天然氣加氫對(duì)燃具及管道的影響分析

史世杰，李曉鵬，羅 珊

（中石化中原石油工程設(shè)計(jì)有限公司，河南 鄭州 450000）

天然氣加氫主要目的是基于能源供應(yīng)安全保障和減少溫室氣體排放的考慮。氫氣具有燃燒速度快，燃燒界限寬，比熱值小，淬熄長(zhǎng)度長(zhǎng)等特點(diǎn)，天然氣中摻入氫氣可以改變天然氣的燃燒特性[1-2]。摻氫天然氣終端用戶主要為作為城鎮(zhèn)燃?xì)馐褂茫瓷虡I(yè)或者民用氣燃料，應(yīng)保證加入氫氣后終端用戶.0 的燃具不改變。

天然氣的主要成分甲烷和氫氣的理化性質(zhì)見表1。從這些性質(zhì)可以看出，甲烷和氫氣的理化性質(zhì)有很大的差別。

表1 甲烷和氫氣的物性對(duì)比表

1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

擬建管道輸送的天然氣組分見表2。

表2 天然氣氣體組分表

1.2 城鎮(zhèn)燃?xì)饧夹g(shù)指標(biāo)

根據(jù)天然氣終端使用用戶的不同，天然氣中加入氫氣的比例也會(huì)不同。城鎮(zhèn)燃?xì)庥脩糁校瑖?guó)內(nèi)廣泛使用的燃具均以12T 基準(zhǔn)氣為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，當(dāng)天然氣中加入氫氣時(shí)，會(huì)改變天然氣的氣質(zhì)組分發(fā)生變化，燃具的燃燒工況將隨之改變，進(jìn)而影響燃具的燃燒性能，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致燃具無法正常使用。因此，在天然氣中加入氫氣的比例，應(yīng)以不改變終端用戶燃具為前提，即考慮互換性的問題。

在《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50028）中規(guī)定，城鎮(zhèn)燃?xì)馄x基準(zhǔn)氣的波動(dòng)范圍宜按現(xiàn)行的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《城市燃?xì)夥诸悺罚℅B/T13611）的規(guī)定采用，并應(yīng)適當(dāng)留有余地。城鎮(zhèn)燃?xì)庵?2T 基準(zhǔn)氣的性能指標(biāo)見表3。

表3 12T 基準(zhǔn)氣的性能指標(biāo)表

2 燃具互換性影響分析

2.1 主要參數(shù)

衡量燃具互換性的主要參數(shù)有天然氣熱值、華白數(shù)和燃燒速度指數(shù)。

1）熱值

燃?xì)獾臒嶂蛋词? 計(jì)算：式中：H 為燃?xì)鉄嶂担ǚ指邿嶂?和低熱值），MJ/m3；Hr為燃?xì)庵衦 可燃組分的熱值，MJ/m3；fr為燃?xì)庵衦 可燃組分的體積分?jǐn)?shù)，%。

2）華白數(shù)

燃?xì)獾娜A白數(shù)按式2 計(jì)算：式中：Ws 為高華白數(shù)，MJ/m3；Hs為燃?xì)飧邿嶂担琈J/m3；d 為燃?xì)庀鄬?duì)密度（干空氣的相對(duì)密度為1）。

3）燃燒速度指數(shù)

燃?xì)獾娜紵俣戎笖?shù)按式3 計(jì)算：式中：SF為燃燒速度指數(shù)；fHZ為燃?xì)庵袣錃怏w積分?jǐn)?shù)，%；fcmHn為燃?xì)庵谐淄橐酝獾奶細(xì)浠衔矬w積分?jǐn)?shù)，%；fCO為燃?xì)庵幸谎趸俭w積分?jǐn)?shù)，%；fCH4為燃?xì)庵屑淄轶w積分?jǐn)?shù)，%；f0Z為燃?xì)庋躞w積分?jǐn)?shù)，%。

2.2 計(jì)算結(jié)果與分析

通過對(duì)不同氫氣摻比濃度（1%～23%）的天然氣進(jìn)行計(jì)算。

①熱值

根據(jù)公式（1）和天然氣的物性參數(shù)，計(jì)算不同摻氫比例下天然氣的熱值見圖1。

圖1 摻氫濃度與天然氣熱值的關(guān)系圖

由圖1 知，在天然氣中加入的氫氣比例越大，燃?xì)獾臒嶂翟叫　．?dāng)天然氣摻氫比例從1%增加到23%時(shí)，燃?xì)獾母邿嶂祻?9.22 MJ/m3下降至34.35MJ/m3。但依然在12T 基準(zhǔn)氣熱值范圍內(nèi)。高熱值達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值（37.78）時(shí)摻氫濃度為6.5%。

②華白數(shù)

