天然气管道掺氢输送研究现状与分析

天然气管道掺氢输送是实现大规模、远距离和低成本氢气运输的手段之一,但氢气掺入天然气管道给管线运行工况、安全维护等带来了不容忽视的影响,具有一定的安全隐患。为此,围绕国内外天然气管道掺氢输送的技术研究与工程应用现状,讨论了影响天然气管道掺氢安全输送的主要因素,即掺氢引起的天然气物性改变、氢致失效和掺混不均,以及掺氢管道泄漏扩散和燃爆的安全问题。结果表明,天然气掺氢后,对现有管材提出了新要求,需开展相关实验以揭示氢致失效机理,掺氢天然气管道停输后是否发生气体分层与管道是否发生氢致失效密切相关。掺氢天然气管道泄漏扩散及自燃的安全范围、发生燃爆所需的最小掺氢比及燃爆机理尚不明晰,实验研究与实际运营存在差距。针对天然气管道掺氢输送的规范、标准及相关监管政策仍处于发展阶段,需要结合系统的研究数据及实践进一步完善。以上结果明晰了掺氢输送存在的风险,可为大规模掺氢混输的工程推广与实际运营提供参考。

静置工况条件下掺氢天然气浓度分布规律

利用天然气管道进行掺氢输送已成为氢能及天然气输送领域的热点和重点,但当前业界对于掺氢天然气在管道输送和停输静置过程中是否会自发分层一直存在较大争议。为了厘清该问题,以掺氢天然气在管道中静置这一极端工况为例,基于热力学能量最小原理,推导了在重力场作用下掺氢天然气浓度分布数学模型,并采用Peng-Robinson真实气体状态方程对该数学模型进行了求解,最后研究了甲烷—氢气二元组分混合气体在4种典型场景高度和5种掺氢比下氢浓度随高度的分布规律。研究结果表明:(1)在重力影响下管道顶部和底部的氢浓度存在差异,但其受高度差的影响显著,对于米级的水平管道、几十米级的一般城镇楼宇天然气立管、百米级的高层楼宇天然气立管,氢浓度随高度变化的差异微小,可完全忽略氢分层;(2)对于千米级大落差的掺氢天然气管道,当掺氢比不超过20%时,氢分层仍可忽略,但当掺氢比很高时(例如50%)管道顶部和底部的氢浓度差将超过1%,此时需考虑工程实际情况评估能否忽略氢分层;(3)西气东输某管道考虑真实气体组成、掺氢比20%、管道落差200 m时,各气体组分的浓度随落差高度的分布规律揭示了在实际工程中此类落差高度的掺氢天然气氢分层可忽略。结论认为,对于掺混均匀的掺氢天然气在静置这种最容易发生分层的极端工况下,如果不存在千米级极端大落差和极端大掺氢比,掺氢天然气管道分层现象可完全忽略;该认识从理论上厘清了目前关于掺氢天然气分层现象的争议,对掺氢天然气管道安全输送具有重要指导意义。

考虑碳交易机制与氢混天然气的园区综合能源系统调度策略

综合能源系统有利于实现多能互济、能源高效利用。以含电、热、冷、氢负荷的园区综合能源系统为研究对象,分析了可再生能源制氢系统及掺氢燃气轮机运行中多种能源的耦合及梯级利用特性,考虑了掺氢比对燃气轮机效率以及热电比的影响,以系统运行成本最小为目标函数,建立了阶梯式碳交易机制下的园区综合能源系统优化调度模型。采用分段线性化和大M法将包含多个0–1变量和连续变量的非线性模型转化为混合整数规划模型,并调用Cplex求解器实现快速求解。算例分析表明,所提调度策略可有效提高园区能源系统运行经济性,合理调控燃气轮机掺氢比有利于降低园区系统的碳排放。

掺氢天然气管路结构对超声波流量计适应性计算流体力学仿真研究

氢气是实现降低温室气体排放的潜在能源载体。氢气输送是阻碍氢能大规模应用的薄弱环节。而掺氢天然气管路是实现氢气大规模、长距离、低成本输送的高效途径。但氢气掺入天然气会导致流速,压力等参数发生变化,影响超声波流量计的性能。因此,研究氢气和天然气的掺混过程及超声波流量计的适应性是很有必要的。构建T型管、单螺旋管、单螺旋+前收缩管掺混管路的三维模型,使用计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)方法分析管路结构和掺氢比对流场氢气浓度和混合气体速度分布规律的影响。结果表明:5%掺氢体积比时C型掺混管路为最佳模型,掺混均匀时的氢气摩尔分数约为4.92%。通过分析超声波流量计的适应性,进而推荐具体安装位置。研究成果为超声波流量计在掺氢天然气精确计量方面提供了参考。

