摘 要

摘　要：指出氫氣加入到現(xiàn)有天然氣管道后會引起管材方面的風(fēng)險(xiǎn)(氫脆和滲透)。在12T基準(zhǔn)氣條件下，為了不改變終端用戶的燃具，混合氣中氫氣的最大允許體積分?jǐn)?shù)為23％。根據(jù)氫氣加入

摘　要：指出氫氣加入到現(xiàn)有天然氣管道后會引起管材方面的風(fēng)險(xiǎn)(氫脆和滲透)。在12T基準(zhǔn)氣條件下，為了不改變終端用戶的燃具，混合氣中氫氣的最大允許體積分?jǐn)?shù)為23％。根據(jù)氫氣加入后管道輸送混合氣的數(shù)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(xiàn)有燃?xì)夤芫W(wǎng)預(yù)留一定的壓力，氫氣加入后通過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(xiǎn)

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(見表l，表l中的密度、低熱值、高熱值均為15℃、標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)的管道很難直接用來輸送氫氣或者氫氣和天然氣的混合物。氫氣加入后會改變管道內(nèi)氣體的性質(zhì)，從而引發(fā)管材方面的風(fēng)險(xiǎn)。

 

①氫脆風(fēng)險(xiǎn)

氫脆會改變管道的機(jī)械性能，例如鋼鐵的氫脆現(xiàn)象會加速微小裂縫的破裂。一般這方面的風(fēng)險(xiǎn)很難具體計(jì)算，可通過復(fù)雜的試驗(yàn)得出相關(guān)結(jié)論。因?yàn)樗粌H與管道的材料有關(guān)，還涉及到管道的運(yùn)行年限。通常管道的壓力越高，使用年限越久，氫脆的風(fēng)險(xiǎn)越大^[2]。

②氫氣滲透風(fēng)險(xiǎn)

由于氫氣的滲透率遠(yuǎn)大于天然氣，所以輸送氫氣的管道會產(chǎn)生氫氣損失，但是這種損失一般很小，基本可以忽略不計(jì)。此外，滲透強(qiáng)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(xiǎn)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(jì)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?xì)饣Q性的影響

任何燃具都是按一定的燃?xì)獬煞衷O(shè)計(jì)的。當(dāng)氫氣加人到天然氣中導(dǎo)致燃?xì)獬煞职l(fā)生變化時(shí)，燃具燃燒器的燃燒工況會改變，將會影響燃具的性能，甚至導(dǎo)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題。衡量互換性的兩個(gè)常用參數(shù)為華白數(shù)和燃燒勢。

華白數(shù)計(jì)算公式為：

 

式中W——燃?xì)馊A白數(shù)，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?xì)庵袣錃獾捏w積分?jǐn)?shù)

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(guī)定兩種燃?xì)饣Q時(shí)華白數(shù)形的變化范圍為-10％～l0％^[3]。因此，對于l2T天然氣，華白數(shù)允許變化范圍是45.71～55.87MJ／m³。

燃燒勢C_p，是反映燃?xì)馊紵齼?nèi)焰高度的指標(biāo)，計(jì)算公式為：

 

式中C_p——燃?xì)馊紵齽?span lang="EN-US">

K₁——與燃?xì)庵醒鯕夂坑嘘P(guān)的系數(shù)

