天然气管道掺入氢气的影响及技术可行性分析

李百祥 辽宁省石油化工规划设计院有限公司

当前全球发展水平的提升使得交通领域需要的燃料量也在不断增加，特别是燃料电池和加氢站基础设施发展水平也明显提升。但是研究发现，当前加氢站的氢气价格普遍较高，无法和传统油气燃料进行公平竞争，而造成其成本价格过高的主要因素之一就是运输成本较高，影响了氢能产业的健康发展。在多种氢气运输过程中，管道输送花费的经济成本最为低廉，可以适应较广的运输距离，但是新建的氢气专输管道需要较高的建设成本，审批工作也相对困难。在这一环节中如果可以借助先进的技术进行管道设施建设，就能有效推进氢气的大规模输送，在降低氢气输送成本的基础上，全面提升天然气管道经济性优势。

一、氢气在天然气管道中的影响

（一）对管道材料的影响

天然气管道渗入氢气很可能对管道材料安全造成负面影响，比如管道出现氢腐蚀或是脱碳等情况。由于管道中氢气状态不同，因此和金属产生的作用也会出现明显差异，由于问题发生机理不同，所以也需要应用不同的风险防治办法。通常情况下，使用年限越高，管道中的压力就越大，这也意味着出现风险的概率将大大增加[1]。高压长输天然气管道属于高级钢管，主要是借助直缝埋弧焊管、无缝焊管等进行施工，但是钢管强度越高意味着氢脆风险的发生概率越高，这也意味着对管道寿命产生的影响越大。除了管道材料自身产生的影响之外，掺入氢气对管道气体传输能力产生的影响也比较显著。在确保天然气管道压力不变的情况下，不管氢气掺入的体积分数多大，都会对管道输气能力造成一定影响。通常情况下，当掺氢比例大于等于10%以上，管道压力就需要相应进行调节，将压力控制在5.38MPa。

（二）对压缩机和管件的影响

天然气掺氢在对管道材料和输气能力造成影响之外，还很可能对压缩机、阀门、计量等设施造成影响。基于密度差异不同，管输同样能量的氢气压缩机功耗也将达到天然气3.3倍以上，当掺氢10%后氢气就会出现压缩机能耗增加，最终管输氢气的成本也将明显提升。掺气天然气对于压缩机自身的运行也会产生不同程度的影响[2]。和活塞压缩机不同，离心压缩机本身的动力结构需要和氢气直接进行接触，所以运行状态在气体影响下，叶轮旋转速度和材料强度也会受到一定影响。这就需要在掺氢团燃气增压过程中优先选择活塞压缩机。针对区域性的中低压天然气管道不需要特殊增加增压站，同样也不需要对压缩机的影响进行评估。

（三）对气质组成和下游用户的影响

天然气掺入氢气后，很可能直接对气质密度和热值等出现变化，甚至对居民、工业企业和燃气电厂的使用造成影响。氢气热值大约是天然气热值的30%左右，这也就意味着在输送同等能量的基础上，氢气体积将是天然气的三倍左右，特别是在高压状态下氢气的可压缩性更是明显低于天然气[3]。所以在这一过程中就需要提高压力或是流量实现对管道输送能量强度的提升。天然气掺入氢气后还会造成灶具、天然气内燃机负荷的明显下降，由于燃气火焰的传播速度大大提升，因此也在一定程度上增加了回火风险。通常情况下，掺氢比例应该控制在5%以下，只有这样才能最大程度上降低对管道和终端用户的负面影响。

（四）对泄漏和安全的影响

研究可知氢气密度仅为天然气的12.5%左右，由于分子体积较小，因此在空气中扩散的速度也将更快，极易发生泄露和渗漏危机。在管道完整性良好的状态下出现渗漏也是当前较为常见的情况，理论研究发现当掺氢超过20%后气体渗漏损失将超过原有天然气管道渗漏量的两倍以上，但是基于渗漏量低于传送量，所以并不会对安全性和经济性造成严重的负面影响[4]。在管道完整性或是接口密封性降低的情况下，还需要对管道输送天然气和氢气泄漏的扩散情况进行分析，通常氢气的泄漏速度更快，在开放空间内形成的危险云团集中速度较快，在快速上升的过程中不容易发生积聚情况，由于其不具备扩散潜伏期，因此在近地面地区造成的危害性影响就更为严重。

二、国内外对天然气掺氢比例提出的要求

研究发现当前很多国家对于天然气掺氢比例的研究结果并不相同，分别为0.1%-30%，这也意味着操作过程中提出的要求差异性较大。目前我国仍然没有出台一项完整的天然气管道掺氢比例要求和规定[5]。虽然GB-17820-2017《天然气》中已经对天然气质量要求提出了高位发热量要求，并且在后续技术规范中对燃气质量和组分要求提出了更细致的规定，但是仍然没有对具体氢气含量提出限制性要求。

三、结束语

对已有的天然气管道设施中掺入氢气，是当前氢能运输成本进行控制的重要手段之一，特别是对于区域性的中低压传输而言，更是为后续企业效益增长提出了重要帮助和发展机遇。在天然气管道掺入氢气后，最好将天然气和氢气进行分离，并且在分离后不继续进行注回管道增压，通过此种方式可以实现对氢气运输成本的有效控制。目前欧美国家已经加强了掺氢项目的研究，基于目前我国研究范围有限，因此更需要在今后工作中加强对相关问题的分析。