بررسی قابلیت استفاده از مخلوط گاز طبیعی و هیدروژن و الزامات فنی ارتقای توربینهای موجود
استفاده از هیدروژن در توربینهای گازی، به یکی از مسیرهای مهم کاهش انتشار کربن در صنایع انرژی تبدیل شده است. در این میان، فقط طراحی توربینهای جدید اهمیت ندارد؛ امکان ارتقای توربینهای موجود برای استفاده از مخلوط گاز طبیعی و هیدروژن نیز توجه بسیاری از بهرهبرداران نیروگاهی، پالایشگاهی، پتروشیمی و صنایع فرایندی را به خود جلب کرده است.
توربین صنعتی SGT-600 یکی از مدلهایی است که قابلیت استفاده از سوختهای دارای درصد بالای هیدروژن را دارد. بااینحال، تغییر سوخت این توربین از گاز طبیعی به هیدروژن، یک تغییر ساده در تنظیمات بهرهبرداری نیست؛ بلکه باید بهعنوان یک پروژه مهندسی و ارتقای فنی یا Hydrogen Retrofit بررسی شود.
قابلیت رسمی SGT-۶۰۰ برای استفاده از هیدروژن
توربین گازی SGT-۶۰۰ یک توربین صنعتی دومحوره است که در تولید برق، تولید همزمان برق و حرارت، سیکل ترکیبی و راهاندازی مکانیکی کمپرسورها کاربرد دارد. Siemens Energy برای این توربین، انعطافپذیری بالایی در استفاده از سوختهای مختلف در نظر گرفته است.
براساس اطلاعات رسمی Siemens Energy، توربین SGT-۶۰۰ میتواند با سوخت گازی حاوی حداکثر ۷۵ درصد حجمی هیدروژن کار کند. این قابلیت به فناوری نسل سوم سیستم احتراق Dry Low Emissions یا DLE مرتبط است که برای کنترل احتراق و کاهش انتشار آلایندهها طراحی شده است.
Siemens Energy همچنین یک راهکار ارتقای هیدروژنی برای توربینهای SGT-۶۰۰، SGT-۷۰۰ و SGT-۸۰۰ مجهز به برنر نسل سوم DLE ارائه کرده است. دامنه این ارتقا بهصورت مرحلهای و متناسب با درصد هیدروژن مورد نیاز، شرایط نصب و مشخصات هر واحد تعیین میشود.
بنابراین، عدد ۷۵ درصد را نباید یک قابلیت قطعی برای تمام توربینهای SGT-۶۰۰ نصبشده تلقی کرد. نسل سیستم احتراق، مدل برنر، پیکربندی توربین، تجهیزات جانبی، سیستم سوخت و شرایط عملیاتی هر واحد باید جداگانه ارزیابی شود.
تجربه عملی استفاده از سوخت هیدروژندار در SGT-۶۰۰
یکی از نمونههای مهم استفاده عملی از SGT-۶۰۰ با سوخت دارای درصد بالای هیدروژن، پروژه تولید همزمان برق و بخار Vesta در مجتمع پتروشیمی Braskem برزیل است.
این نیروگاه به دو توربین گازی SGT-۶۰۰ مجهز شده و از گاز فرایندی با محتوای هیدروژن تا حدود ۸۰ درصد استفاده میکند. نیروگاه Vesta حدود ۳۸ مگاوات برق و ۱۶۰ تن بخار در ساعت تولید میکند. این پروژه در سال ۲۰۲۵ جایزه POWER Top Plant را در بخش نیروگاههای گازی دریافت کرد.
در این پروژه، بهجای سوزاندن گاز فرایندی هیدروژندار در فلر، از آن برای تولید برق و بخار استفاده میشود. به گفته Siemens Energy، اجرای پروژه باعث کاهش مصرف انرژی، مصرف آب و انتشار دیاکسیدکربن در مجتمع شده است.
این تجربه نشان میدهد که استفاده از سوختهای حاوی درصد بالای هیدروژن در SGT-۶۰۰ فقط یک برنامه تحقیقاتی یا هدف آینده نیست؛ بلکه در یک واحد صنعتی و تحت شرایط مهندسیشده به مرحله بهرهبرداری رسیده است.
بااینحال، مشخصات پروژه Braskem را نباید مستقیماً به تمام توربینهای SGT-۶۰۰ تعمیم داد. ترکیب گاز فرایندی، نوع سیستم احتراق، طراحی نیروگاه و تجهیزات جانبی این پروژه برای شرایط خاص همان مجتمع انتخاب و مهندسی شدهاند.
آیا تغییر سوخت فقط با تعویض برنر انجام میشود؟
پاسخ کوتاه، خیر است.
برای استفاده از هیدروژن یا مخلوط هیدروژن و گاز طبیعی، فقط محفظه احتراق و برنر اهمیت ندارند. کل مسیر سوخت، سیستم کنترل، تجهیزات ایمنی و بخشی از تجهیزات جانبی توربین باید بررسی شوند.
