摘 要

摘　要：指出氫氣加入到現有天然氣管道后會(huì )引起管材方面的風(fēng)險(氫脆和滲透)。在12T基準氣條件下，為了不改變終端用戶(hù)的燃具，混合氣中氫氣的最大允許體積分數為23％。根據氫氣加入

摘　要：指出氫氣加入到現有天然氣管道后會(huì )引起管材方面的風(fēng)險(氫脆和滲透)。在12T基準氣條件下，為了不改變終端用戶(hù)的燃具，混合氣中氫氣的最大允許體積分數為23％。根據氫氣加入后管道輸送混合氣的數學(xué)模型，提出輸氣功率的定義，用以反映管道輸送能量的能力。只需給現有燃氣管網(wǎng)預留一定的壓力，氫氣加入后通過(guò)提高輸送壓力便可保證管道的輸氣功率不變。

關(guān)鍵詞：氫氣  天然氣管道  氫脆  滲透　輸氣功率  輸氣能力

Feasibility Analysis of Hydrogen Transport in Natural Gas Pipeline

Abstract: The risk of materials such as hydrogen embrittlement and permeation caused by adding hydrogen into existing natural gas pipeline is pointed out．Under the condition of l 2T reference gas．the maximum allowable volume fraction of hydrogen in mixture is 23％to not change end-user appliances．According to the mathematical model of transport gas mixture in pipeline after addition of hydrogen，the definition forgas transport power is presented to reflect the pipeline gas transport capacity．Aconstant gas transport power is achieved by improving gas transport pressure after addition of hydrogen if only a certain pressure is reserved for existing natural gas pipeline．

Key words: hydrogen；natural gas pipeline；hydrogen embrittlement；permeation；gas transport power；gas transport capacity

 

1　氫氣加入后管材方面的風(fēng)險

氫氣和天然氣的主要組分甲烷物理化學(xué)性質(zhì)有很大差別(見(jiàn)表l，表l中的密度、低熱值、高熱值均為15℃、標準大氣壓下的值)^[1]。從這些性質(zhì)的差別可以看出，為天然氣設計的管道很難直接用來(lái)輸送氫氣或者氫氣和天然氣的混合物。氫氣加入后會(huì )改變管道內氣體的性質(zhì)，從而引發(fā)管材方面的風(fēng)險。

 

①氫脆風(fēng)險

氫脆會(huì )改變管道的機械性能，例如鋼鐵的氫脆現象會(huì )加速微小裂縫的破裂。一般這方面的風(fēng)險很難具體計算，可通過(guò)復雜的試驗得出相關(guān)結論。因為它不僅與管道的材料有關(guān)，還涉及到管道的運行年限。通常管道的壓力越高，使用年限越久，氫脆的風(fēng)險越大^[2]。

②氫氣滲透風(fēng)險

由于氫氣的滲透率遠大于天然氣，所以輸送氫氣的管道會(huì )產(chǎn)生氫氣損失，但是這種損失一般很小，基本可以忽略不計。此外，滲透強弱還與管道材料有關(guān)。在鑄鐵管和纖維水泥管道中，氫氣滲透風(fēng)險很大；在PE管中，氫氣滲透率是天然氣的5倍，但仍然很小。有計算表明，PE管1年中滲透損失的氫氣體積接近其輸送氣體體積的0.0005％～0.001％。

2　氫氣加入后對燃氣互換性的影響

任何燃具都是按一定的燃氣成分設計的。當氫氣加人到天然氣中導致燃氣成分發(fā)生變化時(shí)，燃具燃燒器的燃燒工況會(huì )改變，將會(huì )影響燃具的性能，甚至導致原有的燃具不能正常工作。因此氫氣加入天然氣后必須考慮互換性問(wèn)題。衡量互換性的兩個(gè)常用參數為華白數和燃燒勢。

華白數計算公式為：

 

式中W——燃氣華白數，MJ／m3

Q_h,g——天然氣的高熱值，MJ／m³

Q_h,H——氫氣的高熱值，MJ／m³

φ_H——燃氣中氫氣的體積分數

p_g——天然氣的密度，kg／m³

p_H——氫氣的密度，kg／m³

p_a——空氣的密度，kg／m³

目前各國一般規定兩種燃氣互換時(shí)華白數形的變化范圍為-10％～l0％^[3]。因此，對于l2T天然氣，華白數允許變化范圍是45.71～55.87MJ／m³。

燃燒勢C_p，是反映燃氣燃燒內焰高度的指標，計算公式為：

 

