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我国政府已明确提出“力争2030年前实现碳达峰，2060年前实现碳中和”[1]。广东省也于2022年印发了《关于完整准确全面贯彻新发展理念 推进碳达峰碳中和工作的实施意见》（下称《实施意见》），标志着广东“双碳”新征程全面开启，其中明确了：到2030年，非化石能源消费比重达到35%左右，非化石能源装机比重达到54%左右；2030年前实现碳达峰，达峰后碳排放稳中有降。到2060年，绿色低碳循环的经济体系和清洁低碳安全高效的能源体系全面建成；非化石能源消费比重达到80%以上；碳中和目标顺利实现。
目前，广东省电力系统中约75%的发电量来自火力发电，其他由核电、风电、太阳能发电及跨区电力输送（如西电东送等）来提供。
我国的《氢能产业发展中长期规划（2021－2035年）》规划了氢能发展定位和支撑措施，同时明确提出了可再生能源制氢即绿氢发展的3个阶段性目标，要求到2025年实现绿氢产能10万～20万t/a，2030年实现绿氢的广泛应用，2035年绿氢在终端消费中的比重明显提升[2]。
文献[3]指出，从多能互补的角度，我国应大力开展可再生能源与氢能融合发展建设，实现“两中心、三基地”，即京津冀氢能应用负荷中心、东部沿海氢能应用负荷中心、东南海上风电制氢基地、西南地区弃水发电制氢基地、三北地区风光氢储综合能源基地的建设布局。
2022年9月，文献[4]报道了广东省青洲四海上风电项目，配套建设风电制氢项目，有望成为全国首个“海上风电+海洋牧场+海水制氢”融合项目。
文献[5]指出，新型天然气发电与制氢技术路径，以天然气为能源和资源基础，通过化学转化获得氢气和电力，是构建“天然气+氢能”双清洁低碳能源体系重要的技术路径，并且能够进一步拓展天然气的利用途径，提高利用效率。
文献[6]指出燃用混氢或者纯氢燃料使新型和现有燃气轮机实现从化石能源向低碳能源过渡，对于燃气轮机的未来市场前景具有重要意义。
2020年3月10日，三菱日立电力系统公司表示已经从美国犹他州国有山间电力公司获得了首个燃氢燃料的先进燃气轮机订单。该机组旨在过渡到可再生氢燃料，从能够燃烧30%氢气和70%天然气混合燃料过渡到100%氢燃料[7]。2020年12月，上海电气燃气轮机有限公司在意大利的实验室开展了9F级重型燃气轮机燃烧器在全温、全压试验条件下，加入20%以内氢含量，可满足排放、回火及稳定性的要求[8]。2021年12月，国家电投集团荆门绿动能源有限公司在运燃气轮机成功实现15%掺氢燃烧改造和运行，这是我国首次在重型燃气轮机商业机组上实施掺氢燃烧改造试验和科研攻关[9]。2022年9月27日，国内首台纯氢燃气轮机示范项目（拟建设1套1.7 MW级纯氢燃气发电机组）获得通辽市能源局核准批复，标志着我国在纯氢燃气轮机国产化替代方面迈出了重要的一步[10]。
结合“双碳”目标，结合制氢产业的发展和燃气轮机掺氢燃烧技术的发展，可以预见建设掺氢燃烧的燃气轮机机组将成为一个重要的趋势。而调压站上游与天然气管网连接，下游与燃气轮机前置模块连接，也是掺氢的一个混合点，因此有必要这阶段针对调压站进行深入的方案研究，为后续工程建设提供参考。
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目前的燃气轮机的燃料，以天然气为主，也有一些机组采用轻油作为备用燃料。天然气的主要组成为甲烷，一般为98%体积含量以上。
文献[16]介绍了国内首个电解制氢掺入天然气项目在辽宁朝阳落地，在掺氢比为10%条件下已实现安全运行1 a。
结合“双碳”的考虑，由于天然气掺氢燃料仍存在一定比例的碳排放，也结合现有天然气掺氢的现状，并考虑一定的提前性，本次选取天然气掺氢30%作为研究对象。
根据国际能源署（International Energy Agency，IEA）的报告[17]，其相关特性对比如表1所示。
特性参数 甲烷 氢气 70%甲烷+30%氢气 低位热值/[kJ·(kg)−1] 50047 120067 53625 高位热值/[kJ·(kg)−1] 55533 141894 59946 密度/(kg·m−3) 0.6558 0.08242 0.4838 密度/[kg·(Nm−3] 0.6918 0.08694 0.5281 低位体积热值/(kJ·m−3) 32820.8 9895.9 25945 高位体积热值/(kJ·m−3) 36418.5 11694.9 29003 注：上述热值按温度为25 ℃计算；密度是按25 ℃，1.013 bar的气体状态计算；标准状态是0 ℃，1.013 bar的气体状态。 Table 1. Fuel gas related properties
从表1可以看出，氢气的低位热值是甲烷的2.399倍。按甲烷掺氢30%来考虑，混合气体的低位热值比甲烷增加了7.15%。
甲烷的低位体积热值是氢气的3.317倍。按甲烷掺氢30%来考虑，混合气体的体积低位热值比甲烷减少了20.95%，是甲烷的79.05%。
