天然氣摻氫對城市燃氣用戶的影響

1 概述

氫能作為一種清潔、高能的二次能源，可以將氣、電、熱等能源網絡有機聯系起來，實現能量的雙向流動

。氫能將成為未來能源體系的重要組成部分，預計到2050年，氫能在全球終端能源的占比將達到18%，在我國終端能源體系占比將達到10%以上。2019年3月5日，國家發改委印發的《綠色產業指導目錄(2019 年版)》，將“氫摻入天然氣管道等設施的建設和運營”列入其中。

第一，興趣激勵法：興趣是最好的老師，要讓學生產生濃厚的興趣，首先必須讓他們放下沉重的思想包袱，把求知本身變成一個極大的樂趣。

氫氣與天然氣相比，污染更小，不會產生溫室氣體。但目前氫氣儲運設施不完善，利用天然氣管道混輸氫氣，不僅有利于減少溫室氣體的排放，燃燒產物也更為清潔，在降低天然氣企業減排成本的同時，還可以實現氫氣的低成本遠距離輸送，增強氫氣生產企業的調配效率

。在摻氫比例滿足燃氣互換性的要求下，終端用戶也無需更換燃具燃燒器，不會增加額外的更換成本。然而由于氫氣燃燒性質與天然氣不同，氫的摻入會使點火能量和熱值降低，可燃范圍和爆炸極限范圍增大。因此本文主要研究了摻入不同比例氫氣對居民用戶、商業用戶、供暖用戶、電廠以及一些特殊用戶燃燒器的燃燒性能的影響。

2 燃氣用戶類型

以北京市為例，目前天然氣在能源消費結構中占比為34%，天然氣供暖面積占全市供暖面積的80%以上。

北京市天然氣用戶種類多，目前天然氣燃燒設備主要包括居民用戶的灶具、供暖熱水爐、熱水器，商業用戶的大鍋灶，供暖用戶的鍋爐，電廠用戶的燃氣輪機。此外，CNG加氣母站利用壓縮機將管道天然氣加壓后供給用戶；天然氣液化工廠將管道天然氣凈化處理后送至冷箱液化，供給LNG用戶。不同種類用戶對于燃氣的熱值、連續性以及氫敏感性均有所差異，在進行管道天然氣摻氫時，應分別予以考慮。

與此同時，云南電網公司積極配合云南省能源局開展省級充電聯盟的籌建，并與省能源局簽訂了“加快充電基礎設施及平臺建設推動云南新能源汽車產業發展戰略合作框架協議”;積極參與地方政府“十三五”電動汽車充電基礎設施發展規劃編制，促進電網規劃、充電基礎設施規劃、城市規劃同步協調，并與玉溪、曲靖、普洱等地方政府簽訂了框架合作協議，合力推進新能源汽車產業發展;印發了《關于進一步推動電動汽車充電基礎設施建設和服務工作的通知》，優化審批流程，開通充電基礎設施用電報裝“綠色通道”，全力做好配套電網投資及業擴報裝用電服務。

3 天然氣摻氫互換性計算

從圖1、2可以看出，試驗氣滿足12T天然氣高熱值范圍的最大摻氫比例為23%，滿足12T天然氣高華白數的最大摻氫比例為42%。只有高熱值與高華白數均滿足要求，才認為試驗氣理論上可與12T天然氣互換。即摻氫比例小于等于23%的試驗氣理論上可與12T天然氣互換。

② 不同燃具類型燃燒器，出現燃燒不穩定的摻氫比例存在差異。在家用燃氣灶、燃氣熱水器、燃氣供暖熱水爐、燃氣大鍋灶中，燃氣大鍋灶對氫最為敏感，出現異響的摻氫比例為16%，出現回火的摻氫比例為17%。

3.1 熱值與華白數

1 m

燃氣完全燃燒后，煙氣冷卻到初始溫度時所釋放的熱量為該燃氣的熱值，單位為MJ/m

，熱值分為高熱值和低熱值。實際使用的燃氣通常是含有多種可燃組分的混合氣體，因此燃氣熱值可以通過單一氣體的熱值根據混合法進行計算，公式為：

(1)

式中

——燃氣的高熱值或低熱值，MJ/m

——燃氣中可燃組分的數量

式中

——燃氣的高華白數或低華白數，MJ/m

——燃氣可燃組分

的體積分數

國家林草局三北防護林建設局相關工作人員說，三北防護林建設初期，種了許多楊樹是有原因的。三北地區，或是干旱風沙區，或是水土流失地區，造林的立地條件極差，甚至可以說，種活一棵樹比養活一個孩子還難。楊樹好活，是最皮實的樹。苗木成本也相對較低，大量種楊樹是最經濟的選擇。三四十年來，楊樹的生態功能發揮到極致——被稱為“小老樹”就是例證。它們在惡劣的自然條件下，抵擋著風沙的侵襲，卻委屈了自己。