Siemens Energy اعلام کرده است که بسته ارتقای هیدروژنی براساس شرایط هر سایت و درصد هیدروژن مورد نیاز طراحی میشود. این شرکت توصیه میکند ابتدا قابلیت فعلی نیروگاه ارزیابی و سپس یک مسیر مرحلهای برای افزایش سهم هیدروژن تعریف شود.
مهمترین بخشهایی که در یک پروژه تبدیل SGT-۶۰۰ باید بررسی شوند، عبارتاند از:
۱. سیستم احتراق و برنرهای DLE
هیدروژن نسبت به گاز طبیعی سرعت شعله و واکنشپذیری بیشتری دارد. این ویژگی، احتمال حرکت شعله به سمت بخشهای بالادست برنر یا پدیده Flashback را افزایش میدهد.
به همین دلیل، هندسه برنر، سرعت جریان، نحوه اختلاط هوا و سوخت، محدوده پایداری شعله و منطق کنترلی احتراق باید برای ترکیب جدید سوخت ارزیابی شوند. تحقیقات مرتبط با توربینهای هیدروژنی نیز سرعت بالای شعله و احتمال Flashback را از چالشهای اصلی احتراق سوختهای غنی از هیدروژن معرفی میکنند.
۲. سیستم تأمین و تنظیم سوخت
ترکیب سوخت جدید میتواند بر ظرفیت مورد نیاز شیرها، رگولاتورها، فلومترها، خطوط لوله و تجهیزات Fuel Gas Skid اثر بگذارد. فشار ورودی، دبی جرمی و حجمی، کیفیت اختلاط، پایداری ترکیب گاز و سرعت تغییر درصد هیدروژن باید در طراحی سیستم سوخت لحاظ شوند.
بنابراین، امکان استفاده از هیدروژن فقط براساس قابلیت Core Engine تعیین نمیشود. پکیج کامل توربین و تمام تجهیزات مسیر سوخت نیز باید در محدوده مطالعه قرار گیرند.
۳. سیستم کنترل توربین
سیستم کنترل باید بتواند تغییرات ترکیب سوخت، ارزش حرارتی، شاخص Wobbe، دمای شعله و شرایط احتراق را مدیریت کند.
در یک پروژه Retrofit ممکن است اصلاح نرمافزار کنترل، بازتنظیم Fuel Schedule، تغییر منطق حفاظت، اضافهکردن سیگنالهای جدید و بهروزرسانی سیستم پایش احتراق ضروری باشد.
۴. سیستمهای ایمنی و تشخیص گاز
هیدروژن به دلیل مولکول کوچک، قابلیت نفوذ و نشت بالایی دارد. همچنین شعله هیدروژن در نور روز ممکن است بهآسانی قابل مشاهده نباشد.
در نتیجه، محل نصب و نوع آشکارسازهای گاز و شعله، سیستم تهویه Enclosure، تجهیزات قطع اضطراری، سیستم Purging و فلسفه ایمنی پکیج باید بازنگری شوند. وزارت انرژی آمریکا استفاده از گاز خنثی مانند نیتروژن برای Purging و استفاده از آشکارسازهای مناسب شعله هیدروژن را از الزامات مهم بهرهبرداری ایمن معرفی کرده است.
۵. کنترل انتشار اکسیدهای نیتروژن
احتراق هیدروژن دیاکسیدکربن تولید نمیکند، اما این موضوع به معنای نبود تمام آلایندهها نیست. احتراق در دمای بالا میتواند باعث تشکیل اکسیدهای نیتروژن یا NOx شود.
وزارت انرژی آمریکا اعلام کرده است که هر نوع احتراق در دمای بالا، از جمله احتراق هیدروژن، میتواند NOx تولید کند. با طراحی مناسب محفظه احتراق، افزایش هوای اضافی و کنترل دمای شعله، میتوان انتشار NOx را کنترل و به سطوح قابل مقایسه با توربینهای گاز طبیعی نزدیک کرد.
به همین دلیل، فناوری DLE، کنترل نسبت هوا به سوخت و پایش آلایندهها در پروژههای هیدروژنی اهمیت زیادی دارند.
مفهوم واقعی «۷۵ درصد هیدروژن»
عدد ۷۵ درصد اعلامشده برای SGT-۶۰۰، به درصد حجمی هیدروژن در مخلوط سوخت اشاره دارد.
درصد حجمی هیدروژن با سهم انرژی تأمینشده توسط هیدروژن یکسان نیست. به دلیل تفاوت ارزش حرارتی حجمی هیدروژن و گاز طبیعی، وجود ۷۵ درصد حجمی هیدروژن در سوخت الزاماً به معنای کاهش ۷۵ درصدی انتشار دیاکسیدکربن نخواهد بود.
