《International Journal of Hydrogen Energy》：Retrofit of cogeneration engines to use natural gas and hydrogen blends: Application of an optimization methodology to support decision-making
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本研究提出了一种支持热电联产系统改造决策的框架，旨在使该系统能够使用天然气-氢气混合燃料运行。首先，采用优化方法学对原始天然气微燃机进行选型设计，随后针对天然气-氢气混合工况进行计算分析。该创新性方法建立在CGAM问题（一种常用于热电联产系统技术经济分析的基准
本研究提出了一种支持热电联产系统改造决策的框架，旨在使该系统能够使用天然气-氢气混合燃料运行。首先，采用优化方法学对原始天然气微燃机进行选型设计，随后针对天然气-氢气混合工况进行计算分析。该创新性方法建立在CGAM问题（一种常用于热电联产系统技术经济分析的基准模型）的基础上。为支持改造决策，研究分析了一系列重要参数，包括燃料流量（fuel flow rate）、绝热火焰温度（adiabatic flame temperature, Tpz）、NOx排放及火焰速度（flame speed）。结果表明，在已选型微燃机中掺混体积分数不超过10%的氢气时，上述参数变化极为有限，从理论角度看几乎无需进行系统改造；掺混体积分数达30%时，参数变化较为显著；超过该值则建议开展进一步研究。
**一、研究背景与动因**
在全球能源转型与应对气候变化的大背景下，热电联产（Combined Heat and Power, CHP）系统作为一种高效利用能源的技术路线，长期以来以天然气为主要燃料。然而，随着温室气体排放管控日趋严格、地缘政治局势变动加剧能源安全隐忧，开发可替代天然气的清洁能源载体已成为紧迫课题。氢气及其衍生可再生气体（如生物甲烷、合成气）被欧盟列为战略性替代方案，而向现有天然气基础设施中掺入氢气、甚至将现有热电联产设备改造为掺氢或纯氢运行，成为平衡技术经济性与脱碳目标的重要路径。尽管纯氢燃烧不产生CO?排放，但氢气燃烧可能较天然气产生更高的氮氧化物（NOx）排放；同时，氢气与天然气在物理化学性质上的显著差异也对现有设备的适应性改造提出了技术挑战。目前，多数燃气轮机制造商声称其设备可在不重大改动的情况下运行30%-50%掺氢比例的混合燃料，但更高比例则需对燃料系统、燃烧模块及监控系统进行深度改造。鉴于燃烧室是其中最为敏感且需重点优化的部件，亟需建立系统性的决策支持工具，以评估不同掺氢比例下关键运行参数的变化规律，从而为改造决策提供科学依据。
**二、研究目标与技术方法概述**
研究人员以100 kW电功率、164 kW
th热功率的微燃机为研究对象，旨在开发一套两阶段优化分析框架：第一阶段基于改进的CGAM（Cylinder-All-Managers）基准问题对原始天然气微燃机进行优化选型；第二阶段在保持系统配置尽可能不变的前提下，计算分析该微燃机运行天然气-氢气混合燃料时的关键参数响应。研究所采用的主要技术手段包括：
基于Python/Pyomo平台构建非线性优化模型，采用IPOPT求解器进行求解；运用质量守恒与能量平衡原理建立微燃机各部件（空气压缩机、回热器、燃烧室、涡轮、发电机、换热器）的约束方程；基于参考文献[41]的关联式计算绝热火焰温度；采用文献广泛应用的NOx排放指数计算公式；依据文献[11]的公式分别计算天然气与氢气的火焰速度，并通过拟合得到混合气的火焰速度关联式；通过设定不同的化学计量比（equivalence ratio, ?）区分预混贫燃燃烧室（0.4
**三、研究结果**
**3.1 原始天然气热电联产系统的选型及优化方法验证**
研究人员对配置预混贫燃燃烧室（?=0.64）、具有回热布雷顿循环（regenerative Brayton cycle）的微燃机进行了优化选型，决策变量包括压缩比、压缩机等熵效率、涡轮等熵效率、燃烧室进口温度及涡轮进口温度。与文献[20]的对比验证表明，该方法获得的最优参数与文献结果具有合理的一致性，虽因求解器差异及问题非线性导致局部最优解存在差异，但验证了优化方法学的有效性。所获最优参数作为后续改造分析的基准工况。
**3.2 天然气-氢气混合燃料下热电联产系统的分析讨论**
在保持回热器、涡轮等部件参数不变的前提下，研究人员针对不同掺氢比例系统计算了燃料质量流量、绝热火焰温度、NOx排放及火焰速度四项关键参数的变化规律。
**3.2.1 混合气低热值（LHV）的变化特征**
基于混合法则计算表明，随着氢气体积分数增加，混合气低热值呈非线性上升趋势，从纯天然气的50 MJ/kg增至纯氢的120 MJ/kg。这一变化预示掺氢将导致燃料质量流量下降，但体积低热值的降低则可能对燃料供应系统提出更高体积流量的要求。
**3.2.2 预混贫燃燃烧室工况分析**
对于原始配置的预混贫燃燃烧室，计算结果显示：燃料质量流量随掺氢比例增加而降低，纯氢工况下较纯天然气降低约60%；绝热火焰温度从约2195 K升至2352 K，增幅约7%；NOx排放增幅超过800%，呈现对温度升高的强非线性响应；火焰速度从0.13 m/s剧增至1.29 m/s，增幅达10倍，显著提升了回火（flashback）风险。特别地，10%体积掺氢时，各参数变化幅度较小：燃料流量降低约2%，绝热温度升高不足1%，NOx排放增加约6%，火焰速度上升约15%，表明该比例下系统改造需求有限。
**3.2.3 扩散火焰燃烧室工况分析**
假设将原预混贫燃燃烧室替换为扩散火焰燃烧室（?=0.7），在保持其他参数不变条件下：空气与燃料质量流量变化趋势与预混工况一致；100%天然气时绝热温度（2282 K）高于预混工况（2195 K），100%氢气时达2440 K（预混工况为2342 K）；NOx排放在纯氢工况下达48 g/kg燃料，为预混工况（16 g/kg）的3倍；引入稀释剂（水或蒸汽）可降低约80%的NOx排放，但文献指出这可能伴随循环效率下降。扩散火焰燃烧室的火焰速度更高，但该类型燃烧室不存在回火风险。
**四、讨论与研究结论**
研究人员在讨论中指出，10%体积掺氢比例对系统运行参数影响轻微，理论上无需重大改造即可适应；30%掺氢比例引起的变化较为显著，需审慎评估；超过该比例则必须进行更深入的专项研究。研究揭示了若干关键认知：掺氢混合气质量低热值升高但体积低热值降低的特性，对燃料供给系统的重新设计构成隐含的工程挑战；绝热火焰温度的升高将波及热端部件的冷却需求与系统效率；NOx排放与绝热温度之间的正相关关系要求决策者在排放控制目标与掺氢比例之间进行权衡；火焰速度的急剧变化对预混燃烧室构成回火风险，是燃烧室选型与运行策略制定的核心考量。
研究结论部分明确指出：本论文提出了一种基于优化方法的决策支持框架，用于热电联产系统（特别是微燃机）向掺氢运行的改造评估。该方法包含两个主要阶段——微燃机的优化选型，以及对选型后微燃机运行天然气-氢气混合工况的分析验证。该框架被证明能够有效提供改造初期决策洞见，未来工作应拓展至实验验证，并纳入全生命周期与经济性评估以更好支撑大规模实施；同时需进一步探索如何更完备地模拟两类燃烧室之间的差异。