華白數是燃氣各組分含量改變時衡量熱負荷變化最重要的參數，兩種燃氣的華白數相差不大，是保證燃氣能夠互換的最基本條件。華白數計算公式為：

(2)

——燃氣可燃組分

的高熱值或低熱值，MJ/m

——燃氣的相對密度

由式(2)可知，燃氣華白數是由燃氣的參數決定的，當燃具燃燒器結構及噴嘴前壓力沒有變化且改用另一種燃氣時，燃氣組成差異必定導致華白數變化。

3.2 不同摻氫比例對互換性的影響

根據GB/T 13611—2018《城鎮燃氣分類和基本特性》，12T天然氣的特性指標見表1。本文主要以表2中北京市某門站氣源為基礎氣進行分析和試驗。根據式(1)、(2)計算得到不同摻氫比例時混合氣的高華白數和高熱值，根據計算結果繪圖得到試驗氣高華白數和高熱值與摻氫比例的關系，同時根據12T天然氣的指標范圍，確定可接受的摻氫比例，見圖1、2。圖1、2中紅色虛線框對應12T天然氣的指標范圍。

根據GB/T 13611—2018《城鎮燃氣分類和基本特性》，主要依據高華白數和高熱值對城鎮燃氣進行分類。本文選取北京市某門站氣源作為基礎氣進行互換性計算，以12T天然氣的高華白數和高熱值范圍作為摻氫后互換性的評判依據，從而確定天然氣的最大摻氫比例。摻氫比例指混合氣體中氫氣的體積分數。

4 居民用戶及商業用戶燃燒設備摻氫比例

早在大唐煤制氣(組成見表3)引入北京時，我們就對大唐煤制氣摻氫對居民用戶和商業用戶燃燒設備燃燒性能的影響進行了研究。選取當時市場上完全預混和部分預混的主流燃燒設備，試驗測試了不同摻氫比例(氫氣體積分數為0～60%)對燃燒設備燃燒性能的影響。試驗發現，居民用戶和商業用戶燃燒設備對燃氣熱值及供應連續性要求不高，對氫的敏感性較弱，且摻氫后污染物排放有不同程度的減少。以摻氫比例為5%為例，與不摻氫氣相比，各燃燒設備污染物排放情況見表4。

翻轉課堂起源于國外，國內相關研究起步相對較晚，可以說國外的研究趨勢是國內研究的風向標，了解國外文獻研究方向，對國內研究具有重要的指導意義。我們在對翻轉課堂進行了深入細致的理論溯源之后，結合其他國外有關翻轉課堂的研究文獻，尤其是大學層面的研究，不難發現已經產生了三大主要研究趨勢：

試驗研究得出如下結果：

3.1.7 其他原因 沒有規范的液體出入量記錄流程，缺乏相關人員培訓，管理者監督不力，夜班護理人員工作負荷較大，身心俱疲，注意力無法集中等都是造成出入量記錄不正確的相關因素。

① 當摻氫比例約為50%時，燃氣燃燒速度有所增大，可克服因天然氣火焰軟而影響熱效率這一缺點，可以提高燃燒器的加熱效率。但是，燃燒噪聲也會變大，甚至發生回火。

在傳統大學普通化學教學的過程中，教師只是根據教材內容一味地傳授學生知識，教學過程是枯燥的。學生也只能無意識情緒不加區分地全盤接受，學習過程是被動的。在這種狀態下學習，學生是很難激發學習興趣的，同時也不利于培養學生的發散思維。將多媒體應用在大學教學中，可以充分發揮多媒體的作用，既強化了教師與學生間的互動，又提高了學生的學習熱情，還調動了學生的主觀能動性。

③ 隨著摻氫比例不斷增大，主要污染物CO和NO

的體積分數均存在一定程度的降低，有較好的環境效應。

截至2020年底，北京市共運行14座電廠，燃氣輪機主要來自于三菱、西門子、GE公司。西門子的燃氣輪機要求摻氫比例小于1%，三菱和GE的燃氣輪機要求摻氫比例小于3%。當摻氫比例過高時，燃氣輪機的非耐火部件會損壞，氫氣燃燒擴散速度快，火焰更靠近燃燒器，容易導致燃燒器超溫、熔損。摻氫比例控制不穩定，會引起華白數頻繁波動，可能引起燃氣輪機燃燒脈動異常，造成燃燒系統部件損壞。但有國外學者認為，經過整改和調整的燃氣輪機一般能適應5%～10%的摻氫比例。