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文献[18-19]介绍了M701F4燃机前置模块对温度和压力的要求：（1）压力要求在2.8～4.6 MPa(g)范围内；（2）温度要求高于烃露点温度，避免气体中有液体析出；（3）固体颗粒应限制在3×10−5 ωt（基于燃料重量）以下，所有固体颗粒直径均不能超过5 μm。
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天然气管网为了配合向电厂供气，一般在调压站前设置有供气末站，根据广东省的天然气管网的情况，其供气末站出口压力为4.4～8.0 MPa(g)，温度为常温。
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对于燃气轮机联合循环机组，由于存在夏季工况、性能保证工况、冬季工况和ISO工况，本次选取ISO工况参数。相关厂址参数如下：大气压力为1.013 bar，环境温度为15 ℃，环境湿度为60%。
在广东省的燃机，多数机组由于没有靠近海、大河等冷却水源，以采用机力冷却塔的情况居多，也有一部分机组采用海水直流冷却。文章中凝汽器冷却选取机力冷却塔二次循环系统，冷却水进水温度选取为15 ℃。
9F级燃机配套的余热锅炉，广东省目前以自然循环三压再热无补燃的为主，选取三压再热无补燃的自然循环余热锅炉。
采用美国Thermal Flow公司的GT-Pro软件对燃气-蒸汽联合循环机组进行模拟。得出相关技术数据如表2所示。
技术参数 甲烷 氢气 70%甲烷+30%氢气 燃料量/(t·h−1) 66.57 28.46 62.65 出力/MW 568.390 594.162 577.579 净出力/MW 552.150 565.835 565.312 效率/% 61.41 62.58 61.93 净效率/% 59.66 59.60 60.57 二氧化碳排放/[g·(kWh)−1] 321.3 0 282.2 供电气耗/[Nm3·(kWh)−1] 0.1743 0.5785 0.2098 供电气耗/[kg·(kWh)−1] 0.1206 0.0503 0.1108 燃料体积流量/(m3·h−1) 101509 345304 129489 Table 2. Technical data of gas-steam combined cycle unit
从表2可以看出，相同型号的燃气轮机，在燃用混合气体后，与燃用甲烷相比，出力增加了4.62%，效率提升了0.52%，碳排放降低39.1 g/kWh（毛出力）和12.17%。也可以看出，每千瓦时电所耗纯氢体积是甲烷的3.32倍，每千瓦时所耗混合气体体积是甲烷的1.20倍。
燃气轮机所配置前置模块需要加大尺寸来适应纯氢燃烧。
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调压站由天然气子系统、氢气子系统、混合子系统组成，其中天然气子系统由以下几个功能段组成：进口单元、计量单元、过滤单元、换热单元和调压单元组成；氢气子系统包括了进口单元、计量单元、过滤单元和调压单元[20]。
进口单元完成燃料气体的打开和关断的功能；计量单元完成燃料气体的流量测量的功能；过滤单元完成燃料气体去除凝结液体和超出可接受标准的固体颗粒的功能；换热单元完成燃料气体的温度调整功能；调压单元完成燃料气体的压力调整功能；混合单元完成燃料气体的混合功能。
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文献[21]介绍了我国目前仅有掺氢天然气管道输送示范项目“朝阳可再生能源掺氢示范项目第一阶段工程”的掺氢体积比约为5%。掺混设备采用的电气式随动掺氢结构。天然气作为主气源，氢气作为随动气源。氢气进口压力为15 MPa(g)，掺氢量按照3%～20%设计。
掺氢点，可能的位置有2个方案。方案一是在调压站中找位置，如前所述，在天然气子系统的换热单元和调压单元后面；方案二是考虑在前置模块中找位置。
前置模块的主要设备包括：燃气热值计、燃气流量计、燃气加热器、燃气过滤器和相关的测量仪器，用于测量燃气热值、燃气流量，加热燃气以达到必需的温度，以及监测燃气供气压力和温度。考虑到前置模块中的工艺参数（压力、温度、流量）是由燃机自带的控制系统直接控制的，如果要掺氢，位置就考虑在前置模块入口管道上。
方案一中，调压站中布置有天然气子系统、氢气子系统、混合子系统，可以考虑由调压站成套厂家统一成套，共同控制。方案二中，氢气子系统和混合子系统要与前置模块布置在一起，由于前置模块需靠近燃气轮机布置，布置在余热锅炉辅助跨，而该区域空间较为狭小，而且特别不要布置氢气放散系统。
方案一和方案二比较，考虑到混合子系统中要求上游的天然气压力控制阀与氢气压力控制阀是按压力信号进行同步控制，布置在一个区域，情况较方案二为优；方案一调压站布置较为独立，可以更好地布置氢气放散系统；方案一调压站布置，也符合危险建构筑物相对集中布置，方便安全管理。
