天然气管道输送混氢天然气的可行性

王 玮 王秋岩 邓海全 程光旭 李 云

1.西安交通大学化学工程与技术学院 2.中石化中原石油工程设计有限公司

0 引言

随着化石资源的逐渐枯竭和环境问题的日益严峻，氢能作为一种资源丰富、高热值的洁净燃料，被认为是未来最具潜力的能源替代品之一。鉴于目前氢气分配基础设施还不完善，其建设和利用成本较高，而我国已拥有较为成熟的天然气管网。因此，将氢以一定比例掺入天然气，再利用天然气管网直接输送混氢天然气（HCNG）至终端用户作为燃料使用，被认为是氢气较低成本输送和减少温室气体排放的有效方法 ，可以提高氢气的输送范围，实现氢气的高效率调配，提高氢能在能源消费结构中的占比[1]。该方法也可用于运输风电电解所制得的氢气，以解决风电大规模消纳问题。美国休斯敦地区已利用一条225 km的天然气管道运输氢气[2]。

由于氢气和天然气主要组分甲烷的理化性质和燃烧特性存在着很大的差别[3-4]，混氢比不同会改变燃气的燃烧速度、热负荷等燃烧指数，同时相对密度、传热系数、黏度等水力指数也会发生变化，以至于对燃气的终端用户以及管道的输送工况造成较大影响。因此，城市天然气管道供应系统必须考虑不同混氢比带来的燃气互换性问题和管道工况的变化，以保证终端用户燃具和管道供应系统的运行安全、效率和性能。法国的GRHYD项目、荷兰的VG2项目、德国西门子股份公司和美国能源部等对天然气混氢的利用及其通过天然气管道输送的安全性进行了研究。而我国目前尚未出台关于HCNG作为家用燃料及其输送的相关国家标准，对于混氢比上限亦缺少明确要求。因此，急需对此开展研究。

在利用天然气管道输送HCNG方面，赵永志等[5]指出混入氢气主要影响管道材料的韧性和疲劳裂纹扩展速率，会在一定程度上影响管网的安全运行；黄明等[1]提出使用德尔布指数法判断混氢天然气的燃气互换性；马向阳等[6]指出氢气加入后通过提高输送压力便可保证管道的输气功率不变。但对于混氢天然气不同互换性方法之间判别结果的差别与比较，以及不同混氢比对管网与压缩机运行工况的影响则尚无报道。

为此，笔者采用常用的燃气互换性判别方法（德尔布指数法、韦弗指数法和沃泊指数与热值法）对天然气在不同氢气掺混比下的燃气互换性进行评估分析，以此确定最大混氢比，同时基于HYSYS软件和相似原理，探究不同混氢比对天然气管网运行工况的影响，以期为天然气管道输送HCNG可行性研究提供基础数据。

1 氢气加入后对燃气互换性的影响

1.1 混氢天然气燃烧特性分析

与燃气互换性有关的燃烧特性指数有：热值、相对密度、沃泊指数、燃烧势、爆炸浓度极限等，依据《天然气发热量、密度、相对密度和沃泊指数的计算方法：GB/T 11062—2014》[7]及其他相关文献对某地区的气源天然气（天然气组成如表1所示）进行上述燃烧特性指数计算，计算结果如图1所示。

表1 某气源天然气组成表

由图1可知，随着氢气掺混比由0～30%逐渐增大，混合气体的热值和沃泊指数趋于下降，分别降低了21%和10%，而燃烧势急剧增大了48%，同时上、下着火浓度极限平稳上升，分别上升了31%和39%。这说明随着混合气体中氢气体积分数的增加，燃具的热负荷下降，而燃气的火焰传播速度急剧增大，燃具回火的风险增大。这主要是因为氢气的混入使得混合气体中H基和OH基的浓度增大，加强了化学反应强度，加快了燃烧速度。依据《天然气：GB 17820—2012》[8]中的相关指标对混氢天然气进行分类，气源天然气符合一类天然气热值标准（热值大于等于36.0 MJ/m3）；随着混氢比增加，天然气热值下降，当混氢比介于10%～27%时，混合气体符合二、三类天然气的热值标准（热值大于等于31.4 MJ/m3）。

1.2 沃泊指数、热值互换性判定

气源天然气属于12T天然气（沃泊指数介于45.67～54.78 MJ/m3，热值介于31.97～43.57 MJ/m3）。以12T基准气为参考，将不同氢气掺混比下的沃泊指数和热值绘制成如图2的曲线，图2中的矩形框内为可置换区域，曲线与矩形边框的交点坐标为(32，46.4)，交点处对应氢气体积分数为27%。按照《城镇燃气分类和基本特性：GB/T 13611—2018》[9]判定混氢比不应超过27%。

图1 不同混氢比下混氢天然气的燃烧特性指标图

图2 混氢天然气沃泊指数和热值的关系图

1.3 德尔布指数法（Delbourg）互换性判定

该方法由法国燃气公司德尔布博士于1956年提出，用图解法以沃泊指数为纵轴、以燃烧势为横轴建立直角坐标系进行判断[10-11]，至今仍被广泛应用。12T天然气的可置换区域沃泊指数介于45.6～54.77 MJ/m3，燃烧势介于36.3～69.3。以燃烧势为横轴、沃泊指数为纵轴建立坐标系（图3），图3中矩形框内为可置换区域，曲线右侧与矩形框的交点坐标为(69.3，46.9)，该交点处混氢比为24%。

