Application Status and Key Issues of Hydrogen Blending Power Generation Technology for H-class Gas Turbine

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