天然气掺氢对城市燃气用户的影响

1 概述

氢能作为一种清洁、高能的二次能源，可以将气、电、热等能源网络有机联系起来，实现能量的双向流动

。氢能将成为未来能源体系的重要组成部分，预计到2050年，氢能在全球终端能源的占比将达到18%，在我国终端能源体系占比将达到10%以上。2019年3月5日，国家发改委印发的《绿色产业指导目录(2019 年版)》，将“氢掺入天然气管道等设施的建设和运营”列入其中。

第一，兴趣激励法：兴趣是最好的老师，要让学生产生浓厚的兴趣，首先必须让他们放下沉重的思想包袱，把求知本身变成一个极大的乐趣。

氢气与天然气相比，污染更小，不会产生温室气体。但目前氢气储运设施不完善，利用天然气管道混输氢气，不仅有利于减少温室气体的排放，燃烧产物也更为清洁，在降低天然气企业减排成本的同时，还可以实现氢气的低成本远距离输送，增强氢气生产企业的调配效率

。在掺氢比例满足燃气互换性的要求下，终端用户也无需更换燃具燃烧器，不会增加额外的更换成本。然而由于氢气燃烧性质与天然气不同，氢的掺入会使点火能量和热值降低，可燃范围和爆炸极限范围增大。因此本文主要研究了掺入不同比例氢气对居民用户、商业用户、供暖用户、电厂以及一些特殊用户燃烧器的燃烧性能的影响。

2 燃气用户类型

以北京市为例，目前天然气在能源消费结构中占比为34%，天然气供暖面积占全市供暖面积的80%以上。

北京市天然气用户种类多，目前天然气燃烧设备主要包括居民用户的灶具、供暖热水炉、热水器，商业用户的大锅灶，供暖用户的锅炉，电厂用户的燃气轮机。此外，CNG加气母站利用压缩机将管道天然气加压后供给用户；天然气液化工厂将管道天然气净化处理后送至冷箱液化，供给LNG用户。不同种类用户对于燃气的热值、连续性以及氢敏感性均有所差异，在进行管道天然气掺氢时，应分别予以考虑。

与此同时，云南电网公司积极配合云南省能源局开展省级充电联盟的筹建，并与省能源局签订了“加快充电基础设施及平台建设推动云南新能源汽车产业发展战略合作框架协议”;积极参与地方政府“十三五”电动汽车充电基础设施发展规划编制，促进电网规划、充电基础设施规划、城市规划同步协调，并与玉溪、曲靖、普洱等地方政府签订了框架合作协议，合力推进新能源汽车产业发展;印发了《关于进一步推动电动汽车充电基础设施建设和服务工作的通知》，优化审批流程，开通充电基础设施用电报装“绿色通道”，全力做好配套电网投资及业扩报装用电服务。

3 天然气掺氢互换性计算

从图1、2可以看出，试验气满足12T天然气高热值范围的最大掺氢比例为23%，满足12T天然气高华白数的最大掺氢比例为42%。只有高热值与高华白数均满足要求，才认为试验气理论上可与12T天然气互换。即掺氢比例小于等于23%的试验气理论上可与12T天然气互换。

② 不同燃具类型燃烧器，出现燃烧不稳定的掺氢比例存在差异。在家用燃气灶、燃气热水器、燃气供暖热水炉、燃气大锅灶中，燃气大锅灶对氢最为敏感，出现异响的掺氢比例为16%，出现回火的掺氢比例为17%。

3.1 热值与华白数

1 m

燃气完全燃烧后，烟气冷却到初始温度时所释放的热量为该燃气的热值，单位为MJ/m

，热值分为高热值和低热值。实际使用的燃气通常是含有多种可燃组分的混合气体，因此燃气热值可以通过单一气体的热值根据混合法进行计算，公式为：

(1)

式中

——燃气的高热值或低热值，MJ/m

——燃气中可燃组分的数量

式中

——燃气的高华白数或低华白数，MJ/m

——燃气可燃组分

的体积分数

国家林草局三北防护林建设局相关工作人员说，三北防护林建设初期，种了许多杨树是有原因的。三北地区，或是干旱风沙区，或是水土流失地区，造林的立地条件极差，甚至可以说，种活一棵树比养活一个孩子还难。杨树好活，是最皮实的树。苗木成本也相对较低，大量种杨树是最经济的选择。三四十年来，杨树的生态功能发挥到极致——被称为“小老树”就是例证。它们在恶劣的自然条件下，抵挡着风沙的侵袭，却委屈了自己。

