家庭厨房内不同比例混氢天然气泄漏扩散研究

为探究不同比例混氢天然气在家庭厨房内泄漏后的扩散特性,采用FLACS构建家庭厨房数值模型,研究不同比例混氢天然气泄漏后在水平(泄漏口侧到远离泄漏口侧)和垂直方向上的浓度分布,对比自由扩散和对流通风对气体扩散的影响。研究结果表明:距泄漏口上方1.15 m高度以下,高度、时间及混氢比对水平方向上气体体积分数的降幅影响较小;泄漏口侧和远离泄漏口侧垂直方向上具有不同层级的分层现象,且随混氢比和时间的增大,分层现象减弱;混氢比从0%增加到40.0%时,报警时间降幅比仅为1.42%;相较自由扩散,对流通风能快速排出可燃气体,降低风险。研究结果可为城镇燃气混氢应用提供参考。

考虑阶梯式碳交易机制的混氢天然气综合能源系统低碳经济运行

氢能是实现“双碳”目标的重要能源载体,碳捕集技术是能源行业减排的重要技术手段.将氢气、天然气掺混形成混氢天然气,可以实现氢能的有效输运与利用,同时应用碳捕集技术对火电机组进行改造,有助于推动可再生能源的大规模消纳并降低碳排放水平.在此背景下,建立制氢设备和燃料电池的精细模型,针对系统碳排放问题,建立碳捕集火电机组的碳排放、出力模型以及掺氢热电联产的数学模型,并引入阶梯式碳交易机制控制碳排放.基于此,以购能成本、碳排放成本、弃风成本和碳封存成本之和最低为目标,计及管网掺氢比、碳捕集等约束,建立混氢天然气综合能源系统优化调度模型,采用粒子群算法结合CPLEX求解.通过不同场景对所构建的模型进行分析,验证调度模型在推进低碳经济发展方面的优势.

电-氢-混氢天然气耦合的城市综合能源系统低碳优化调度

混氢天然气(HCNG)技术可有效解决大规模电制氢面临的纯氢运输成本高的问题。针对大规模风光消纳与城市综合能源系统(UIES)低碳优化调度问题,在源-网-荷-氢协同优化框架下,提出考虑电-氢-HCNG耦合与需求响应的UIES低碳优化调度方法。对电-氢-HCNG耦合单元运行特性进行建模,并引入用户单元需求响应机制,以系统运行成本最小为目标,建立UIES低碳优化调度模型。通过算例分析对所提模型进行验证,结果表明电-氢-HCNG耦合单元与用户单元需求响应机制的引入能够有效促进风光消纳,提高UIES低碳性。

考虑混氢天然气的综合能源系统低碳经济调度

提出考虑混氢天然气的电-气综合能源系统低碳经济调度策略,协同调度P2G设备中电制H2和电制CH4 2种电-气转换过程,以混氢天燃气(hydrogen enriched compressed natural gas,HCNG)的形式满足终端燃气需求,以改善系统的运行性能。经改进的IEEE 14节点电力网和比利时20节点天然气网耦合系统进行验证,结果表明,所提IEGS调度策略可在提高风电转换效率、实现碳减排的同时,保障用气需求,提升系统运行的经济性。

混氢天然气对流量计安装条件的适应性分析

目的 将氢气混入天然气中后会改变流体的性质和流动状态,从而影响流量计的计量准确度,采用ANSYS Fluent模拟弯头后混氢天然气的速度分布,分析现行的孔板流量计和超声流量计安装条件标准是否适用于混氢天然气管道。方法 模拟单90°弯头和双90°弯头后混氢天然气的速度场,分析现行标准中规定的流量计安装位置是否能使混氢天然气速度达到对称分布,从而说明是否需要延长现行标准中规定的弯头后流量计安装位置前直管段长度。结果 (1)在单90°弯头后44D和50D截面处,掺氢量(摩尔分数,下同)为10%~30%时,气体流速未恢复到对称速度分布;(2)在双90°弯头后44D截面和50D截面处,掺氢量为10%时,气体流速已恢复到对称速度分布,掺氢量为20%~30%时的流速未恢复到对称速度分布;(3)在双90°弯头后30D截面处,掺氢量为10%时的流速未恢复到对称速度分布。结论 (1)对于混氢天然气,应适当延长现行标准中规定的单弯头后流量计前直管段长度;(2)当掺氢量达到20%~30%时,应适当延长双弯头后流量计前直管段长度;(3)当掺氢量达到10%且孔板孔径比减小时,应适当延长孔板流量计前直管段长度。

