混氫天然氣管道安全設計要點探討

陳俊文 尚 謹 劉玉杰 劉力升 湯曉勇 朱紅鈞 郭艷林 彭方宇

1. 中國石油工程建設有限公司西南分公司, 四川 成都 610041;2. 河南省發展燃氣有限公司, 河南 鄭州 450012;3. 中國石油西南油氣田分公司輸氣管理處, 四川 成都 610213;4. 西南石油大學石油與天然氣工程學院, 四川 成都 610500

0 前言

隨著全球能源需求的增加,化石燃料的日益枯竭,且其大量使用造成了嚴重的環境問題,因此人們迫切希望找到一種清潔、高效的可替代能源[1-3]。H2因其燃燒過程只產生水,對環境無污染,且有較高的能源利用效率,被世界各國所重視。存在于天然或合成化合物中的H元素,可通過化學過程轉化為H2。其中,電解水制氫、化石燃料反應轉化制氫、化合物高溫熱分解制氫等方法是目前主要的H2來源。H2作為原料被廣泛應用于原油處理、附屬產品生產中;同時,近年來國內外汽車加氫站的快速興起也為H2消費提供了需求。相比公路運輸,H2管道輸送是一種經濟、高效的模式。截至2017年底,中國H2管道總里程約400 km,基本用于石化煉廠H2持續供應輸送。對于該類高純度H2管道,部分學者開展了相關研究[4-10],取得了一定成果,其工程設計中可基于ASME B 31.12Hydrogen Piping and Pipelines開展。

受限于中國能源結構地域性問題,西部地區具有能源儲量高、H2來源廣的特點,但該區域H2需求相對單一,而東部地區對H2的深度應用需求較高,這為H2長距離輸送提出了市場需求。結合H2提取技術的成熟發展,相比單獨修建純氫管道,通過向天然氣管道摻混的方式進行H2長距離輸送,并在下游進行提取,或直接用于民用,成為了H2能源高效利用的潛在方式。相比于高純度H2輸送,此類混氫天然氣管道輸送目前研究相對較少[11-14],主要基于管道材料、下游用戶適配性等方面的討論,其安全設計問題難覓深度公開報道。因此,為推動混氫天然氣管道技術發展,有必要先期對其安全設計問題進行討論。

本文基于H2物理特性,結合混氫天然氣研究現狀,對比常規天然氣管道安全設計方法,深入剖析混氫天然氣管道安全設計要點,以期進一步探索相關規律。

1 H2物理特性

H2是極易燃燒的低密度氣體,閃點很低(<-50 ℃),在空氣中最小點火能量很低,有數據表明,能量僅為0.019 mJ的最小點火能就足可以點燃,點燃后燃燒速率很快,是燃燒危險性很大的危險化學品。H2的爆炸極限是4.1%～74.1%(體積濃度),H2在空氣中的自燃和爆炸極限范圍遠大于甲烷、丙烷、丙烯等,一旦H2管道發生泄漏,H2會迅速向上部空間擴散與空氣形成爆炸性混合氣體。在常壓下,H2的比重僅為 0.069 6,在空氣中擴散速度極快。在空氣中燃燒時,基本處于不可見狀態。H2還具有逆湯焦效應,即在泄壓后,其溫度反而有所增加。此外,H2亦具有極強的滲透性,其泄漏問題不可忽視。在管道輸送中,氫脆問題已經引起了極大關注。

由此可見,H2物理性質與常規天然氣區別較大,危險性較高。

2 混氫天然氣管道研究現狀

2.1 混氫天然氣管道存在性問題

對于混氫天然氣管道存在性問題,主要基于以下幾方面提出需求:

2.1.1 乙烷制乙烯附屬產品輸送

近年來,中國部分油田為了提高產品回收效率,不斷提升天然氣利用效率。長慶、塔里木等油田相繼開展了乙烷制乙烯的工程建設,其附屬產品為甲烷氫(H2摩爾分數85%,CH4摩爾分數15%),該產品可專門新建高濃度混氫管道,以輸送至周邊煉廠進行PSA吸附H2處理,或摻混(進一步稀釋)進入天然氣長輸管道。

