Influence of Hydrogen Use As a Fuel on Aeroderivative Gas Turbine Performance

Abstract

Den spesifikke energien til hydrogen er flere ganger høyere enn den spesifikke energien til naturgass. I dag bruker generelle gassturbiner naturgass som brensel. Dette fører til at en stor prosentandel av utslippene assosiert med offshoresektoren er knyttet til gassturbiner. Fleksibilitet og størrelse gjør at aeroderivatturbiner foretrekkes offshore. På grunn av global oppvarming og reduksjon i olje og naturgass kilder ser energisektoren mot nye og miljøvennlige energibærere. For å redusere utslipp vil påvirkning av hydrogen som drivstoff i en aeroderivatturbin bli undersøkt med tanke på endring i ytelse.

Programvaren GasTurb ble brukt til å modellere og evaluere endringen i ytelse for en GE LM2500+G4. Modellen samsvarte med eksterne data for naturgass som brensel ved on-design og off-design. Generelt sett økte effekten og den termiske virkningsgraden når man bruker hydrogen, men eksostemperaturen ble redusert. Ved endring av omgivelsestemperatur økte effekten og den termiske virkningsgraden med henholdsvis 7.8% og 4% for hydrogen, mens eksostemperaturen sank med 1.4%. Ved varierende effekt sank eksostemperaturen med 1.4% for hydrogen og den termiske virkningsgraden økte med 4.2%. Variasjon av vinklene på gassturbinens inngangsfoiler ble brukt til å kontrollere gassturbinen ved endring i effekt. Implementeringen av variable vinkler for inngangsfoilene viste at forskjellige vinkelinnstillinger måtte brukes for de forskjellige drivstoffene.

Resultatene viser til at ulike kontrollinnstillinger i forhold til drift må brukes når en bruker hydrogen i gassturbiner.

The energy associated with hydrogen combustion is several times that of natural gas on an energy per mass basis. Currently, conventional gas turbines are using natural gas as fuel. In the offshore sector a large quantity of the emissions are related to the operation of gas turbines, here aeroderivative gas turbines are preferred due to their flexibility and compact size. Due to global warming and the depletion of natural gas and oil, the power sector looks toward new and environmentally friendly energy carriers. To reduce emissions the influence of hydrogen as fuel in an aeroderivative gas turbine will be investigated with regards to the overall performance change.

The GasTurb software was used to model and evaluate the change in performance output for a GE LM2500+G4. The model was found to match external data for natural gas at on-design and off-design. Generally, the power output and thermal efficiency increased when switching to hydrogen, while the exhaust gas temperature was lowered. When changing to hydrogen with ambient temperature change the power output and thermal efficiency increased by 7.8% and 4% respectively, while the exhaust gas temperature decreased by 1.4%. For hydrogen at part-load the exhaust gas temperature decreased by 1.4% and the thermal efficiency increased by 4.2%. When operating at part-load variable IGV’s was implemented. The implementation of variable IGV’s showed that different angle settings needed to be used for the different fuels.

The results imply that different settings and operating conditions need to be selected when changing the fuel to hydrogen.