根據(jù)公式（2）計(jì)算不同摻氫比例下天然氣的華白數(shù)見圖2。

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《城市燃?xì)夥诸悺?（GB/T13611）中規(guī)定的燃?xì)馊A白數(shù)的范圍為-10%～+8%，但國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50028）中規(guī)定，當(dāng)天然氣供給城鎮(zhèn)燃?xì)猓?2T）時(shí)燃?xì)馊A白數(shù)的波動(dòng)范圍為-5%～+5%，即50.73（1±0.05）。

圖2 摻氫濃度與天然氣華白數(shù)的關(guān)系圖

由圖2 知，在天然氣中加入的氫氣比例越大，燃?xì)獾娜A白數(shù)越小。當(dāng)天然氣摻氫比例從1%增加到23%時(shí)，燃?xì)獾娜A白數(shù)從51.26 下降至48.90。但依然在12T 基準(zhǔn)氣華白數(shù)范圍內(nèi)。華白數(shù)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值（50.73）時(shí)摻氫濃度為5.3%。

③燃燒速度指數(shù)

根據(jù)公式（3）計(jì)算不同摻氫比例下天然氣的燃燒速度指數(shù)見圖3。

由圖3 知，在天然氣中加入的氫氣比例越大，燃?xì)獾娜紵俣戎笖?shù)越大。當(dāng)天然氣摻氫比例從1%增加到23%時(shí)，燃?xì)獾娜紵俣戎笖?shù)從

41.79 上升至68.94，均超過標(biāo)準(zhǔn)值（40.3）。但依

圖3 摻氫濃度與天然氣燃燒速度指數(shù)的關(guān)系圖

然在12T 基準(zhǔn)氣燃燒速度指數(shù)范圍內(nèi)。

通過計(jì)算，可知在天然氣中加入氫氣的比例在23%以下時(shí)，摻氫天然氣的高熱值、華白數(shù)和燃燒速度指數(shù)均在城鎮(zhèn)燃?xì)夥诸愔?2T 基準(zhǔn)氣的相關(guān)技術(shù)要求范圍內(nèi)。故滿足城鎮(zhèn)燃?xì)庥脩羧季呋Q性的要求。

雖然通過計(jì)算，天然氣加氫的比例低于23%滿足燃具互換性的要求，但依然應(yīng)該考慮以下幾點(diǎn)問題：

①天然氣中加氫如果是在長(zhǎng)輸天然氣管道中，建議氫氣比例控制在3%，具體也要綜合考慮氫分壓的問題，氫分壓應(yīng)小于0.1MPa。

②流速的問題，建議最大流速不應(yīng)大于10m/s。

③材質(zhì)選用的問題。由于氫氣特殊的理化性質(zhì)，在管材選用時(shí)需從管材強(qiáng)度、硬度、化學(xué)元素、韌性等方面進(jìn)行適應(yīng)性分析。有研究表明，氫含量16.7%，12MPa 輸送壓力下，X70 管線鋼不會(huì)產(chǎn)生氫腐蝕，機(jī)械性能也不會(huì)發(fā)生明顯變化；但對(duì)于X80 管線鋼，當(dāng)氫含量大于2%時(shí)，管材的使用壽命和力學(xué)性能等均發(fā)生了明顯的下降。

④安全的問題。氫氣活潑的特性增加的管道氫脆風(fēng)險(xiǎn)和氫氣滲透風(fēng)險(xiǎn)，也對(duì)焊接工藝提出了更高的要求；同時(shí)考慮增大安全防護(hù)距離、增設(shè)安全監(jiān)測(cè)設(shè)施（特別是氫氣）、加強(qiáng)安全巡檢。

⑤規(guī)范適用性的問題，目前國(guó)內(nèi)外均沒有含氫天然氣管道的設(shè)計(jì)與施工驗(yàn)收規(guī)范，同時(shí)還需考慮地方政府、安全、環(huán)保等驗(yàn)收的問題。

⑥終端用戶接受度的問題，由熱值降低、安全風(fēng)險(xiǎn)增大等因素可能引起的社會(huì)不安定問題也應(yīng)該提前做好調(diào)研和預(yù)案。

⑦ 工程設(shè)計(jì)投資和運(yùn)行成本增加。

由于國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的氫氣對(duì)管道輸送和使用的影響仍不夠全面，所以必須對(duì)可能影響工程安全因素的所有風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，做到具體問題具體分析。

3 結(jié)論

本文重點(diǎn)研究了天然氣中加入氫氣后對(duì)終端用戶使用的燃具互換性的問題進(jìn)行的研究，通過對(duì)不同加氫比例后天然氣的熱值、華白數(shù)、燃燒速度指數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果顯示在天然氣中加入的氫氣比例小于23%時(shí)均滿足城鎮(zhèn)燃?xì)夥诸愔?2T 基準(zhǔn)氣的相關(guān)技術(shù)要求，即滿足燃具互換性。同時(shí)對(duì)加氫天然氣在使用過程中可能存在的問題進(jìn)行了分析。對(duì)天然氣加氫應(yīng)用在城鎮(zhèn)燃?xì)庵刑峁┝藚⒖肌?/p>