式中C_p——燃氣燃燒勢

K₁——與燃氣中氧氣含量有關(guān)的系數

φ_H——燃氣中氫氣的體積分數，％

φ_CO——燃氣中C0的體積分數，％

φ_CH——燃氣中除甲烷外的碳氫化合物的體積分數，％

φ_met——燃氣中甲烷的體積分數，％

d——混合氣體的相對密度

對于l2T天然氣，依據GB／Tl3611-2006《城鎮燃氣分類(lèi)和基本特性》可知，華白數范圍為45.67～54.78 MJ／m³，燃燒勢的范圍為36.3～69.3。以12T的基準氣為參考，依據公式(1)、(2)計算含有不同體積分數的氫氣的混氫天然氣的華白數和燃燒勢，將結果繪成曲線(xiàn)，見(jiàn)圖l。圖l中，虛線(xiàn)內為可置換區域，其4個(gè)角點(diǎn)坐標分別為(36.3，54.78)、(69.3，54．78)、(36.3，45.67)、(69.3，45.67)；曲線(xiàn)起點(diǎn)為天然氣，終點(diǎn)為氫氣，其余為混氫天然氣；虛線(xiàn)與曲線(xiàn)的右側交點(diǎn)處氫氣的體積分數為23％。由公式(2)知，若燃氣中只含有氫氣和天然氣，則燃燒勢和氫氣的體積分數成正相關(guān)的關(guān)系。

 

由圖l可知，氫氣加入后，混合氣體的華白數趨于下降，而燃燒勢急劇增大。這說(shuō)明隨著(zhù)混合氣體中氫氣體積分數的增加，燃具的熱負荷下降，而燃氣的火焰傳播速度急劇增大，燃具回火的風(fēng)險急劇增大。為有效解決燃氣的互換性和燃具的適應性問(wèn)題，依據特性指標，混氫天然氣中氫氣的體積分數必須小于23％，即控制在可置換區域內。如此，則可保證加入氫氣后終端用戶(hù)的燃具不用改變。

3　氫氣加入后管道輸送工況的變化

①氫氣加入后管道水力數學(xué)模型

燃氣穩態(tài)流動(dòng)的一般方程^[4]為：

 

式中q_v一—標準狀態(tài)下（壓力為101325Pa，溫度為288K）管道內的流量，m³/s

R_air——空氣氣體常數，取287J/(kg·K)

T_n——標準溫度，K，取288 K

P_n——標準大氣壓Pa，取101325 Pa

P₁ 、P₂——管段起點(diǎn)、終點(diǎn)絕對壓力，Pa

P_av——沿管長(cháng)的平均絕對壓力，Pa

g——重力加速度，m²/s，取9.8 m/s²

h——管段高差，m

Z——壓縮因子

T——溫度，K

D——管道內徑，m

λ——摩擦系數

L——管長(cháng)，m

λ由柯氏公式計算得出：

 

式中K——管道內壁的當量絕對粗糙度，m

Re——雷諾數

壓縮因子一般可以通過(guò)查圖表^[5]的方式得出，也可以用經(jīng)驗公式計算。參照文獻^[1]，混合氣體的壓縮因子可由下述經(jīng)驗公式計算：

 

式中T_e一—氣體的臨界溫度，K

P_e——氣體的臨界壓力，Pa

在設計中，壓縮因子一般認為是混合氣體的臨界性質(zhì)、管道的平均壓力和溫度的函數。

在探討利用現有燃氣管道輸送氫氣和天然氣混合物的輸氣能力時(shí)，僅僅用流量不能表示出氫氣加入到原有天然氣管道后管道輸氣能力的變化，引入管道輸氣功率少的概念，表示管道輸氣能力的大小。管道輸氣功率中的定義為單位時(shí)間內管道輸送氣體的負荷，即：

Φ=qvQ_h，z　　　　　　　　　　　　　?。?/span>5）

 

式中Φ——管網(wǎng)輸氣功率，MJ／s

Q_h，z——混合氣體的高熱值，MJ／m³

當管段高差為0時(shí)，則：

 

顯然式(10)的值大于零，可見(jiàn)提高起點(diǎn)壓力比降低終點(diǎn)壓力更能提高管道的輸氣功率。

②實(shí)例分析

a．管道壓力降不變時(shí)

假設某PE管道(SDRll)長(cháng)3km，管道外徑為250mm，起點(diǎn)壓力為0.4MPa，終點(diǎn)壓力為0.35MPa，溫度為288K，壓縮因子取l。當管道壓力降不變時(shí)，利用式(6)、(7)計算這段管道的體積流量和輸氣功率，將計算結果繪成曲線(xiàn)，見(jiàn)圖2、3。

