王 瑋 王秋巖 鄧海全 程光旭 李 云

1.西安交通大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院 2.中石化中原石油工程設(shè)計(jì)有限公司

0 引言

隨著化石資源的逐漸枯竭和環(huán)境問題的日益嚴(yán)峻，氫能作為一種資源豐富、高熱值的潔凈燃料，被認(rèn)為是未來最具潛力的能源替代品之一。鑒于目前氫氣分配基礎(chǔ)設(shè)施還不完善，其建設(shè)和利用成本較高，而我國(guó)已擁有較為成熟的天然氣管網(wǎng)。因此，將氫以一定比例摻入天然氣，再利用天然氣管網(wǎng)直接輸送混氫天然氣（HCNG）至終端用戶作為燃料使用，被認(rèn)為是氫氣較低成本輸送和減少溫室氣體排放的有效方法 ，可以提高氫氣的輸送范圍，實(shí)現(xiàn)氫氣的高效率調(diào)配，提高氫能在能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的占比[1]。該方法也可用于運(yùn)輸風(fēng)電電解所制得的氫氣，以解決風(fēng)電大規(guī)模消納問題。美國(guó)休斯敦地區(qū)已利用一條225 km的天然氣管道運(yùn)輸氫氣[2]。

由于氫氣和天然氣主要組分甲烷的理化性質(zhì)和燃燒特性存在著很大的差別[3-4]，混氫比不同會(huì)改變?nèi)細(xì)獾娜紵俣?、熱?fù)荷等燃燒指數(shù)，同時(shí)相對(duì)密度、傳熱系數(shù)、黏度等水力指數(shù)也會(huì)發(fā)生變化，以至于對(duì)燃?xì)獾慕K端用戶以及管道的輸送工況造成較大影響。因此，城市天然氣管道供應(yīng)系統(tǒng)必須考慮不同混氫比帶來的燃?xì)饣Q性問題和管道工況的變化，以保證終端用戶燃具和管道供應(yīng)系統(tǒng)的運(yùn)行安全、效率和性能。法國(guó)的GRHYD項(xiàng)目、荷蘭的VG2項(xiàng)目、德國(guó)西門子股份公司和美國(guó)能源部等對(duì)天然氣混氫的利用及其通過天然氣管道輸送的安全性進(jìn)行了研究。而我國(guó)目前尚未出臺(tái)關(guān)于HCNG作為家用燃料及其輸送的相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于混氫比上限亦缺少明確要求。因此，急需對(duì)此開展研究。

在利用天然氣管道輸送HCNG方面，趙永志等[5]指出混入氫氣主要影響管道材料的韌性和疲勞裂紋擴(kuò)展速率，會(huì)在一定程度上影響管網(wǎng)的安全運(yùn)行；黃明等[1]提出使用德爾布指數(shù)法判斷混氫天然氣的燃?xì)饣Q性；馬向陽(yáng)等[6]指出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。但對(duì)于混氫天然氣不同互換性方法之間判別結(jié)果的差別與比較，以及不同混氫比對(duì)管網(wǎng)與壓縮機(jī)運(yùn)行工況的影響則尚無報(bào)道。

為此，筆者采用常用的燃?xì)饣Q性判別方法（德爾布指數(shù)法、韋弗指數(shù)法和沃泊指數(shù)與熱值法）對(duì)天然氣在不同氫氣摻混比下的燃?xì)饣Q性進(jìn)行評(píng)估分析，以此確定最大混氫比，同時(shí)基于HYSYS軟件和相似原理，探究不同混氫比對(duì)天然氣管網(wǎng)運(yùn)行工況的影響，以期為天然氣管道輸送HCNG可行性研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 氫氣加入后對(duì)燃?xì)饣Q性的影響