میزان واقعی کاهش انتشار به ترکیب دقیق گاز طبیعی، درصد هیدروژن، راندمان توربین، بار عملیاتی، ساعات کارکرد و شرایط نیروگاه بستگی دارد. Siemens Energy نیز برای محاسبه اثر واقعی استفاده از هیدروژن، محاسبات را براساس نوع توربین، آرایش نیروگاه، ساعات کار و درصد حجمی هیدروژن انجام میدهد.
بنابراین، هنگام اعلام قابلیت هیدروژنی توربین باید میان سه مفهوم تفاوت قائل شد:
- درصد حجمی هیدروژن در سوخت؛
- سهم انرژی تأمینشده توسط هیدروژن؛
- درصد واقعی کاهش انتشار دیاکسیدکربن.
آیا تمام SGT-600های موجود قابلیت تبدیل دارند؟
امکان تبدیل هر توربین باید بهصورت موردی بررسی شود.
برای واحدهای مجهز به نسل سوم DLE، Siemens Energy یک راهکار مشخص برای ارتقای مرحلهای تا درصدهای بالاتر هیدروژن ارائه کرده است. اما واحدهای قدیمیتر ممکن است به تغییرات گستردهتری در سیستم احتراق، کنترل و تجهیزات جانبی نیاز داشته باشند.
پیش از تصمیمگیری درباره تبدیل یک واحد موجود، حداقل موارد زیر باید مشخص شوند:
- شماره سریال و سال ساخت توربین؛
- نسخه و نسل سیستم احتراق؛
- نوع برنرهای نصبشده؛
- ترکیب فعلی و آینده سوخت؛
- درصد هدف هیدروژن؛
- فشار و ظرفیت شبکه تأمین سوخت؛
- وضعیت سیستم کنترل و حفاظت؛
- الزامات انتشار آلایندهها؛
- طبقهبندی منطقه خطرناک؛
- وضعیت تهویه، تشخیص گاز و سیستم اطفای حریق؛
- تأثیر تغییرات بر عملکرد، قابلیت اطمینان و برنامه تعمیرات.
پس از جمعآوری این اطلاعات، باید یک مطالعه Feasibility Study و ارزیابی فنی با مشارکت سازنده اصلی یا یک مجموعه مهندسی دارای صلاحیت انجام شود.
حرکت مرحلهای از گاز طبیعی به هیدروژن
یکی از منطقیترین رویکردها برای بهرهبرداران، افزایش مرحلهای درصد هیدروژن است. در این روش، توربین ابتدا با درصد محدود هیدروژن در ترکیب با گاز طبیعی کار میکند و پس از بررسی عملکرد، آلایندگی و ایمنی، سهم هیدروژن افزایش پیدا میکند.
Siemens Energy نیز بسته ارتقای SGT-۶۰۰ را براساس افزایش مرحلهای درصد هیدروژن و متناسب با نیاز هر مشتری تعریف کرده است. همچنین پیشنهاد میشود اجرای تغییرات تا حد امکان با زمان بازرسی یا تعمیرات اساسی توربین هماهنگ شود تا وقفه کمتری در بهرهبرداری ایجاد شود.
این مسیر میتواند ریسک فنی و سرمایهگذاری اولیه را کاهش دهد و امکان هماهنگی تدریجی زیرساخت تولید، ذخیرهسازی و انتقال هیدروژن را فراهم کند.
نگاه پیشرو صنعت ورا پارس
قابلیت استفاده از هیدروژن در توربین SGT-۶۰۰ نشان میدهد که گذار انرژی الزاماً به معنی کنارگذاشتن فوری تجهیزات موجود نیست. در بسیاری از موارد، میتوان با اجرای پروژههای مهندسی، ارتقا و Retrofit، عمر مفید داراییهای فعلی را افزایش داد و آنها را برای سوختهای کمکربن آماده کرد.
بااینحال، اصطلاح «Hydrogen-Ready» نباید بدون بررسی فنی استفاده شود. قابلیت هیدروژنی یک توربین فقط به مدل آن وابسته نیست؛ سیستم احتراق، تجهیزات سوخت، سیستم کنترل، پکیج توربین، الزامات ایمنی و شرایط واقعی سایت نیز در این تصمیم نقش دارند.
برای بهرهبرداران توربینهای SGT-۶۰۰، نخستین گام نباید خرید تجهیزات یا تغییر برنر باشد. نخستین گام، انجام یک ارزیابی مهندسی جامع و تعیین وضعیت موجود، درصد هدف هیدروژن و مسیر فنی قابل اجرا است.
تجربه پروژههایی مانند نیروگاه Vesta نشان میدهد که SGT-۶۰۰ ظرفیت مناسبی برای استفاده از سوختهای هیدروژندار دارد؛ اما موفقیت چنین پروژهای به طراحی یکپارچه، مدیریت ایمنی، کنترل احتراق و هماهنگی کامل میان توربین و تجهیزات جانبی وابسته است.