2.1.2 H2向天然氣管道“搭車”輸送

中國西部地區資源豐富,風電、水電供應能力強,由于電能需求存在波動性,因此當地政府有意愿通過電解制氫的方式對季節性富余電能進行高效利用,因此H2產品有外輸需求。相比與單獨修建H2外輸管道,通過向周邊氣源修建的天然氣管道進行“搭車”輸送(配比可根據需求確定)方式可較好、較經濟地解決H2外輸問題。

2.1.3 H2摻入天然氣干線

對于在局部區域無法自行消化的富余H2,可考慮以合適的比例摻入已建或新建天然氣管道(此類干線管道鋼級較高,H2摻入比應滿足材料要求),達到商品天然氣標準和管道材質要求后,進行長距離輸送。

由此可見,上述三類輸送模式證明了混氫天然氣管道具備存在性,表明該類管道具有深入研究的意義。同時可知,該類管道由于混氫比例范圍較寬,并基本以H2、天然氣管道為主要輸送介質,其選材、安全問題尚未完全揭示,需進一步開展深入研究工作。

2.2 混氫天然氣管道研究熱點

2.2.1 H2、混氫管道選材研究

由于H2和天然氣在物理、化學性質上的差別,H2會對管道產生氫損傷,進而增加管道材料方面的失效風險[4，12]。因此,H2長輸管道在鋼管選材方面與天然氣管道存在一定的差別。在H2長輸管道中,由于氫與金屬反應會造成管道失效。管道的氫致失效主要包括:氫脆(HE)、氫致開裂(HIC)、氫鼓泡(HB)、脫碳及氫腐蝕(HA)。通過大量研究,人們基本對H2管道選材問題形成了較為深入的認識。

對于混氫管道,雖然H2分壓可能小于部分純氫管道,但由于天然氣加入,管道口徑一般較大,其對高鋼級材料的適應性將是不可回避的研究內容,目前評價的技術路線主要通過ASME B 31.12Hydrogen Piping and Pipelines和CGA-5.6Hydrogen Pipeline Systems進行開展,亦需要進一步細化研究。

2.2.2 H2混輸后對用戶端影響

天然氣的主要成分為CH4,在燃燒性質上與混輸的H2存在較大差異,其密度、低熱值、高熱值均不相同[3，13]。在天然氣管道中摻氫之后,導致管道內氣體性質發生改變,給用戶端使用造成影響。按照GB 17820《進入天然氣長輸管道氣體質量要求》,長輸天然氣管道可加入的最高H2濃度為3%(但需評價管道材質),這類管道介質若直接提供民用,或進一步考慮為更高摻氫比的混氫管道,均需評價用戶端的影響。對于這類問題,目前推薦采用華白數和燃燒勢進行衡量。經分析研究,當混輸氣中H2所占體積分數小于23%時,其華白數和燃燒勢方可控制在可置換區域內,灶具能夠正常運行。

上述兩點是目前對于混氫天然氣管道開展的熱點研究。然而,由于混氫天然氣管道的介質主要包括H2和天然氣,H2的密度、擴散性、燃燒性、摻混介質壓縮機適應性等會對混氫天然氣管道的工藝安全提出新要求,也有別于常規天然氣管道。為此，對混氫天然氣管道安全設計要點進行探討研究。

3 混氫天然氣管道介質分布問題

混氫天然氣管道的選材重點考慮因素之一是氫分壓。在管道運營過程中,監測介質H2分壓非常必要;合理的H2分壓輸入是混氫天然氣管道安全設計的前提。

如前所述,H2密度很低,與天然氣密度相差較大,且擴散性較強。因此,對于管道停輸、天然氣存入儲氣庫等長時間流場擾動較小的工況,H2-天然氣體系由于介質密度差而出現的分層問題值得研究,這對于指導極端工況下,管道局部氫分壓預測及控制具有重要意義;亦對不同位置介質泄漏后果分析和風險評價的組分輸入具有區分作用。

3.1 分層機理

由于重力作用,不同密度氣體混合,會出現濃度非均勻分布現象。同時,在混氫天然氣管道流動過程時,由于H2具有向管道頂部漂移的趨勢,在總體流速較小的情況下,也可能發生H2組分向管道頂部偏移的現象。這些問題可利用目前較為先進、成熟的計算流體動力學(CFD)工具進行模擬與觀測。

3.2 靜置下的H2聚集行為模擬

對于儲運行業而言,受專業限制,靜置下的H2聚集行為有待深入研究;而在安全科學領域,部分學者對于泄漏后點火爆炸極限的研究,涉及到了可燃氣體聚集現象,對于本文論述,具有一定的支撐作用[15-16]。