华白数是燃气各组分含量改变时衡量热负荷变化最重要的参数，两种燃气的华白数相差不大，是保证燃气能够互换的最基本条件。华白数计算公式为：

(2)

——燃气可燃组分

的高热值或低热值，MJ/m

——燃气的相对密度

由式(2)可知，燃气华白数是由燃气的参数决定的，当燃具燃烧器结构及喷嘴前压力没有变化且改用另一种燃气时，燃气组成差异必定导致华白数变化。

3.2 不同掺氢比例对互换性的影响

根据GB/T 13611—2018《城镇燃气分类和基本特性》，12T天然气的特性指标见表1。本文主要以表2中北京市某门站气源为基础气进行分析和试验。根据式(1)、(2)计算得到不同掺氢比例时混合气的高华白数和高热值，根据计算结果绘图得到试验气高华白数和高热值与掺氢比例的关系，同时根据12T天然气的指标范围，确定可接受的掺氢比例，见图1、2。图1、2中红色虚线框对应12T天然气的指标范围。

根据GB/T 13611—2018《城镇燃气分类和基本特性》，主要依据高华白数和高热值对城镇燃气进行分类。本文选取北京市某门站气源作为基础气进行互换性计算，以12T天然气的高华白数和高热值范围作为掺氢后互换性的评判依据，从而确定天然气的最大掺氢比例。掺氢比例指混合气体中氢气的体积分数。

4 居民用户及商业用户燃烧设备掺氢比例

早在大唐煤制气(组成见表3)引入北京时，我们就对大唐煤制气掺氢对居民用户和商业用户燃烧设备燃烧性能的影响进行了研究。选取当时市场上完全预混和部分预混的主流燃烧设备，试验测试了不同掺氢比例(氢气体积分数为0～60%)对燃烧设备燃烧性能的影响。试验发现，居民用户和商业用户燃烧设备对燃气热值及供应连续性要求不高，对氢的敏感性较弱，且掺氢后污染物排放有不同程度的减少。以掺氢比例为5%为例，与不掺氢气相比，各燃烧设备污染物排放情况见表4。

翻转课堂起源于国外，国内相关研究起步相对较晚，可以说国外的研究趋势是国内研究的风向标，了解国外文献研究方向，对国内研究具有重要的指导意义。我们在对翻转课堂进行了深入细致的理论溯源之后，结合其他国外有关翻转课堂的研究文献，尤其是大学层面的研究，不难发现已经产生了三大主要研究趋势：

试验研究得出如下结果：

3.1.7 其他原因 没有规范的液体出入量记录流程，缺乏相关人员培训，管理者监督不力，夜班护理人员工作负荷较大，身心俱疲，注意力无法集中等都是造成出入量记录不正确的相关因素。

① 当掺氢比例约为50%时，燃气燃烧速度有所增大，可克服因天然气火焰软而影响热效率这一缺点，可以提高燃烧器的加热效率。但是，燃烧噪声也会变大，甚至发生回火。

在传统大学普通化学教学的过程中，教师只是根据教材内容一味地传授学生知识，教学过程是枯燥的。学生也只能无意识情绪不加区分地全盘接受，学习过程是被动的。在这种状态下学习，学生是很难激发学习兴趣的，同时也不利于培养学生的发散思维。将多媒体应用在大学教学中，可以充分发挥多媒体的作用，既强化了教师与学生间的互动，又提高了学生的学习热情，还调动了学生的主观能动性。

③ 随着掺氢比例不断增大，主要污染物CO和NO

的体积分数均存在一定程度的降低，有较好的环境效应。

截至2020年底，北京市共运行14座电厂，燃气轮机主要来自于三菱、西门子、GE公司。西门子的燃气轮机要求掺氢比例小于1%，三菱和GE的燃气轮机要求掺氢比例小于3%。当掺氢比例过高时，燃气轮机的非耐火部件会损坏，氢气燃烧扩散速度快，火焰更靠近燃烧器，容易导致燃烧器超温、熔损。掺氢比例控制不稳定，会引起华白数频繁波动，可能引起燃气轮机燃烧脉动异常，造成燃烧系统部件损坏。但有国外学者认为，经过整改和调整的燃气轮机一般能适应5%～10%的掺氢比例。