图3 混氢天然气沃泊指数和燃烧势的关系图

按德尔布指数法判断，混氢天然气中氢气的体积分数应小于24%。

1.4 韦弗指数法（Weaver）互换性判定

韦弗指数法是根据美国燃气协会36号公告法改进得到的，引入了热负荷指数、引射指数和一氧化碳生成指数[12-16]。韦弗指数法燃气互换性判别依据和相关指数的计算如表2、3所示。

表2 韦弗指数法燃气互换性的判别依据表

表3 混氢天然气燃具互换性韦弗指数法判定表

鉴于表2，由表3可知最大混氢比介于10%～15%，进一步计算发现混氢比为13%时，JH为0.95，达到可互换下限。因此，判断混氢天然气中氢气的体积分数应小于13%。

1.5 不同判定方法结果分析

可以看出，不同判别方法，得到的混氢比并不相同。依据德尔布指数法判定混氢比应小于24%，韦弗指数法判定混氢比应小于13%，沃泊指数和高位热值判定混氢比应小于27%。

进一步分析不同判别法的特点。德尔布指数法通过燃气的沃泊指数和燃烧势来判断燃气的互换性。沃泊指数主要反映了燃气燃烧时的热负荷；燃烧势可以用于描述燃烧现象，其反映了燃气燃烧时内焰的高度。韦弗指数法综合考虑了燃气的一些基本燃烧现象和燃烧的“动力特性”，如回火、脱火、黄焰等，其对热负荷的要求也较为严格：置换前后燃气沃泊指数偏差不应超过5%。由此可以看出：3种方法侧重点不同，韦弗指数法较为严格，德尔布指数法次之，而依照《城镇燃气分类和基本特性：GB/T 13611—2018》[9]，按沃泊指数和热值判断则最宽松，这也与计算结果相符。

2 氢气加入后对管道输送工况的影响

2.1 混氢比对管道水力参数的影响

以某地的天然气输送管道为例，使用HYSYS软件建立模型，分析混氢比对管道输送工况的影响，管道相关参数如表4所示。混氢天然气物性计算模型采用BWRS状态方程，实际计算结果表明，应用BWRS状态方程预测混氢天然气密度（混氢比小于等于30%，压强介于1～3 MPa）与实际测量密度相比，其预测偏差始终小于0.2%，符合精度要求。依次计算环境温度为15 ℃（平均温度）、43.7 ℃（最高温度）、－5.9 ℃（最低温度）时，不同混氢比下的出站压力、温度以及给定进、出口压力时的最大输气量和输气功率，其中输气功率定义为单位时间内管道输送气体的热负荷[1]，为气体高位热值和流量的乘积，计算结果如图4所示。

表4 管线参数表

由图4可知：随着环境温度升高，管道出站压力降低，最大输气量和输气功率减小；出站温度始终稳定在环境温度附近，混氢比对出站温度的影响较小；在15 ℃时，随着氢气掺混比由0到30%逐渐增大，管道出站压力增加了9.1%，管道的最大输气量增加了14.8%，但输气功率降低了9.2%。因此，为了保证输气功率不变，可以适当增加管道的运行压力。

图4 不同温度下混氢比对管道运行参数的影响图

2.2 混氢比对离心压缩机运行特性影响

离心压缩机是天然气管网系统中重要的旋转设备，对管道的高效安全运行影响重大，其运行工况与实际气体组分相关[17]。采用流体力学相似原理，换算某天然气离心压缩机在12 680 r/min时不同混氢比下的特性曲线。压缩机流动完全相似需要满足几何相似、进口速度三角形相似、特征马赫数相等和气体等熵指数相等，在实际中很难保证完全相似，只能满足近似相似。经计算得当天然气混氢比至30%时，其绝热指数变化较小，不超过0.28%。因此，当混氢比小于30%时，可忽略气体绝热指数的变化，采用绝热指数相等，特征马赫数不等的近似相似换算[18-19]。

图5 混氢比改变后压缩机性能图

换算结果如图5所示：当保持压缩机转速不变时，随着混氢比增加，压比和轴功率特性曲线将下移，当流量为5 500 m3/h时，混氢比由0增大至30%，压比和轴功率分别下降了20%和36%。这主要是由于离心压缩机增压是依靠气体的动能转换为压能，而氢气的分子质量和相对密度较小，由伯努利原理可知，相同的速度减小量，相对密度越小，其增压越小。由于该方法假定了效率相等的条件，可知特性曲线换算前后多变效率不变。

将压缩机的特性曲线（圆点连线）和某一管网阻力曲线（方块连线）画于同一图中，如图6所示，曲线交点为压缩机与管网联合工作的平衡工作点。经分析发现，随着混氢比由0增大至30%，其平衡工作点向图6左下移动，平衡状态对应的压力和流量分别减小了7%和11%，降低了管网的输气能力。

图6 压缩机与管网联合工作图

3 结论

1）从混氢天然气管道输送的终端用户考虑，氢气的混入会对天然气的燃烧特性产生较大影响：随着氢气体积分数增加，燃具的热负荷下降，燃气的火焰传播速度急剧增大，燃具回火的风险增大。氢气的体积分数依据沃泊指数和高位热值判定小于27%，依据德尔布指数法判定应小于24%，依据韦弗指数法判定小于13%时，对下游用户的影响较小，可以使用。

2）从混氢天然气管道输送的工况考虑，氢气的混入会增大管道出口的压力，减小阻力损失，使管道的输气能力增加，但其单位时间内管道输送气体的热负荷下降。因此，为了保证输气功率不变，可以适当增加管道的运行压力。需要注意的是，当管网中存在压缩机时，氢气的混入会使压缩机与管网联合工作的平衡工作点移动，其对应的压力和流量都将减小，降低管网的输气能力。