5 供暖用戶燃燒設備摻氫比例

目前北京市供暖用氣占比較大，供暖用戶是天然氣的重要使用單位，因此天然氣摻氫也需重點考慮供暖用戶的情況。2019年，國家電投集團在朝陽市的摻氫示范項目(摻氫比例為10%)，驗證示范了氫氣“制取—儲運—摻混—綜合利用”產業鏈關鍵技術，其中重要的一環就是在鍋爐等終端利用設備使用。根據國際能源署(IEA)對天然氣價值鏈各環節允許的最大摻氫比例的闡述可知，鍋爐的最大摻氫比例為30%。英國HyDeploy摻氫示范項目的摻氫比例達20%

，測試的設備包括燃氣鍋爐，測試結果表明，所測試的各種設備均能在該摻氫比例下安全運行。

6 燃氣輪機等特殊燃燒設備摻氫比例

④ 綜合互換性計算與試驗研究結果可知，16%的摻氫比例不會對目前的居民用戶及商業用戶燃燒設備產生顯著影響。

目前，北京市共運行11座CNG加氣母站，主要供氣來源為次高壓管網。根據文獻[5-6]，壓縮機對氫較為敏感，要求的摻氫比例較小。北京燃氣集團建設的西集天然氣液化工廠，緊鄰西集門站，為4 MPa高壓氣源，液化工廠的冷箱要求天然氣不能含有氫氣，一旦混入氫氣，無法將其脫除。

綜合分析，建議在不進行改造的情況下，供給電廠、CNG加氣母站、天然氣液化工廠的天然氣避免摻氫。

7 結論

① 只有高熱值與高華白數均滿足12T天然氣的指標范圍，才認為試驗氣(摻氫后的天然氣)理論上可與12T天然氣互換。計算得出，摻氫比例小于等于23%的試驗氣理論上可與12T天然氣互換。

由于各國之間的經濟政策各不相同，導致各國的經濟體制也存在一定的差異。中國作為發展中的大國，雖然人口眾多，但單純就經濟的發現現狀來分析，中國經濟發展仍然處于初級階段。在改革開放之后，我國政府部門對我國的經濟進行了調整，包括出口關稅、出口政策、出口商品等方面。隨著國際貿易的發展，我國逐漸與周邊國家形成友好的合作關系。但在經濟貿易往來中，仍然會存在一些問題阻礙我國經濟的發展。近年來，經濟環境在不斷變化，我國經濟始終處于動蕩時期，我國大部分企業的資金比較緊張，在流動資金方面進行控制，導致我國企業的可流動資金過少，給企業發展帶來了危機[3]。

② 綜合互換性計算與試驗研究結果及示范項目可知，10%的摻氫比例不會對居民用戶燃燒設備產生顯著影響。隨著摻氫比例不斷增大，主要污染物排放均存在一定程度的降低。

③ 城市燃氣用戶中供暖用戶用氣量占比較大，且居民用戶、商業用戶燃燒設備更新換代快，建議對摻氫對這些用戶燃燒設備燃燒性能的影響進行系統性研究。

目前，陽圩農場芒果種植面積達1.03萬畝，投產面積0.79萬畝，年產量0.77萬噸，產值3846.82萬元。在此基礎上，農場進一步加強管理監督，探索現代農業新技術，加強服務引導，樹立品牌意識，努力培育地方名牌產品，還帶動周邊農民種植芒果3萬多畝，為地方農業高質量發展注入了強勁動力。

④ 電廠的燃氣輪機、CNG加氣母站的壓縮機、天然氣液化工廠的冷箱對氫敏感性強，目前可接受的摻氫比例較低，建議避免向此類用戶的氣源摻氫。隨著技術的發展以及工藝的改進，未來也存在向此類用戶摻氫的可能性。

[1] 國家發展改革委. 關于印發《綠色產業指導目錄(2019 年版)》的通知[EB/OL]. [2019-02-14]. https://www.ndrc.gov.cn/fggz/hjyzy/stwmjs/201903/t20190305_ 1220 625.html.

[2] 謝萍,伍奕,李長俊,等. 混氫天然氣管道輸送技術研究進展[J]. 油氣儲運,2021(4):361-370.

[3] 陳石義,龍海洋,李天雷,等. 天然氣管道摻氫探討[J]. 天然氣與石油,2020(6):22-26.

[4] ISAAC T. HyDeploy: The UK’s first hydrogen blending deployment project[J]. Clean Energy,2019(2):114-125.

[5] 趙永志,張鑫,鄭津洋,等. 摻氫天然氣管道輸送安全技術[J]. 化工機械,2016(1):1-7.

[6] 曹志柱,劉安,宇波,等. 天然氣管道典型離心壓縮機性能預測研究[J]. 北京石油化工學院學報，2018(3)：14-20.