φ_H——燃?xì)庵袣錃獾捏w積分?jǐn)?shù)，％

φ_CO——燃?xì)庵?span lang="EN-US">C0的體積分?jǐn)?shù)，％

φ_CH——燃?xì)庵谐淄橥獾奶細(xì)浠衔锏捏w積分?jǐn)?shù)，％

φ_met——燃?xì)庵屑淄榈捏w積分?jǐn)?shù)，％

d——混合氣體的相對密度

對于l2T天然氣，依據(jù)GB／Tl3611-2006《城鎮(zhèn)燃?xì)夥诸惡突咎匦浴房芍?，華白數(shù)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(zhǔn)氣為參考，依據(jù)公式(1)、(2)計(jì)算含有不同體積分?jǐn)?shù)的氫氣的混氫天然氣的華白數(shù)和燃燒勢，將結(jié)果繪成曲線，見圖l。圖l中，虛線內(nèi)為可置換區(qū)域，其4個(gè)角點(diǎn)坐標(biāo)分別為(36.3，54.78)、(69.3，54．78)、(36.3，45.67)、(69.3，45.67)；曲線起點(diǎn)為天然氣，終點(diǎn)為氫氣，其余為混氫天然氣；虛線與曲線的右側(cè)交點(diǎn)處氫氣的體積分?jǐn)?shù)為23％。由公式(2)知，若燃?xì)庵兄缓袣錃夂吞烊粴?，則燃燒勢和氫氣的體積分?jǐn)?shù)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(shù)趨于下降，而燃燒勢急劇增大。這說明隨著混合氣體中氫氣體積分?jǐn)?shù)的增加，燃具的熱負(fù)荷下降，而燃?xì)獾幕鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣燃眲≡龃?，燃具回火的風(fēng)險(xiǎn)急劇增大。為有效解決燃?xì)獾幕Q性和燃具的適應(yīng)性問題，依據(jù)特性指標(biāo)，混氫天然氣中氫氣的體積分?jǐn)?shù)必須小于23％，即控制在可置換區(qū)域內(nèi)。如此，則可保證加入氫氣后終端用戶的燃具不用改變。

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(shù)學(xué)模型

燃?xì)夥€(wěn)態(tài)流動的一般方程^[4]為：

 

式中q_v一—標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（壓力為101325Pa，溫度為288K）管道內(nèi)的流量，m³/s

R_air——空氣氣體常數(shù)，取287J/(kg·K)

T_n——標(biāo)準(zhǔn)溫度，K，取288 K

P_n——標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)徑，m

λ——摩擦系數(shù)

L——管長，m

λ由柯氏公式計(jì)算得出：

 

式中K——管道內(nèi)壁的當(dāng)量絕對粗糙度，m

Re——雷諾數(shù)

壓縮因子一般可以通過查圖表^[5]的方式得出，也可以用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。參照文獻(xiàn)^[1]，混合氣體的壓縮因子可由下述經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)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(shè)計(jì)中，壓縮因子一般認(rèn)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(shù)。

在探討利用現(xiàn)有燃?xì)夤艿垒斔蜌錃夂吞烊粴饣旌衔锏妮敋饽芰r(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(nèi)管道輸送氣體的負(fù)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(dāng)管段高差為0時(shí)，則：

 

顯然式(10)的值大于零，可見提高起點(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(shè)某PE管道(SDRll)長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(dāng)管道壓力降不變時(shí)，利用式(6)、(7)計(jì)算這段管道的體積流量和輸氣功率，將計(jì)算結(jié)果繪成曲線，見圖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，則隨著氫氣體積分?jǐn)?shù)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，則無論氫氣的體積分?jǐn)?shù)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(dāng)氫氣在混合氣體中的體積分?jǐn)?shù)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中也有相類似的情況，當(dāng)氫氣在混合氣體中的體積分?jǐn)?shù)為0.83左右時(shí)，混合氣體的華白數(shù)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(yùn)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(shè)PE管道(SDRll)長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(jì)算不同氫氣體積分?jǐn)?shù)下管道的輸氣功率，并將計(jì)算結(jié)果繪成曲線，見圖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(jì)算不同氫氣體積分?jǐn)?shù)下管道的輸氣功率，并將計(jì)算結(jié)果繪成曲線，見圖5。壓縮因子均取1。

 

 

由圖4、5可知，增大管道的壓力降后，無論中壓還是低壓條件，管道的輸氣功率均有顯著提升。在中壓條件下，混合氣體中氫氣的體積分?jǐn)?shù)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?jǐn)?shù)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。這說明微小提升壓力降，就能保證管道的輸氣能力不變。

4　結(jié)語

氫氣的滲透率高和氫脆現(xiàn)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(xiàn)階段的天然氣管道設(shè)計(jì)而言，要盡可能地考慮到將來可能要用現(xiàn)有的燃?xì)夤艿垒斔蜌錃夂吞烊粴獾幕旌衔?，因此在管材的選擇上要加強(qiáng)對氫脆現(xiàn)象的防護(hù)處理，加強(qiáng)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(xiàn)象有更強(qiáng)的防護(hù)能力。一旦將來要用現(xiàn)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(fù)和更新。

從終端用戶的角度看，若要使原有灶具能正常工作，混氫天然氣中氫氣的體積分?jǐn)?shù)應(yīng)控制在23％以內(nèi)。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?xì)夤芫W(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)適當(dāng)?shù)卦龃笤O(shè)計(jì)壓力，使管網(wǎng)的運(yùn)行壓力留有一定的余量，以應(yīng)對將來形勢的變化。一旦混氫天然氣得到大規(guī)模的使用，只需在現(xiàn)有管道的基礎(chǔ)上提高運(yùn)行壓力便可以滿足管道的輸氣功率要求。

 

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本文作者：黃 明  吳 勇  文習(xí)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

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