典型有限空间内混氢天然气泄漏燃爆演化规律研究

为探究混氢天然气在有限空间内泄漏燃爆的演化规律,采用FLACS建立27 m^(3)立方体开口容器,分析混氢比(HBR)、点火位置、泄漏口尺寸、体积阻塞率对有限空间内混氢天然气燃爆内外压力的影响。研究结果表明:随HBR增加,容器内部压力峰值逐渐增大,外部压力在40%混氢比以上时,开始出现二次超压;中部点火导致内部压力峰值最大,前部点火导致容器外部压力峰值最大;随泄漏口尺寸减小,容器内部压力峰值逐渐增大;外部压力曲线中泄漏口宽度固定为1.2 m,长度为2 m和0.5 m时,长度为1 m和1.5 m时峰值及趋势相近;随体积阻塞率增加,容器内部压力峰值逐渐减小,8%体积阻塞率的压力峰值较4%下降明显,由166 kPa下降到87 kPa。研究结果可为城镇终端用户燃气掺氢应用提供参考。

混氢天然气管道放空自燃过程数值模拟分析

天然气掺氢输送是实现大规模、远距离氢能转运的主要手段之一,但混氢天然气在放空过程中存在爆轰或爆燃的风险,对放空管壁施加的超压过大还会造成管壁破裂。因此,亟需明晰混氢天然气放空自燃与流场演化过程,进而量化放空管壁的一次超压。为此,利用计算流体力学方法数值模拟了混氢天然气管道放空自燃过程,对比分析了不同掺氢浓度条件下对自燃及压力波传播的影响规律,揭示了混氢天然气在阀门通道和放空管中的爆燃机制。研究结果表明:①高压气体在阀门通道内以压力波形式传播并不断地碰撞反射与叠加,形成马赫环结构,加热气体使温度升至自燃点,并触发自燃;②在阀门通道和放空管内均出现了爆燃现象,但压力波在放空管内能量迅速衰减,一段距离后温度大幅降低,气体不再燃烧;③掺氢比越大,压力波传递速度越快,自燃触发的时间越短,对放空管壁产生的一次超压也越大。结论认为,在确定的泄放压力与阀门开度工况下,降低掺氢浓度可有效减轻爆燃风险和减小壁面超压,实际工程中需结合输送经济成本和安全风险控制掺氢量在合理的浓度范围。混氢天然气管道放空自燃过程数值模拟分析取得的新认识有助于指导掺氢天然气管道的安全运行,将助力于绿色氢能的大规模混合输运。

考虑阶梯碳交易机制的含混氢天然气综合能源系统容量配置

针对综合能源系统的低碳排放要求与负荷需求特点,提出一种考虑阶梯碳交易机制和混氢天然气的综合能源容量配置方法。首先,为缓解风光能源出力波动性建立以氢气储能为媒介的氢能系统,再考虑氢能对天然气的替代作用,创建由氢储能与液化天然气构造混氢天然气的综合能源系统架构;然后,引入阶梯碳交易机制约束系统碳排放;最后,以包含运行成本和年化投资成本的年投资总成本为目标函数,进行容量配置优化。算例仿真结果验证了所提模型和策略能有效降低碳排放和年投资总成本,对综合能源配置具有重要参考价值。

混氢天然气燃烧特性及灭火剂抑制研究

利用Chemkin-Pro对混氢天然气层流预混火焰速度进行数值模拟研究,从化学动力学的角度讨论混氢比对混氢天然气层流预混火焰速度的影响,结果表明,FFCM1.0机理能够较准确的预测混氢天然气层流预混火焰速度;随着混氢比的增加,混氢天然气的层流预混火焰速度逐渐升高,在混氢比大于60%时,火焰速度增幅更显著。对三氟甲烷(HFC-23)、五氟乙烷(HFC-125)、七氟丙烷(HFC-227ea)三种灭火剂抑制层流火焰速度的能力进行研究分析,发现HFC-227ea对层流火焰速度具有更好的抑制效果,进一步研究了HFC-227ea对层流火焰速度的影响。结论表明:在未观察到不良反应浓度范围内,HFC-227ea浓度越高,层流火焰速度越低;燃烧当量比在1.5左右,该灭火剂对层流火焰速度有增强的效果。