因此，推荐氢气子系统和混合子系统布置在调压站。
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文献[22]介绍合金材质中的C、Mn、P、S等元素会使管材的氢脆敏感性显著上升，且氢损伤现象与钢管强度存在直接联系，氢气管道的选材一般是钢级越低越好。目前欧洲氢气管道材料主要采用X42、X52、X56等低强度管线钢，美国主要采用X52～X80管线钢，ASME B31.12－2014中推荐采用X42，X52钢管。
文献[23]介绍了海阳核电一期工程氢气系统室外输气管道采用ASME SA-312GR TP304L的不锈钢材质，总长约900 m，穿过道路下的管道外设有碳钢套管，套管两端用封板封堵。氢气管道及碳钢套管外表面按特加强级要求做环氧煤沥青涂层。也提出管道材质提升至TP316或TP317时，即可有效避免腐蚀。
文献[24]介绍了金陵－扬子氢气管道全长超过32 km，设计压力4 MPa，管径为325 mm，钢管材质为20#石油裂化钢管；巴陵－长岭氢气提纯及输送管线工程最大管径457 mm，钢管材质为裂化碳素无缝钢管；济源－洛阳氢气管道实长约为25 km，管径为508 mm，设计压力4 MPa，钢管材质为L245无缝钢管，采用常温型三层PE外防腐层。
鉴于氢气管道和掺氢管道在燃气轮机机组中用量不算太大，其中从调压站到达燃气轮机前置模块一般会超过100 m，但一般不会超过500 m，可能走埋地或走架空管廊，当管道采用不锈钢材质时，考虑到304、304L和316、316L费用差别不大，综合考虑费用、安全的因素，可以按316L来考虑，埋地时，再作防腐处理；过道路时，另加套管保护。
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燃气轮机考虑天然气掺氢气的情况下，由于本阶段氢气的供应没有同步可用，在目前的条件下，一般燃气轮机项目是按预留掺氢的情况来考虑。因此，天然气管道可按燃气轮机燃用100%天然气来选择管径。
国家标准《油气管道运行规范》（GB/T 35068－2018）规定：天然气分输场站进站管线至分离器上游阀门间的工艺管气体流速不宜超过15 m/s，不应超过20 m/s；经调压之后压力低于2.5 MPa，出站处流速不应超过25 m/s[25]。
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在《氢气站设计规范》（GB 50177－2005）的第12.0.1部分，给出氢气在不同材料管道和不同压力下的最大流速[26]，如表3所示。
设计压力/MPa 碳钢管最大流速/(m·s−1) 不锈钢管最大流速/(m·s−1) >3.0 10 无规定 0.1～3.0 15 25 <0.1 按允许压力降确定 无规定 Table 3. Maximum velocity of hydrogen gas within pipe
在《氢气站设计规范》（征求意见稿）的12.1.2中要求了“氢气管道内的实际流速不应超过工作条件下冲蚀速度的50%”，如表4所示，附录E中给出了氢气的冲蚀速度的计算公式。
氢气参数 数值 氢气管道最低工作压力/MPa 3.5 氢气温度/K 288 氢气的压缩系数 1.0212 氢气工作条件下的冲蚀速度/(m·s−1) 71.9 Table 4. Hydrogen gas corrosion velocity
$$ V_{\rm{e}}=\dfrac{7.843\;6}{\sqrt{P/ZT}} $$ (1) 式中：
Ve ——氢气工作条件下的冲蚀速度（m/s）；
P ——氢气管道最低工作压力（MPa，绝压）；
T ——氢气温度（K）；
Z ——给定压力、温度条件下氢气的压缩系数。
从标准上看出，对于不锈钢管道来说，管道设计压力超出3.0 MPa时，最大流速原则上应有所降低，文章按最大流速20 m/s来考虑，此时，流速也符合小于冲蚀速度的50%的要求。
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管道工作压力按3.5 MPa时，在不同燃料供应比例的情况下管径选择的对比如表5所示。
管道参数 甲烷 氢气 70%甲烷+
30%氢气30%氢气 燃料体积流量/(m3·h−1) 29002 98658 － － 混合气体体积流量/(m3·h−1) － － 36996 11099 管道设计压力/MPa(g) >3.0 >3.0 >3.0 >3.0 管道材质 碳钢 不锈钢 不锈钢 不锈钢 管道最大流速/(m·s−1) 15 20 20 20 最小管道内径/mm 830 1320 810 440 注：管道工作压力按3.5 MPa计算燃料气体体积流量。 Table 5. Pipe diameter selection under different fuel gas supply portion