 

 

由圖2可知，氫氣加人到天然氣管道后，若保證壓力降不變，則隨著(zhù)氫氣體積分數的增大，和輸送天然氣相比，管道的體積流量急劇增大。

由圖3可知，氫氣加入到天然氣管道后，若保證壓力降不變，則無(wú)論氫氣的體積分數為多大，和輸送天然氣相比，管道的輸氣功率均是下降的，即管道的輸氣能力是降低的。當氫氣在混合氣體中的體積分數大于0.83后，管道的輸氣功率有小幅回升，但和輸送天然氣相比，管道的輸氣能力仍然是下降的。在圖1中也有相類(lèi)似的情況，當氫氣在混合氣體中的體積分數為0.83左右時(shí)，混合氣體的華白數是最低的。

b．增大管道壓力降后

由圖3可知，若不改變壓力降，管道的輸氣能力有較大幅度下降。因此，為保證管道的輸氣功率，氫氣加入后，往往需要更大的壓力降運行。我們有必要探討增大管道的壓力降后，管道的輸氣功率呈何種趨勢變化。

假設PE管道(SDRll)長(cháng)3 km，管道外徑為250mm，溫度為288K。在中壓條件下，分別取起點(diǎn)壓力為0.38、0.384、0.40MPa，終點(diǎn)壓力為0.35MPa，計算不同氫氣體積分數下管道的輸氣功率，并將計算結果繪成曲線(xiàn)，見(jiàn)圖4。壓縮因子均取1。在低壓條件下，分別取起點(diǎn)壓力為7、7.3、8kPa，終點(diǎn)壓力為5kPa，計算不同氫氣體積分數下管道的輸氣功率，并將計算結果繪成曲線(xiàn)，見(jiàn)圖5。壓縮因子均取1。

 

 

由圖4、5可知，增大管道的壓力降后，無(wú)論中壓還是低壓條件，管道的輸氣功率均有顯著(zhù)提升。在中壓條件下，混合氣體中氫氣的體積分數為0.23時(shí)，為保證輸氣功率不變，則起點(diǎn)壓力需從0.38MPa增大到0.384MPa。在低壓條件下，混合氣體中氫氣的體積分數為0.23時(shí)，為保證輸氣功率不變，則起點(diǎn)壓力需從7kPa增大到7.3kPa。這說(shuō)明微小提升壓力降，就能保證管道的輸氣能力不變。

4　結語(yǔ)

氫氣的滲透率高和氫脆現象的存在，使得輸送氫氣和天然氣的混合物對管材及其處理的要求特別高。對于現階段的天然氣管道設計而言，要盡可能地考慮到將來(lái)可能要用現有的燃氣管道輸送氫氣和天然氣的混合物，因此在管材的選擇上要加強對氫脆現象的防護處理，加強對管道損傷、裂縫的探查和處理。對管道的焊縫要提出更高的要求，使其對氫脆現象有更強的防護能力。一旦將來(lái)要用現有管道輸送氫氣和天然氣的混合物，就必須對管道重新進(jìn)行缺陷檢測、修復和更新。

從終端用戶(hù)的角度看，若要使原有灶具能正常工作，混氫天然氣中氫氣的體積分數應控制在23％以?xún)?。另外，提高輸送壓力是提高管道輸氣功率的有效方式。為此，在燃氣管網(wǎng)設計時(shí)應適當地增大設計壓力，使管網(wǎng)的運行壓力留有一定的余量，以應對將來(lái)形勢的變化。一旦混氫天然氣得到大規模的使用，只需在現有管道的基礎上提高運行壓力便可以滿(mǎn)足管道的輸氣功率要求。

 

參考文獻：

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[2]　HAESELDONCKX D，D’HAESELEER W．The use of the natural-gas pipeline infrastructure for hydrogen transport in a changing market structure[J]．International Journal of Hydrogen Energy，2007(32)：1381-1386．

[3]　劉蓉，劉文斌．燃氣燃燒與燃燒裝置[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2009：159-168．

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[5]　段常貴．燃氣輸配[M]．3版．北京：中國建筑工、業(yè)出版社，2001：8-10．

 

本文作者：黃 明  吳 勇  文習之  劉文斌  管延文

作者單位：華中科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢430074

　中國市政工程中南設計研究總院有限公司第三設計院，湖北武漢430010