1.1 混氫天然氣燃燒特性分析

與燃?xì)饣Q性有關(guān)的燃燒特性指數(shù)有：熱值、相對(duì)密度、沃泊指數(shù)、燃燒勢(shì)、爆炸濃度極限等，依據(jù)《天然氣發(fā)熱量、密度、相對(duì)密度和沃泊指數(shù)的計(jì)算方法：GB/T 11062—2014》[7]及其他相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)某地區(qū)的氣源天然氣（天然氣組成如表1所示）進(jìn)行上述燃燒特性指數(shù)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖1所示。

表1 某氣源天然氣組成表

由圖1可知，隨著氫氣摻混比由0～30%逐漸增大，混合氣體的熱值和沃泊指數(shù)趨于下降，分別降低了21%和10%，而燃燒勢(shì)急劇增大了48%，同時(shí)上、下著火濃度極限平穩(wěn)上升，分別上升了31%和39%。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)增大。這主要是因?yàn)闅錃獾幕烊胧沟没旌蠚怏w中H基和OH基的濃度增大，加強(qiáng)了化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)度，加快了燃燒速度。依據(jù)《天然氣：GB 17820—2012》[8]中的相關(guān)指標(biāo)對(duì)混氫天然氣進(jìn)行分類，氣源天然氣符合一類天然氣熱值標(biāo)準(zhǔn)（熱值大于等于36.0 MJ/m3）；隨著混氫比增加，天然氣熱值下降，當(dāng)混氫比介于10%～27%時(shí)，混合氣體符合二、三類天然氣的熱值標(biāo)準(zhǔn)（熱值大于等于31.4 MJ/m3）。

1.2 沃泊指數(shù)、熱值互換性判定

氣源天然氣屬于12T天然氣（沃泊指數(shù)介于45.67～54.78 MJ/m3，熱值介于31.97～43.57 MJ/m3）。以12T基準(zhǔn)氣為參考，將不同氫氣摻混比下的沃泊指數(shù)和熱值繪制成如圖2的曲線，圖2中的矩形框內(nèi)為可置換區(qū)域，曲線與矩形邊框的交點(diǎn)坐標(biāo)為(32，46.4)，交點(diǎn)處對(duì)應(yīng)氫氣體積分?jǐn)?shù)為27%。按照《城鎮(zhèn)燃?xì)夥诸惡突咎匦裕篏B/T 13611—2018》[9]判定混氫比不應(yīng)超過27%。

圖1 不同混氫比下混氫天然氣的燃燒特性指標(biāo)圖

圖2 混氫天然氣沃泊指數(shù)和熱值的關(guān)系圖

1.3 德爾布指數(shù)法（Delbourg）互換性判定

該方法由法國(guó)燃?xì)夤镜聽柌疾┦坑?956年提出，用圖解法以沃泊指數(shù)為縱軸、以燃燒勢(shì)為橫軸建立直角坐標(biāo)系進(jìn)行判斷[10-11]，至今仍被廣泛應(yīng)用。12T天然氣的可置換區(qū)域沃泊指數(shù)介于45.6～54.77 MJ/m3，燃燒勢(shì)介于36.3～69.3。以燃燒勢(shì)為橫軸、沃泊指數(shù)為縱軸建立坐標(biāo)系（圖3），圖3中矩形框內(nèi)為可置換區(qū)域，曲線右側(cè)與矩形框的交點(diǎn)坐標(biāo)為(69.3，46.9)，該交點(diǎn)處混氫比為24%。

圖3 混氫天然氣沃泊指數(shù)和燃燒勢(shì)的關(guān)系圖

按德爾布指數(shù)法判斷，混氫天然氣中氫氣的體積分?jǐn)?shù)應(yīng)小于24%。

1.4 韋弗指數(shù)法（Weaver）互換性判定

韋弗指數(shù)法是根據(jù)美國(guó)燃?xì)鈪f(xié)會(huì)36號(hào)公告法改進(jìn)得到的，引入了熱負(fù)荷指數(shù)、引射指數(shù)和一氧化碳生成指數(shù)[12-16]。韋弗指數(shù)法燃?xì)饣Q性判別依據(jù)和相關(guān)指數(shù)的計(jì)算如表2、3所示。

