Будь готов к водороду
Производители газовых турбин разрабатывают новые горелки и другие элементы, необходимые для перевода генерирующего оборудования на водородные смеси. Основной драйвер здесь - декарбонизация. «Если к природному газу добавить 30% водорода (по объёму), то выбросы углекислого газа сократятся на 11%», - отметил менеджер по продажам компании Siemens Energy Ричард Сааб. Некоторые зарубежные предприятия даже опубликовали «дорожные карты» декарбонизации, из которых видно, что основные линейки энергетических газовых турбин в какой-то момент должны быть полностью переведены на водород.
Забытый узел
Из-за водородной лихорадки, охватившей отраслевую прессу и аналитику, мало внимания уделяется вопросу о том, как присутствие водорода в газовой смеси повлияет на работу паровых турбин, эксплуатируемых в составе парогазовых установок (ПГУ). А турбины эти получают пар из котла - утилизатора тепла отработанных газов, температура, состав и объём которых при переходе на метано-водородные смеси неизбежно изменятся.
Инженерам на генерирующих предприятиях придётся учитывать следующее:
- водород имеет более высокую температуру горения, чем природный газ;
- при сжигании водорода увеличивается температура точки росы газов;
- на относительно холодных частях котла-утилизатора возможна конденсация влаги;
- при сжигании водорода возникает больший объём отработанных газов, чем при сжигании природного газа;
- при обращении с водородом необходимо принимать специальные меры безопасности.
Производители котельного оборудования уже имеют опыт работы с водородом. Дело в том, что на химических и нефтехимических заводах избытки горючего газа часто используются с целью выработки технологического пара либо электроэнергии для нужд производства.
В Техасе на нефтеперерабатывающем заводе «Порт-Артур» корпорации Valero Energy ежедневно производится свыше 2,8 млн кубометров чистого водорода. В 2007 году там была построена ПГУ мощностью 100 МВт на основе 80-мегаваттной газовой турбины GE Frame 7EA. Выдаваемые турбиной горячие газы разделяются на два котла-утилизатора с дожиганием метано-водородной смеси. Один котёл вырабатывает пар, который подаётся на паровую турбину Dresser-Rand мощностью 20 МВт с противодавлением. От неё пар отбирается для риформинга метана и для подпитки деаэраторов. Второй котёл-утилизатор генерирует пар, сразу направляемый на установку риформинга метана.
Причины и следствия
У водорода более высокая удельная массовая теплота сгорания, чем у метана, но более низкая объёмная. При переходе на водородное топливо температура горения повышается примерно с 1980 до 2200 °C, так что в газовой турбине образуется больше оксидов азота.
Типичный прямоточный котёл-утилизатор, применяемый в ПГУ, имеет контуры высокого и низкого давления. В первом располагаются секции пароперегревателя, испарителя и экономайзера, во втором - пароперегревателя, испарителя и конденсатного подогревателя. В ПГУ большой мощности может применяться котёл-утилизатор с тремя контурами: высокого, среднего и низкого давления. На паровую турбину ПГУ подаётся пар от пароперегревателя высокого давления (ППВД).
После перевода ПГУ на метано-водородную смесь температура поверхностей ППВД и других теплообменников несколько снизится из-за присутствия в отработанных газах паров воды. Последует снижение мощности паровой турбины. Для его компенсации можно организовать дожигание топлива в котле-утилизаторе. Горелочное устройство обычно устанавливается на входе в котёл.
Поскольку при работе на водороде через газовую турбину проходит больший объём газов, нежели при работе на метане, давление в котле-утилизаторе может превысить предельно допустимое. Тогда потребуется перепроектирование и замена кожуха котла. Кроме того, быстро движущиеся газы оказывают большее давление на поверхности теплообмена, отчего увеличиваются потери энергии (их можно оценить через разницу давлений на входе и выходе котла). Результат - снижение эффективности газовой турбины. Всё это нужно учитывать при модернизации существующих ПГУ и проектировании новых.
Поскольку при использовании метано-водородных смесей температура точки росы возрастает, конструкторам нужно будет позаботиться о дренаже котла-утилизатора. Особенно это важно для контуров среднего и низкого давления.
Безопасность
Водород характеризуется меньшей энергией зажигания, чем природный газ, и большей летучестью. Несгоревший водород будет стремиться собраться в верхней части котла-утилизатора. В современных котлах для этого остаётся мало места, тем не менее для полного устранения опасности взрыва стоит предусмотреть периодические циклы продувки. При этом потребуются детекторы водорода, способные обнаруживать даже малые утечки взрывоопасного газа.
В плане эмиссии основная проблема - оксиды азота. Как показывает практика, их концентрация увеличивается из-за повышения температуры в камере сгорания. На деле эффект не ощущается до тех пор, пока объёмная доля водорода в топливе не доходит до 5%. При превышении этого уровня могут потребоваться специальные меры. В первую очередь - каталитическое восстановление оксидов азота со впрыском аммиака. Для этого в большинстве современных котлов-утилизаторов предусмотрены специальные системы или место для их монтажа.
Модернизировать или заменить?
При разработке котла-утилизатора для новой ПГУ имеет смысл изначально рассчитывать на метано-водородные смеси. Если водородная мода не пройдёт, то свежепостроенный энергоблок будет лучше подготовлен к изменчивым условиям рынка. Модернизация же морально устаревшего котла-утилизатора может оказаться невыгодной альтернативой.
На всякий случай в котле стоит предусмотреть место для системы каталитического восстановления оксидов азота. Природоохранное законодательство ужесточается и без энергоперехода, так что в экологическом плане излишне перестраховаться невозможно.
Российские генерирующие компании и предприятия энергетического машиностроения накапливают опыт эксплуатации, ремонта и модернизации ПГУ. Уже сегодня понятно, что отечественные предприятия энергетического машиностроения справятся с задачей выпуска теплообменного оборудования, спроектированного под метано-водородные топливные смеси.