混氢天然气输氢技术研究进展

混氢天然气输氢技术是近年发达国家提出的氢气输送新方案。该技术利用现有的天然气管道设施,避免庞大的输氢管网建设投资,可望解决氢气规模化运输的难题。本文对混氢天然气技术的概念及其特点和关键技术问题进行介绍,并对相关技术包括氢气制备、管道改造、氢气分离、混氢天然气的使用进行综述。最后,对混氢天然气输氢的前景进行展望,并总结混氢天然气输氢需要解决的相关问题。

天然气管道输送混氢天然气的可行性

将氢以一定比例掺入天然气作为家用燃料使用,被认为是减少温室气体排放的途径之一,而利用现有发达的天然气管网输送混氢天然气(HCNG)至终端用户则被视为可行的方法;但由于氢气与天然气在物理化学性质方面存在着差异,HCNG有可能对燃气终端用户以及管道输送工况造成较大的影响。鉴于我国目前尚未出台HCNG作为燃料及其输送的相关标准,为此采用德尔布指数法、韦弗指数法、高沃泊指数与高热值法分别对天然气在不同混氢比下的燃气互换性和燃烧特性进行了评估分析,同时基于HYSYS软件和相似原理建立管道模型,分析了氢气的混入对天然气管道和压缩机运行工况的影响。研究结果表明:①随着混合气体中氢气体积分数的增加,燃具的热负荷下降,燃气的火焰传播速度急剧增大,燃具发生回火的风险增大,并以此确定对于天然气管道供应系统来说混氢天然气的最大混氢体积比不应超过27%;②氢气的混入虽然能提高管道的输气能力,但当管网和压缩机联合运行时其平衡工作点对应的压力和流量都将减小,反而会降低管道的输气能力。结论认为,该成果为天然气管道输送混氢天然气的可行性研究提供了基础数据。

混氢天然气输气站场泄漏扩散数值模拟

将氢气混入天然气管网是目前世界上实现氢气大规模输送的最有效方式。氢气爆炸极限为4.0%~75.6%,上下限范围宽,且分子直径比甲烷小,极易泄漏,给输气站场带来很大隐患。针对多组分物系混氢天然气的泄漏,基于修正的二元扩散系数及热力学因子计算方法,计算了混氢天然气三物系Fick扩散系数矩阵,用来描述混氢天然气中各组分分子间相互运动的传质过程,以FLUENT为平台进行了CFD数值模拟分析,研究发现,混氢天然气泄漏后其扩散受到障碍物及风速等因素的影响;同体积混氢天然气与不含氢天然气泄漏,混氢天然气爆炸下限扩散半径更小;较低含氢量的混氢天然气泄漏后氢气组分爆炸区域仅限于泄漏点附近。研究结果可为站场内发生混氢天然气泄漏扩散提供预警和防护指导。

“碳达峰、碳中和”目标下混氢天然气技术应用前景分析

氢能是我国实现“2030年前碳达峰,2060年前碳中和”的重要能源载体,基础设施发展动力不足是制约其大规模发展的重要因素。将氢气与天然气掺混形成混氢天然气(hydrogen enriched compressed natural gas,HCNG),并注入全国天然气管网,能够实现氢能的跨省区输运和利用,从而有效促进可再生能源的大规模消纳,助力“双碳”目标的早日实现。为此,该文全面探究混氢天然气技术在我国的应用前景。首先,从多角度评估氢能在我国碳减排进程中的发展潜力,并针对混氢天然气供应链的关键环节开展技术经济分析;随后,展望混氢天然气在我国能源系统的中长期发展路径;最后,阐述混氢天然气技术发展过程中一系列待研究的关键问题。

混氢天然气管道超声波流量计适应性研究

由于氢气和天然气物性存在较大的差异,将氢气混入天然气管道中会改变管道内气体气质和流体流动状态,影响超声波流量计计量精度。为分析氢气混入到天然气管网中对超声波流量计计量精度影响,根据超声波流量计工作原理,考虑混入氢气后声道上气体声速及流速变化,采用微积分思想建立超声波流量计算模型。利用FLUENT软件模拟计算,分析氢气和天然气混合规律,通过计量误差分析,评价混入氢气后对超声波流量计计量精度的影响。根据仿真结果,超声波流量计不适用于非均匀混合气体的计量;利用氢气和甲烷密度差异,将氢气从管道底部注入可以减短混合距离管段,并给予推荐安装位置,为计量的准确性提供参考。

