天然气管道掺氢试验平台设计

赵立前， 党富华， 张荷枝， 付国英

(1.中国石油天然气管道工程有限公司， 河北 廊坊 065000； 2.中国石油管道局工程有限公司国际事业部， 河北 廊坊 065000)

1 概述

天然气掺氢在管道输送和终端利用具有优势[1-2]。氢气对管道产生的氢损伤程度与氢气体积分数、输送压力、管道材料性能等存在一定联系[3-4]。在天然气掺混氢气的管道输送方面，赵永志等[5]认为掺入的氢气对配送管道的影响较小，对输送管道的影响还需进一步评估，随着掺氢比例提升，风险增大。张小强等[6]分析了天然气掺混氢气的管材适用性，认为如果管道钢级低于或同于X52，则该天然气管道可用于输送氢气体积分数小于10%的混合天然气。因此，在天然气管道中添加氢气进行输送时，需针对输气工况和管材情况进行适应性分析，做到具体项目具体分析。国内已开展的天然气掺氢输送研究较多，主要包括管道输送掺氢比例、掺氢天然气对终端用户的影响[7-8]、管材适应性[6]、泄漏监测[9]、终端氢气提纯[10]等。国内诸多示范项目的开展受限于项目的持续时间和涉及范围[11]，仍有许多问题待进一步研究。本文设计掺氢综合试验平台(以下简称试验平台)，以研究管材、设备、阀门焊缝等在不同掺氢比例下的适应性，推动我国掺氢研究成果试验验证，为掺氢的规模应用及工程实践提供试验支撑。

2 试验平台

2.1 设计思路

试验平台搭建目标为：不同压力条件下同时进行不同掺氢比例的各种试验。不同压力通过压缩机加压以及调节阀控制实现；不同掺氢比例通过固定氢气流量、控制天然气注入流量实现；同时进行通过掺氢比例不同的掺混段串联安装，逐次降低掺氢比例并顺序通过试验段实现；各种试验指验证不同掺氢比例下，现有天然气管道管材、主要设备材料(流量计、过滤器、阀门)、检测仪表以及可燃气体探测器等适应性问题，现有天然气管道密封材料、地上及埋地管道焊缝适应性问题，以及氢脆产生的概率与风险评估等。

2.2 试验平台设计

① 总体流程

试验平台总体流程见图1。天然气和氢气分别经过滤、计量、限流、调压后进入第1级掺混段，掺混得到掺氢比例25%混合气，进入试验单元1进行试验。掺氢比例25%混合气进入第2级掺混段继续与天然气掺混，得到掺氢比例12%混合气，进入试验单元2进行试验。以此类推，分别得到掺氢比例9%混合气、掺氢比例6%混合气及进行相应试验。从试验单元4出来的掺氢比例6%混合气进入下游城市燃气管网。

图1 试验平台总体流程

② 试验压力

考虑安全因素以及试验平台功能的拓展性，试验平台设计压力为4.5 MPa。平台可以进行4.0 MPa、2.5 MPa、1.6 MPa、0.8 MPa及0.4 MPa等不同压力工况下，针对不同管材、设备及缺陷的试验。

③ 掺氢比例

与天然气相比，氢气具有密度小、最小点火能量低、爆炸范围宽、火焰温度高、扩散系数大等特点[6]。一定浓度的氢气进入天然气管道后，局部氢浓度饱和时会引起材料塑性下降、诱发裂纹或产生滞后断裂，发生氢脆。此外，氢还可能与管线钢中的碳反应生成甲烷，造成钢脱碳和产生微裂纹，导致钢的力学性能不可逆地劣化[12-14]，发生氢腐蚀，给管道运行带来较大安全隐患。

试验平台的掺氢混合气最终进入下游城市燃气管网。GB/T 37124—2018《进入天然气长输管道的气体质量要求》要求，进入天然气长输管道的天然气氢气摩尔分数≤3%。欧盟经验显示，5%、10%的掺氢比例普遍认为没问题，燃气互换性及燃具要求的合理掺氢比例上限约为 20%～27%[15-17]。国内尚无相关数据积累，结合国外经验，可将掺氢比例上限确定在20%。作为试验平台，我们把试验中掺氢比例上限上调至25%。其他掺氢比例定为6%、9%、12%。

④ 各掺混段氢气、天然气流量

根据下游天然气管网接收能力，试验平台设定近期和远期两个工况。近远期各掺混段氢气、天然气注入流量见表1。下文仅针对近期试验进行讨论。

表1 各掺混段氢气、天然气注入流量

3 掺混流程

第1级掺混段掺混流程见图2。图2中左侧球阀是焊接连接，右侧球阀是法兰连接。氢气来气压力为2.0 MPa，经过滤、计量、限流、调压后，压力控制在1.8 MPa，流量控制在36 m3/h，进入第1级混合器。氢气过滤器、质量流量计、流量调节阀、调压阀串联安装，各设置2套，1用1备。

图2 第1级掺混段掺混流程

天然气来气压力为2.0 MPa，经过滤、计量、限流、调压后，压力控制在1.75 MPa，流量控制在108 m3/h，进入第1级混合器与氢气掺混，掺氢比例为25%。天然气过滤器、涡轮流量计、流量调节阀、调压阀串联安装，各设置2套，1用1备。