任少云等人[15-16]以圓柱型儲罐為目標,進行初步建模分析,向罐內充入4%H2,分別考慮不同壓力和不同溫度下,H2-空氣體系的分布情況。

根據研究可得,在初始壓力為0.1 MPa時,不同溫度下,短時間停留后,儲罐頂部的H2濃度明顯高于底部,表明在重力作用下,摩爾質量較小的H2明顯上浮,罐體上部的H2體積濃度高于管底,這與理論分析一致。隨著靜置時間增長,在重力作用下,混合氣體的濃度分布趨于穩定。在溫度影響方面,隨著初始注入溫度升高,并未反應出靜置后的濃度分布影響。

同時,雖然H2會發生向上聚集,但并未完全形成高濃度聚集區,表明氣體混合后,其內部將發生較劇烈的分子運動,在一定程度上促進了均勻混合,但由于H2與其他介質密度相差過大,因此,密度差引起的分布趨勢要大于分子運動引起的均勻趨勢,在宏觀上出現了介質分層的現象。

本文進一步對H2-天然氣體系帶壓運行下的起伏管和直管停輸分別進行了初步模擬。

圖1為4 MPa下的H2(10%)和CH4(90%)體系在DN 1 000管道停輸后50 min時的管道內部介質分布(中心截面)。可見在管道低洼處,出現了較明顯的CH4濃度升高H2濃度降低情況，而在管道高點,則出現了較明顯的H2聚集。由于停輸模擬時間尚較為短暫,分子遷徙距離較長,因此高點與低點的H2體積濃度差約為2%。

圖1 H2-CH4體系在起伏管道內停輸后分層圖Fig.1 Stratification of H2-CH4 gas mixture after shutdown in undulating pipeline

對于水平管道內的停輸情況,介質分離效果見圖2。

圖2 H2-CH4體系在水平管道內停輸后分層圖Fig.2 Stratification of H2-CH4 gas mixture after shutdown in horizontal pipeline

由圖2可見,在與上例相同的管徑和運行條件下,管道停輸約51 269 s后,管道截面出現了非常明顯的H2分層,管道頂部濃度達到了14.6%,約是底部濃度的1.8倍。

因此,對于混氫天然氣管道可以認為,在管道停輸后,將會出現由于地勢高差引起的全局高處H2聚集現象,也會發生由于管徑較大而引起的局部截面H2聚集現象,這些問題都會提高管道局部內壁面的H2體積濃度和H2分壓,選材設計的前端工藝分析中應予以考慮。對于此類混氫天然氣管道,通過先進的手段,合理地分析極端工況下H2體積濃度,是管道安全設計的一項重要工作。

4 混氫天然氣管道閥室放空問題

混氫天然氣管道閥室放空主要包括：首站和末站的放空、中間壓氣站放空和沿途閥室放空。鑒于混氫天然氣組分中H2含量范圍較廣,考慮到H2在泄放后具有較特殊的燃燒性能,且相比可依托生產設施的首站、末站和壓力站,常規管道閥室放空設置較為簡單,可依托性較差,極有必要對混氫天然氣管道閥室放空進行探討。

4.1 H2泄放自燃機理

高壓儲氫一旦泄漏釋放,極易引發火災爆炸事故。目前,國內外一些學者在H2高壓泄漏方面開展了大量研究,普遍認為擴散著火是其最重要的著火機制,并多以髙壓H2沖破隔膜而進入下游管道作為典型過程。有學者通過統計676次高壓H2泄漏的災害事故,在61.98%的事故中未發現明顯點火源,該類事故通常被認為是H2泄漏后發生了自燃[17-19]。該類自燃的發生機理見圖3。

圖3 高壓H2釋放后擴散自燃示意圖Fig.3 Diffusion ignition theory of high-pressure hydrogen after released

高壓H2通過進入泄放管道后,H2射流前方形成激波,激波產生高溫高壓。當管道內存在空氣時,加熱激波后方空氣,高溫空氣與射流前沿之間會形成一定區域的H2-空氣混合層。當混合層溫度達到點火溫度且H2濃度處于點火范圍時,經過一段時間延遲(點火延遲),便會發生自燃現象。管道內部的自燃極易造成爆燃或者爆炸。

