Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Das H2R-System der Firma Crosstown Power ist ein Wasserstoff-Verbrennungssystem, mit dem sich bestehende Kraftwerks-Gasturbinen im Bereich von 100 MW nachrüsten lassen. Mit Wasserstoff betriebene Kraftwerke können in Zukunft einen wichtigen Beitrag in der klimafreundlichen Energieversorgung leisten. Die Ausgestaltung als Nachrüstlösung wird es erlauben, heute bereits bestehende Kraftwerke auch in Zukunft weiter nutzen zu können. Das H2R-Verbrennungssystem ist basiert auf dem Konzept «Cluster Burner». Der Brenner bildet eine grosse Anzahl von kleinen Flämmchen, was in Bezug auf Stabilität und Emissionen eine gutkontrollierte Verbrennung erlaubt. Das Konzept bietet viele Vorteile, u.a. eine einfache Skalierbarkeit. Es sind noch einige Forschungsfragen zu klären, um den Brenner konkret auslegen, dimensionieren und fertigen zu können. Ziel des Projekts ist es, Brennerauslegung, Verbrennungstests sowohl analytische Arbeiten durchzuführen, um die Machbarkeit des Konzepts zu demonstrieren und um ein Design festzulegen, das die Anforderungen für einen Maschineneinsatz erfüllt.
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Kurzbeschreibung
(Englisch)
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The H2R system of Crosstown Power is a hydrogen combustion system that allows retrofitting existing power plant gas turbines in the 100 MW range. In the future hydrogen-fuelled gas turbines could play an important role in environmentally friendly power generation. The setup as a retrofit solution provides implementation opportunities in existing fossil power plants.The H2R system is based on the concept of “cluster burners”. The burner provides a large number of micro flames, enabling good combustion control in terms of stability and emissions. The concept offers many advantages, e.g. an easy scaling. However, research questions regarding combustion and manufacturing have yet to be addressed.The objective of the current project is to design the burner, to do performance analysis and to carry out atmospheric combustion tests in order to demonstrate the feasibility of the proposed concept and to come up with a design that fulfils engine requirements.
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Kurzbeschreibung
(Französisch)
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Le système H2R de la société Crosstown Power est un système de combustion d'hydrogène qui permet d'équiper les turbines à gaz existantes des centrales électriques de l'ordre de 100 MW. Les centrales électriques fonctionnant à l'hydrogène pourront à l'avenir apporter une contribution importante à l'approvisionnement énergétique respectueux du climat. La conception en tant que solution de rééquipement permettra de continuer à utiliser à l'avenir les centrales électriques déjà existantes aujourd'hui. Le système de combustion H2R est basé sur le concept de "cluster burner". Le brûleur forme un grand nombre de petites flammes, ce qui permet une combustion bien contrôlée en termes de stabilité et d'émissions. Ce concept présente de nombreux avantages, notamment une évolutivité aisée. Il reste encore quelques questions de recherche à résoudre pour pouvoir concrètement concevoir, dimensionner et fabriquer le brûleur. L'objectif du projet est de réaliser la conception du brûleur, des tests de combustion et des travaux analytiques afin de démontrer la faisabilité du concept et de définir un design qui réponde aux exigences d'une utilisation en machine.
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Schlussbericht
(Deutsch)
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Im zukünftigen Energiesystem mit stark eingeschränkter Verwendung fossiler Energieträger kann eine kontinuierliche Stromversorgung durch Stromerzeugung mit Sonne, Wind und Wasser nicht gewährleistet werden. Dazu ist gespeicherte Energie z. B. in Form von Wasserstoff, erzeugt aus erneuerbaren Quellen, notwendig. Der bestehende Kraftwerkspark, der auf fossilen Energieträgern wie Erdgas und Erdöl basiert, kann jedoch nicht ohne weiteres mit Wasserstoff betrieben werden. Das Projekt H2R setzt hier an, indem die Firma Crosstown Power GmbH (CP) zusammen mit der Fachhochschule Nordwestschweiz (FHNW) die Machbarkeit eines 100% wasserstofffähigen Verbrennungssystems für Kraftwerks-Gasturbinen (GT) untersucht. Damit können bestehende Gasturbinen auf eine CO2-freie Stromproduktion umgerüstet und weiter betrieben werden. Vorgängig zum vorliegenden BFE-Projekt wurden in einem vom Aargauer Forschungsfond (FFAG) geförderten Projekt die Auswirkungen des Wasserstoffbetriebs auf die Gasturbine untersucht sowie erste Versuche eines Prototypbrenners auf dem atmosphärischen Verbrennungsprüfstand der FHNW