5 供暖用户燃烧设备掺氢比例

目前北京市供暖用气占比较大，供暖用户是天然气的重要使用单位，因此天然气掺氢也需重点考虑供暖用户的情况。2019年，国家电投集团在朝阳市的掺氢示范项目(掺氢比例为10%)，验证示范了氢气“制取—储运—掺混—综合利用”产业链关键技术，其中重要的一环就是在锅炉等终端利用设备使用。根据国际能源署(IEA)对天然气价值链各环节允许的最大掺氢比例的阐述可知，锅炉的最大掺氢比例为30%。英国HyDeploy掺氢示范项目的掺氢比例达20%

，测试的设备包括燃气锅炉，测试结果表明，所测试的各种设备均能在该掺氢比例下安全运行。

6 燃气轮机等特殊燃烧设备掺氢比例

④ 综合互换性计算与试验研究结果可知，16%的掺氢比例不会对目前的居民用户及商业用户燃烧设备产生显著影响。

目前，北京市共运行11座CNG加气母站，主要供气来源为次高压管网。根据文献[5-6]，压缩机对氢较为敏感，要求的掺氢比例较小。北京燃气集团建设的西集天然气液化工厂，紧邻西集门站，为4 MPa高压气源，液化工厂的冷箱要求天然气不能含有氢气，一旦混入氢气，无法将其脱除。

综合分析，建议在不进行改造的情况下，供给电厂、CNG加气母站、天然气液化工厂的天然气避免掺氢。

7 结论

① 只有高热值与高华白数均满足12T天然气的指标范围，才认为试验气(掺氢后的天然气)理论上可与12T天然气互换。计算得出，掺氢比例小于等于23%的试验气理论上可与12T天然气互换。

由于各国之间的经济政策各不相同，导致各国的经济体制也存在一定的差异。中国作为发展中的大国，虽然人口众多，但单纯就经济的发现现状来分析，中国经济发展仍然处于初级阶段。在改革开放之后，我国政府部门对我国的经济进行了调整，包括出口关税、出口政策、出口商品等方面。随着国际贸易的发展，我国逐渐与周边国家形成友好的合作关系。但在经济贸易往来中，仍然会存在一些问题阻碍我国经济的发展。近年来，经济环境在不断变化，我国经济始终处于动荡时期，我国大部分企业的资金比较紧张，在流动资金方面进行控制，导致我国企业的可流动资金过少，给企业发展带来了危机[3]。

② 综合互换性计算与试验研究结果及示范项目可知，10%的掺氢比例不会对居民用户燃烧设备产生显著影响。随着掺氢比例不断增大，主要污染物排放均存在一定程度的降低。

③ 城市燃气用户中供暖用户用气量占比较大，且居民用户、商业用户燃烧设备更新换代快，建议对掺氢对这些用户燃烧设备燃烧性能的影响进行系统性研究。

目前，阳圩农场芒果种植面积达1.03万亩，投产面积0.79万亩，年产量0.77万吨，产值3846.82万元。在此基础上，农场进一步加强管理监督，探索现代农业新技术，加强服务引导，树立品牌意识，努力培育地方名牌产品，还带动周边农民种植芒果3万多亩，为地方农业高质量发展注入了强劲动力。

④ 电厂的燃气轮机、CNG加气母站的压缩机、天然气液化工厂的冷箱对氢敏感性强，目前可接受的掺氢比例较低，建议避免向此类用户的气源掺氢。随着技术的发展以及工艺的改进，未来也存在向此类用户掺氢的可能性。

[1] 国家发展改革委. 关于印发《绿色产业指导目录(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] 谢萍,伍奕,李长俊,等. 混氢天然气管道输送技术研究进展[J]. 油气储运,2021(4):361-370.

[3] 陈石义,龙海洋,李天雷,等. 天然气管道掺氢探讨[J]. 天然气与石油,2020(6):22-26.

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

[5] 赵永志,张鑫,郑津洋,等. 掺氢天然气管道输送安全技术[J]. 化工机械,2016(1):1-7.

[6] 曹志柱,刘安,宇波,等. 天然气管道典型离心压缩机性能预测研究[J]. 北京石油化工学院学报，2018(3)：14-20.