表2 韋弗指數(shù)法燃?xì)饣Q性的判別依據(jù)表

表3 混氫天然氣燃具互換性韋弗指數(shù)法判定表

鑒于表2，由表3可知最大混氫比介于10%～15%，進(jìn)一步計(jì)算發(fā)現(xiàn)混氫比為13%時(shí)，JH為0.95，達(dá)到可互換下限。因此，判斷混氫天然氣中氫氣的體積分?jǐn)?shù)應(yīng)小于13%。

1.5 不同判定方法結(jié)果分析

可以看出，不同判別方法，得到的混氫比并不相同。依據(jù)德爾布指數(shù)法判定混氫比應(yīng)小于24%，韋弗指數(shù)法判定混氫比應(yīng)小于13%，沃泊指數(shù)和高位熱值判定混氫比應(yīng)小于27%。

進(jìn)一步分析不同判別法的特點(diǎn)。德爾布指數(shù)法通過燃?xì)獾奈植粗笖?shù)和燃燒勢(shì)來判斷燃?xì)獾幕Q性。沃泊指數(shù)主要反映了燃?xì)馊紵龝r(shí)的熱負(fù)荷；燃燒勢(shì)可以用于描述燃燒現(xiàn)象，其反映了燃?xì)馊紵龝r(shí)內(nèi)焰的高度。韋弗指數(shù)法綜合考慮了燃?xì)獾囊恍┗救紵F(xiàn)象和燃燒的“動(dòng)力特性”，如回火、脫火、黃焰等，其對(duì)熱負(fù)荷的要求也較為嚴(yán)格：置換前后燃?xì)馕植粗笖?shù)偏差不應(yīng)超過5%。由此可以看出：3種方法側(cè)重點(diǎn)不同，韋弗指數(shù)法較為嚴(yán)格，德爾布指數(shù)法次之，而依照《城鎮(zhèn)燃?xì)夥诸惡突咎匦裕篏B/T 13611—2018》[9]，按沃泊指數(shù)和熱值判斷則最寬松，這也與計(jì)算結(jié)果相符。

2 氫氣加入后對(duì)管道輸送工況的影響

2.1 混氫比對(duì)管道水力參數(shù)的影響

以某地的天然氣輸送管道為例，使用HYSYS軟件建立模型，分析混氫比對(duì)管道輸送工況的影響，管道相關(guān)參數(shù)如表4所示?；鞖涮烊粴馕镄杂?jì)算模型采用BWRS狀態(tài)方程，實(shí)際計(jì)算結(jié)果表明，應(yīng)用BWRS狀態(tài)方程預(yù)測(cè)混氫天然氣密度（混氫比小于等于30%，壓強(qiáng)介于1～3 MPa）與實(shí)際測(cè)量密度相比，其預(yù)測(cè)偏差始終小于0.2%，符合精度要求。依次計(jì)算環(huán)境溫度為15 ℃（平均溫度）、43.7 ℃（最高溫度）、－5.9 ℃（最低溫度）時(shí)，不同混氫比下的出站壓力、溫度以及給定進(jìn)、出口壓力時(shí)的最大輸氣量和輸氣功率，其中輸氣功率定義為單位時(shí)間內(nèi)管道輸送氣體的熱負(fù)荷[1]，為氣體高位熱值和流量的乘積，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

表4 管線參數(shù)表

由圖4可知：隨著環(huán)境溫度升高，管道出站壓力降低，最大輸氣量和輸氣功率減??；出站溫度始終穩(wěn)定在環(huán)境溫度附近，混氫比對(duì)出站溫度的影響較小；在15 ℃時(shí)，隨著氫氣摻混比由0到30%逐漸增大，管道出站壓力增加了9.1%，管道的最大輸氣量增加了14.8%，但輸氣功率降低了9.2%。因此，為了保證輸氣功率不變，可以適當(dāng)增加管道的運(yùn)行壓力。