durchgeführt [1]. Weitere Tests auch mit modifizierten Brennern sowie vertiefte analytische Untersuchungen fanden im Rahmen des BFE-Projekts statt. Bedingt durch die vom Markt geforderte Übergangslösung mit steigender Wasserstoffzumischung zum Erdgas wurde im Verlaufe des Projektes der Fokus der Brennerentwicklung nicht nur auf den reinen Wasserstoffbetrieb gelegt. Es wurden auch Brennervarianten entwickelt, welche den Betrieb von Wasserstoff Erdgasgemischen erlauben. Das von CP vorgeschlagene Clusterbrenner-Konzepts (CB), bei dem ein Brenner aus einer Vielzahl von Mikrobrennern als Vormischbrenner (Low NOx) besteht, wurde zunächst mit Hilfe in der Literatur vorhandener Korrelationen für die Mischung von Brennstoff und Luft ausgelegt. Damit wurde ein Brenner mit 7 Mikrobrennern (CB7) konstruiert und in 3-D-Metalldrucktechnik realisiert. Der atmosphärische Verbrennungsprüfstand der FHNW wurde für den Betrieb mit 100% Wasserstoff (1.2 g/s H2) und einer zusätzlichen Wasserdampf-Versorgung (max. 4 g/s bei 200 °C) erweitert. Der Prüfstand ermöglicht Tests mit gasturbinentypischen Temperaturen und Brennerströmungsgeschwindigkeiten, jedoch im Gegensatz zu Gasturbinen drucklos, bis zu einer thermischen Leistung von 120 kW. Um genügend Freiraum für Leistungs-, Verbrennungstemperatur- und Geschwindigkeitsvariationen gewährleisten zu können, wurden Brenner mit unterschiedlichem Design jedoch demselben Brennerkonzept hergestellt und untersucht. Es wurden mehrere Brennervarianten mit 15 (CB15) und 6 (CB6) Mikrobrennern hergestellt. Die CB6-Varianten haben in der Mitte statt eines Mikrobrenners einen Pilotbrenner mit stabilerer Flamme. Die hauptsächlichen Herausforderungen beim Betrieb mit Wasserstoff sind Flammenrückschlag in den Brenner (Flashback) und erhöhte NOx-Emissionen. Daneben muss auch der Strömungsdruckverlust im Auge behalten werden, da ein höherer Druckverlust eine Verringerung des Gasturbinenwirkungsgrades zur Folge hat. Testresultate atmosphärisch: Die zuerst hergestellten CB15 zeigten bei Brennergeschwindigkeiten von 100 bis 150 m/s ähnlich geringe NOx-Emissionen wie Erdgasbrenner. Die Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit auf 75 m/s resultieren in 25% höheren NOx-Werten. Die Zugabe von Wasserdampf reduziert die NOx-Werte um bis zu 25% bei einem Dampf/Brennstoffverhältniss O von 3 kg Dampf pro kg Wasserstoff. Der Strömungsdruckverlust ist bei Geschwindigkeiten über 100 m/s deutlich höher als bei Erdgasbrennern. Um die Sicherheit gegen Flashback zu bestimmen wurde der Luftdurchsatz bei konstanter typischer Flammentemperatur soweit verringert, bis in einem Mikrobrennerrohr Flashback auftrat. Dies war bei allen Brennern reproduzierbar bei Strömungsgeschwindigkeiten zwischen 40 und 45 m/s der Fall. Das auf den Erkenntnissen des CB15 entwickelte Brennerdesign des CB6 bestätigte die vorangegangenen Messungen mit dem CB15. Durch die neue axiale Brennstoffeindüsung konnte die Hydrogen Combustion System, Retrofit for Power Plant Gas Turbines Brennerluftgeschwindigkeit, bei der Flashback auftrat, sogar auf 30 m/s verringert werden. Varianten mit gekrümmten Luftrohren des CB6-Designs verbessern die Stabilität im Betrieb mit Wasserstoff-Erdgasgemischen. Hinzu kommt eine Verringerung des Druckverlustes durch den Injektoreffekt der axialen Brennstoffeindüsung. Der CB6 wurde ohne zusätzliche Dampfeindüsung ausgeführt, da diese bei Gasturbinen aus Betriebsgründen möglichst nicht eingesetzt werden sollte. Anhand von OH-UV-Chemilumineszenz-Aufnahmen, die die Reaktionszone zeigen, konnten verschiedene Trends von charakteristischen Flammengrössen wie Flammenlänge und Abhebehöhe in Abhängigkeit von diversen Parametern ermittelt werden. Es war ersichtlich, dass vor allem die Abhebehöhe bei zunehmender Flammentemperatur abnimmt. Dies ist hauptsächlich durch die gesteigerte Reaktionsgeschwindigkeit eines fetteren Gemisches bei höherer Flammentemperatur zu erklären, wodurch z.B. die Zündverzugszeit abnimmt. Durchflusstests: Um die Verteilung des Brennstoffs auf die Mikrobrenner zu ermitteln, wurden Durchflusstests mit Wasser durch die Brennstoffeindüsung durchgeführt. Es ergaben sich Streuungen von ca. ±10% bei den Brennerrohren des CB15, die durch fertigungstechnische Verbesserungen beim CB6 auf unter ±5%verringert werden konnten. Numerische Untersuchungen: Basierend auf CFD-Modellierung eines Einzelmikrobrennerrohrs wurde erkannt, dass eine Radialeindüsung mit H2- und Dampfeindüsung in Inlineanordnung für einen Vormischbrenner bezüglich Mischqualität und Flashbackrisiko am besten geeignet ist. Dem gegenüber konnten im Experiment mit der Axialeindüsung des CB6 die besten Ergebnisse bezüglich Flashback erzielt werden.
Zugehörige Dokumente
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