擴散區域H2濃度是點火發生的限制條件,也是決定點火延遲時間的關鍵因素。激波加熱空氣溫度是影響點火延遲時間的另一個必要因素。湍流在H2-空氣混合過程中扮演著重要角色,可以顯著增強H2和空氣之間的擴散混合作用,形成更大區域的混合層,進而縮短點火延遲時間,促進自燃的發生。這類問題在國外的相關規范中有所提及,但未完全揭示。

此外,在H2泄放管道中,由于摩擦引起的火花點燃,也是H2管道內發生爆燃的一個因素。

因此,可以看出,對于混氫天然氣管道,雖然其介質中摻混了部分天然氣,但仍然需要基于危險性更高的H2自燃特性進行放空系統考慮,其放空管路需要采取足夠的措施,防止泄放時發生自燃。

4.2 相關規范規定

目前,GB/T 34584-2017《加氫站安全技術規范》中H2放空管道的要求指向了GB 50516-2010《加氫站技術規范》的規定:

1)放空管應設置阻火器,阻火器后的放空短管應采用不銹鋼材質。

2)放空管應引至集中排放裝置,并應高出層面或操作平臺2 m以上,且應離出所在地面5 m以上。

3)放空管應采取防止雨水侵入和雜物堵塞的措施。

其中,第1)條采用不銹鋼材質的要求,目的在于防止管道內部由于腐蝕產生鐵銹而發生靜電,第3)條也同樣考慮了大氣中雜質進入引起的火花。GB 50177-2005《氫氣站設計規范》也有類似規定。

需要注意的是,上述條款主要針對H2泄放中,防止流動時形成火花,引起點火的問題進行要求,尚未考慮前文提到的擴散自燃問題。

相比之下,對于天然氣放空管路而言,尚未有報道前述擴散自燃的情況;在天然氣管道閥室放空中,也未見放空管采用不銹鋼(非低溫工況)和必須出口點火的要求。因此,對于混氫天然氣管道,其放空的安全工藝應當綜合考慮H2和天然氣放空要求,并結合目前先進的手段,進行數值分析,提供合適的工藝方案,并在實際工程中,采取謹慎的態度。

4.3 混氫天然氣管道閥室放空推薦作法

在此,提出一種混氫天然氣管道閥室放空的安全要求:考慮在閥室放空管道中設置N2置換口;在計劃性放空時,通過對整個放空管道進行全面置換,以消除介質與空氣在管道內混合的可能;同時,擇機采用不銹鋼材質的放空管,防止由于鐵銹存在而引起的火花;另外,設置阻火器,防止放空時回火。

5 混氫天然氣管道QRA分析的思考

對于混氫天然氣管道,進行定量風險評價(QRA)是非常必要的,可通過科學分析,對管道周邊個人和社會的風險情況進行評價,指導管道改進安全保護措施。

對于該類管道的評價,其泄漏后的點火概率是影響評價的關鍵,需要深入分析不同H2含量、不同泄漏工況、不同埋深情況下的H2泄放自燃規律。鑒于H2的反焦湯特性、自燃性質和泄漏孔壁、土壤等摩擦作用,筆者認為,H2含量相對較高的混氫天然氣管道在泄漏后,發生自燃的幾率較大,應該在QRA分析中進行研究和確定。由此可見,該類管道泄漏后出現噴射火的后果概率較大,而擴散爆炸的概率相對較低。

6 結論和建議

本文基于H2物理特性,結合混氫天然氣研究現狀,對比常規天然氣管道安全設計方法,深入剖析了混氫天然氣管道的安全設計要點,得出如下結論和建議:

1)混氫天然氣管道具有市場潛力,可進一步開展相關研究。

2)除材料要求、終端適配性外,混氫天然氣管道的安全設計至關重要。

3)受H2-天然氣混合影響,管道、設備中介質分層的問題需要進行專題研究,以獲得極端的H2局部濃度,并采取合理的應對措施。

4)鑒于H2放空過程中的燃燒特性,結合國內外H2管道的放空要求,對于擴散自燃、點火燃燒等問題需要通過合理的放空工藝分析進行判斷,并采取科學的放空工藝手段進行控制與避免。

5)混氫天然氣管道泄漏后發生自燃的幾率應在該類管道QRA分析中予以重點關注,以保證QRA分析結論可靠。