圖4 不同溫度下混氫比對(duì)管道運(yùn)行參數(shù)的影響圖

2.2 混氫比對(duì)離心壓縮機(jī)運(yùn)行特性影響

離心壓縮機(jī)是天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)中重要的旋轉(zhuǎn)設(shè)備，對(duì)管道的高效安全運(yùn)行影響重大，其運(yùn)行工況與實(shí)際氣體組分相關(guān)[17]。采用流體力學(xué)相似原理，換算某天然氣離心壓縮機(jī)在12 680 r/min時(shí)不同混氫比下的特性曲線。壓縮機(jī)流動(dòng)完全相似需要滿足幾何相似、進(jìn)口速度三角形相似、特征馬赫數(shù)相等和氣體等熵指數(shù)相等，在實(shí)際中很難保證完全相似，只能滿足近似相似。經(jīng)計(jì)算得當(dāng)天然氣混氫比至30%時(shí)，其絕熱指數(shù)變化較小，不超過0.28%。因此，當(dāng)混氫比小于30%時(shí)，可忽略氣體絕熱指數(shù)的變化，采用絕熱指數(shù)相等，特征馬赫數(shù)不等的近似相似換算[18-19]。

圖5 混氫比改變后壓縮機(jī)性能圖

換算結(jié)果如圖5所示：當(dāng)保持壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速不變時(shí)，隨著混氫比增加，壓比和軸功率特性曲線將下移，當(dāng)流量為5 500 m3/h時(shí)，混氫比由0增大至30%，壓比和軸功率分別下降了20%和36%。這主要是由于離心壓縮機(jī)增壓是依靠氣體的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為壓能，而氫氣的分子質(zhì)量和相對(duì)密度較小，由伯努利原理可知，相同的速度減小量，相對(duì)密度越小，其增壓越小。由于該方法假定了效率相等的條件，可知特性曲線換算前后多變效率不變。

將壓縮機(jī)的特性曲線（圓點(diǎn)連線）和某一管網(wǎng)阻力曲線（方塊連線）畫于同一圖中，如圖6所示，曲線交點(diǎn)為壓縮機(jī)與管網(wǎng)聯(lián)合工作的平衡工作點(diǎn)。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，隨著混氫比由0增大至30%，其平衡工作點(diǎn)向圖6左下移動(dòng)，平衡狀態(tài)對(duì)應(yīng)的壓力和流量分別減小了7%和11%，降低了管網(wǎng)的輸氣能力。

圖6 壓縮機(jī)與管網(wǎng)聯(lián)合工作圖

3 結(jié)論

1）從混氫天然氣管道輸送的終端用戶考慮，氫氣的混入會(huì)對(duì)天然氣的燃燒特性產(chǎn)生較大影響：隨著氫氣體積分?jǐn)?shù)增加，燃具的熱負(fù)荷下降，燃?xì)獾幕鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣燃眲≡龃?，燃具回火的風(fēng)險(xiǎn)增大。氫氣的體積分?jǐn)?shù)依據(jù)沃泊指數(shù)和高位熱值判定小于27%，依據(jù)德爾布指數(shù)法判定應(yīng)小于24%，依據(jù)韋弗指數(shù)法判定小于13%時(shí)，對(duì)下游用戶的影響較小，可以使用。

2）從混氫天然氣管道輸送的工況考慮，氫氣的混入會(huì)增大管道出口的壓力，減小阻力損失，使管道的輸氣能力增加，但其單位時(shí)間內(nèi)管道輸送氣體的熱負(fù)荷下降。因此，為了保證輸氣功率不變，可以適當(dāng)增加管道的運(yùn)行壓力。需要注意的是，當(dāng)管網(wǎng)中存在壓縮機(jī)時(shí)，氫氣的混入會(huì)使壓縮機(jī)與管網(wǎng)聯(lián)合工作的平衡工作點(diǎn)移動(dòng)，其對(duì)應(yīng)的壓力和流量都將減小，降低管網(wǎng)的輸氣能力。