第2级掺混段、第3级掺混段、第4级掺混段掺混流程见图3。从第1级混合器出来的掺氢比例25%混合气进入试验单元1，试验后进入第2级掺混段。天然气经过计量、限流后，将压力控制在1.75 MPa、流量控制在156 m3/h，进入第2级混合器，与掺氢比例25%混合气掺混，掺氢比例12%混合气进入试验单元2。改变天然气流量重复上述流程，依次得到掺氢比例9%、6%混合气，分别进入对应的试验单元进行试验。

图3 第2级掺混段、第3级掺混段、第4级掺混段掺混流程

第2级掺混段、第3级掺混段、第4级掺混段的天然气注入流程中，均设计量、限流功能，不再设备用管路。当某试验单元出现设备故障维修、更换等情况时，可通过开启试验单元前旁通球阀(见图1)越过该试验单元，可以保持后续试验单元正常测试。

4 试验单元流程

试验单元流程见图4。各掺氢比例混合气进入试验单元，试验单元内串联安装测试用流量计，阀门(球阀、截止阀、调压阀、止回阀等)，地上管材、焊缝试验段，埋地管材、焊缝试验段以及静压分层试验段，同时预留其他设备和阀门试验段。试验段各设备、管段采用法兰连接，由试验团队定期将设备、管段取下进行测试分析。

图4 试验单元流程

5 基于自动化的掺氢比例精确控制

为精确控制掺氢比例，得到较准确的测试结果，应预先根据天然气、氢气及混合气参数(流量、压力、温度等)设定流量调节阀开度，对各掺混段混合气的掺氢比例进行检测。

① 流量调节阀

在氢气注入管路和掺混段天然气注入管路各设置流量调节阀1个。试验平台掺混气体流量调节采用电动调节型球阀，配备调节型电动执行机构，与对应注入路流量计连锁，达到控制流量的目的。

电动调节型球阀的优点是准确限流且产生的压力降小，可保证下游气体压力稳定，使用寿命长，必要时可作为截断阀门使用。

② 混合器

试验平台混合器采用静态混合器。

③ 掺氢比例检测

试验平台设置气体组成分析仪表检测掺氢比例。掺氢比例测定方法一般有色谱法、红外光谱法、热导法等。试验平台采用基于热导法的热导分析仪检测掺氢比例。热导分析仪基于不同气体具有不同的热导率，采用敏感元件组成不平衡电桥，其输出信号正比于被测气体含量。

6 试验平台安全保障

6.1 紧急停车系统

紧急停车(ESD)系统命令优先于任何操作方式。在进、出试验平台管路上设置紧急切断阀，在出试验平台管路上设置紧急放空阀。ESD系统可手动或自动触发。无论就地或者通过站控系统操作，ESD控制命令均可直接到达被控设备，并使它们按预定的顺序动作。所有ESD系统的动作将发出闭锁信号，使紧急切断阀在未接到人工复位命令前不能再次启动。

紧急切断阀由电动执行机构驱动，试验平台或上下游管道发生事故时，可关闭紧急切断阀，切断试验平台与上、下游管道的联系。若紧急切断阀关闭，紧急放空阀会自动打开，放空试验平台的氢气和天然气。紧急切断阀和紧急放空阀采用不间断电源供电，以保证厂站断电后阀门仍可操作。

6.2 可燃气体泄漏检测系统

在试验平台设置天然气泄漏探测器和氢气泄漏探测器。当探测器检测到气体泄漏时，报警控制器报警，报警信号上传至站控制系统及调度控制中心。站控制系统显示报警，并与安全仪表系统连锁。

① 天然气泄漏检测

天然气泄漏检测可采用红外点式可燃气体探测器、激光对射可燃气体探测器、云台式激光甲烷探测器等[18]。本试验平台处于室外开放空间，红外点式可燃气体探测器使用效果不佳。激光对射可燃气体探测器受风雨等外界环境和设备沉降影响，易出现漏报或误报。经分析，采用云台式激光甲烷探测器。

② 氢气泄漏检测

试验平台采用超声波气体泄漏探测器对氢气泄漏进行探测。

6.3 火灾自动报警系统

试验平台设置1套火灾自动报警系统。在控制室设置火灾检测仪表，在试验平台设备区设置8台火焰探测器，其中4台接入报警控制器，由报警控制器将火焰探测器检测信号上传至火灾自动报警系统；另外4台作为安全检测设备接入安全仪表系统，由安全仪表系统执行连锁命令。

7 试验平台的拓展性

① 开展更高压力、更高钢材等级管材、更高掺氢比例的试验

试验平台遵循试验压力逐渐增大、最大掺氢比例由25%逐渐增大的原则。前期试验压力2 MPa以下，后期提高到4 MPa；前期测试20钢、L245、L360材质的管材，后期测试高等级钢管材；前期掺氢比例为3%～25%，后期将最大掺氢比例由25%提升至40%。

② 先测试常用设备材料，后测试其他设备材料

试验平台前期测试流量计、球阀、截止阀、止回阀等常用设备材料，后期根据需要测试天然气管道上的其他设备材料。平台预留拓展试验的接口和安装空间，设备材料采用法兰连接，拓展试验时可直接拆卸、安装，避免动火作业。