从表5可以看出，如果混合气体管径按810 mm选取，在完全使用天然气的时候，由于体积流量减少（从36996 m3/h减少到29002 m3/h），但管道材质已按混合气体选择了不锈钢，此时管道允许最大流速不变，管道流速可以满足最大流速要求的，无需加大管径。也就是说，按混合气体进行管径选择，是可以同时满足天然气和天然气掺氢气管道输送气体的要求。
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每台机组一般设置两条调压管路，一用一备。压力控制单元分支管路流程是由球阀、安全切断阀、工作调压器、监控调压器按照从上游至下游的顺序，串联在一起的安全、监控式调压系统。如果为2台机组，则调压管道可二用二备或二用一公共备用。正常工况下，工作调压器调节调压站出口压力，当工作调压器故障，监控调压器自动投入运行；如果监控调压器也发生故障，监控调压器为事故常关配置，该调压支管路关闭。
在《氢气站设计规范》（GB 50177－2005）的第12.0.3部分，给出对氢气管道阀门材料的要求，如表6所示。
设计压力/MPa 材料 <0.1 阀体采用铸钢；密封面采用合金钢或与阀体一致 0.1～3.0 阀杆采用碳钢；阀体采用铸钢；密封面采用合金或与阀体一致 >2.5 阀体、阀杆、密封面均采用不锈钢 Table 6. Material of valve on hydrogen gas pipe
由于掺氢管道压力为3.5 MPa，掺氢管道上的阀门，其阀体、阀杆、密封面均采用不锈钢。
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调压系统中设置有安全装置，安全装置应保证在任何情况下都不允许压力超过限定值。系统中设置有运行超压的部分流量压力释放阀和事故时的全容量安全放散用压力释放阀。
调压站中所有的排放阀门所排出的气体都用专用管路引导至安全区域，并通过放散塔排放。
放散管的材质可考虑采用碳钢管道，天然气管道和混合气体管道可合用一个放散塔。
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通过上述分析，得出结论如下：
1）掺氢混合点，选择在调压站调节阀后，比选择在前置模块入口管道前，在安全性上更高，控制便利性更优。推荐设置在调压站调节阀后。
2）掺氢和纯氢气管道的材质，从调压站到达燃气轮机前置模块一般会不超过500 m，可能走埋地或走架空管廊，当管道采用不锈钢材质时，综合考虑费用、安全的因素，可以采用316 L。
3）掺氢和纯氢气管道的最高流速，在管道采用不锈钢材质时，当压力高于3.0 MPa(g)的情况下，目前标准并未给出具体数值，文章推荐采用20 m/s，此时，该流速小于冲蚀流速的50%。但仍需进一步收集同类工程的实际应用情况，继续开展深入研究。
4）燃气轮机燃用天然气掺氢的混合气体时，在选择管道内径时，需要考虑天然气和氢气的物理特性的不同。在掺氢30%的情况下，当调压站的调节阀后管道采用不锈钢的情况下，由于不锈钢管道允许最大流速高于碳钢管道，而且天然气的体积流量小于混合气体的体积流量，此时按混合气体进行管道内径的选择，既可满足燃用天然气，也能满足燃用天然气掺氢30%的混合气体。
5）由于掺氢管道压力为3.5 MPa，掺氢管道上的阀门，其阀体、阀杆、密封面均采用不锈钢。
Design of Gas Turbine Pressure Regulation Station Under the Condition of Mixed Hydrogen Gas
doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.03.015
- Received Date: 2023-03-06
- Rev Recd Date: 2023-03-27
- Available Online: 2023-04-14
- Publish Date: 2023-05-10
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Key words:
- carbon peak and neutrality /
- gas turbine /
- natural gas mixed with hydrogen gas /
- pressure regulation station /
- mixture tank
Abstract:
| Citation: | ZHU Junhui. Design of Gas Turbine Pressure Regulation Station Under the Condition of Mixed Hydrogen Gas[J]. SOUTHERN ENERGY CONSTRUCTION, 2023, 10(3): 135-142. doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.03.015
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