混氢天然气管道安全设计要点探讨

H2作为新能源重要发展方向之一,与传统化石燃料相比,具有热值高、产物不污染环境、来源广泛、可再生的显著优势,被称为未来的清洁能源,将成为人类未来解决日益严峻的能源和环境问题的一条新途径。H2运输是氢能利用的重要环节,采用可靠的管道输送方式连接H 2气源与目标用户,是优化能源消耗、推动氢能利用的关键。相比于高纯氢管道,混氢天然气管道具有资源调配灵活、资源利用率高的特点,可供上游H2产品掺混进入天然气管道,实现同管远程输送,这将是未来较为热门的H2资源运输和利用途径。H2作为量子气体,难压缩、难混合、难保存,同时H2易泄漏,且爆炸极限宽(4%~75%),掺入天然气后,介质特性更复杂,必须重点关注其安全设计问题。基于H2物理特性,结合混氢天然气存在的问题分析,对比常规天然气管道安全设计问题,深入剖析混氢天然气管道的安全设计要点,以期进一步揭示相关规律。研究结果表明:设备与管道停运后混氢天然气将出现较明显的组分分层现象;混氢天然气管道放空设计需避免介质自燃问题;混氢天然气管道安全设计尚需开展大量工作。研究成果可为混氢天然气管道安全设计提供相关参考。

混氢天然气管道标准孔板流量计适应性研究

目的将氢气掺入天然气管道中会改变管道内气体的性质和流动状态,可能会影响标准孔板流量计计量准确度,采用ANSYSY Fluent对混氢天然气管道标准孔板流量计进行适应性研究。方法比较了不同混氢量的天然气对流出系数、可膨胀系数、相对密度系数、超压缩系数、流速及差压的影响。结果在303.15 K、3 MPa,混氢量为0%~30%的条件下,随着混氢量的增加,会导致差压上升;导致相对密度系数、可膨胀系数和超压缩系数下降;导致流速上升,使测量流量增加。结论由于氢气的发热量低于天然气,因此,针对混氢天然气,建议采用能量计量。混氢天然气不会对标准孔板流量计准确度产生较大影响。

混氢天然气燃气互换性研究

混氢天然气具有燃烧速度快,能够降低碳排放等技术优势。通过分析混氢天然气性质的变化,合理确定天然气掺混氢气的比例,以适应终端用户燃具。

混氢天然气管道输送技术及难点研究

混氢天然气管道输送可解决氢气远距离、大规模输送的难题,但是其中涉及到诸多的安全、材料适应性、渗漏与聚集等问题,需要不断研究和突破。攻克混氢天然气管道输送关键技术及难点、完善技术标准规范,有助于混氢天然气管道输送的产业化应用,从而扩大氢的规模化利用。

考虑天然气混氢的园区综合能源系统电制氢优化配置

电制氢(power to hydrogen,P2H)和天然气混氢技术在促进可再生能源消纳、降低系统碳排放量方面具有良好的理论研究和工程应用前景。面向含高比例可再生能源的园区综合能源系统,提出一种计及天然气混氢及跨季节存储的P2H优化配置方法。首先梳理了含氢园区综合能源系统的运行框架和能量流动关系,建立园区内部能源生产、转换与存储设备的数学模型;然后以设备的年化投资成本、园区综合能源系统的年度运行成本和碳交易成本最优为目标,提出P2H优化配置模型;最后通过算例分析验证文中所提模型的有效性,并比较了电解槽投资成本、混氢体积分数上限以及经济性和低碳性成本权重系数变化对规划运行结果的影响。算例结果表明文中所提模型可有效提升可再生能源消纳能力,降低系统整体经济成本和碳排放量。

计及氢气-天然气混输的气电综合能源系统动态最优能流计算

利用可再生能源电解水制氢并注入天然气管道进行跨区域输运和利用,能够有效改善“三弃”现象,助力能源系统低碳转型。然而,氢气与天然气物化性质存在较大差异,掺氢后气网各管道、节点气质不均一,压力、流量等运行工况发生显著变化。该文建立了含掺氢环节的气电综合能源系统动态最优能流模型,重点推导了计及分布参数效应的混氢天然气动态潮流方程,反映节点处氢气质量分数与气体流速的定量关系和传输网络中各管道气质差异,揭示掺氢后气网动态过程的关键特征。同时,为降低优化问题求解难度,将模型中难以处理的双线性项等价重构为具有物理意义的新变量,并采用低掺氢比假设等简化方法进一步消除模型非线性,从而将非凸非线性问题转换为线性规划问题。该模型在反映异质气体注入对系统能流分布的影响的同时能够适应大规模优化问题的求解要求。最后通过仿真算例验证了所提模型的合理性和有效性。