城镇终端天然气掺氢燃烧技术现状及展望

天然气掺氢是降低城镇终端燃具碳排放的有效途径之一,对于实现“双碳”目标具有重要意义。掺氢天然气在民用燃具领域具有巨大应用潜力,为加快城镇终端掺氢天然气利用的进程,分别从燃气互换性理论、应用实验及数值模拟等方面开展研究,阐述了天然气掺氢燃烧的可行性,探讨了掺氢对燃气灶及热水器燃烧性能、热效率以及污染物排放的影响,对比了天然气燃烧反应机理的特点和适用范围。最后结合我国城镇天然气的相关标准、掺氢安全性及经济性等方面,指出了限制城镇终端天然气掺氢燃烧技术应用的主要因素以及未来发展趋势。研究结果表明:①天然气与氢气互换性主要受燃气组分和互换性指标的影响,天然气适宜的掺氢范围为0~20%;②掺氢能够显著降低天然气的碳排放,但燃具的热效率、氮氧化物排放以及适应性仍需进一步深入研究;③需要进一步采用量子化学、机器学习等先进手段探究天然气掺氢数值模拟的燃烧反应机理。结论认为,随着天然气掺氢管道的建设和发展,掺氢天然气在终端利用领域将展现出巨大潜力,与此同时掺氢天然气在终端实际应用中仍面临着诸多限制和技术挑战,天然气掺氢燃烧技术研究现状的系统梳理对推动氢能的安全高效应用具有重要现实意义,同时也为天然气掺氢燃烧技术的发展提供了研究思路和攻关方向。

掺氢天然气管网数值仿真轻量化算法

目前针对管网数值仿真算法的优化主要集中在代数方程组的求解上。针对管网流动数值仿真算法提升计算效率方案中缺少针对封闭关系与状态方程的优化,分析了目前优化方案各模块的耗时情况,发现了仿真程序中耗时模块为封闭关系与状态方程求解。最后,结合计算机库函数的缺点以及现代CPU中SIMD (Single Instruction Multiple Data)模型的特点,提出了针对封闭关系与状态方程的轻量化算法,并验证了算法的高效性。研究结果表明:(1)封闭关系与状态方程模型中的耗时原因为直接调用库函数的次幂运算、指数运算、对数运算以及除法运算;(2)由于次幂运算效率远低于其他运算,通过变换消除了模型中几乎所有的次幂运算;(3)利用SIMD指令来计算指数运算与对数运算,实现了在单核CPU上同时计算多个数据的指数与对数,最后通过数学变换将所有除法转换为乘法;(4)轻量化算法加速效果显著,其整体加速比为18,而在状态方程求解模块的加速比更是高达70以上。结论认为,该轻量化算法在不影响计算精度的条件下提高了计算速度,对于提高掺氢天然气管网在线仿真与智能管网的建设具有重要的理论价值和技术支撑。

开敞空间掺氢天然气爆燃特性影响因素研究

为加深对开放空间内低掺氢比天然气爆燃特性的了解,在当量比1.1条件下,对不同掺氢比下掺氢甲烷混合气进行试验研究,分析掺氢比例、湍流扰动对火焰形态、火焰传播速度和爆燃超压的影响。研究结果表明:掺氢比例对反应有单向促进作用,随着掺氢比例的提高,掺氢天然气的火焰形态变化明显,火焰传播速度增大,爆燃超压峰值加速上升,爆燃冲击波传播能力增强;初始湍流则对反应起到促进和抑制的双向作用;开放空间掺氢天然气爆燃超压峰值与最大火焰速度存在的正比例线型关系,可借助拟合公式通过最大火焰速度估算爆燃超压峰值。研究结果可为低掺氢比掺氢天然气管线落地应用提供理论支撑。

基于SOFC/GT和掺氢天然气的综合能源系统性能研究及经济性分析

提出了一种以固体氧化物燃料电池(SOFC)/燃气轮机(GT)为原动机,以掺氢天然气为燃料的综合能源系统。建立了风光发电和制氢设备、SOFC/GT系统、冷热电能源转换和存储设备、碳捕集设备等多种类型能源利用设备的数学模型,在考虑多种负荷平衡约束、设备运行约束和“双碳”目标约束的情况下研究了综合能源系统的性能与经济性。结果表明:随着燃料掺氢比的增加,SOFC/GT系统发电效率从60.36%增加到64.79%,综合能源利用率从87.80%增加到90.80%;系统使用可再生能源制氢时,碳排放量最低,尽管考虑了碳交易收益,但高昂的制氢成本导致系统运行成本最高。

天然气掺氢对站场放空系统的影响规律分析

为了掌握天然气掺氢后对站场放空系统的影响规律,利用ASPEN HYSYS流程模拟软件,分析天然气掺氢后放空系统的适应性。结果表明:天然气掺氢后安全阀额定泄放量始终大于所需泄放量,原安全阀能满足泄放要求;天然气掺氢不会导致放空系统运行温度超出设计范围,反而对放空管道的低温工况有明显的抑制作用;天然气掺氢会使安全阀背压轻微减小,不会导致安全阀背压及放空系统运行压力超压;天然气掺氢后放空系统管径均满足泄放要求;随着掺氢比例的提高,放空火炬的辐射热距离逐渐减小。

掺氢天然气非预混燃烧特性实验研究

以天然气掺氢技术为背景,构建一种非预混钝体同轴燃烧器及实验系统,测试了掺氢天然气(主要成分CH4)在不同燃料流速、掺氢比及当量比的火焰结构和污染物排放浓度,并考察了内构件对燃烧性能的影响。结果表明,掺氢后火焰高度降低,CO排放浓度降低,但NO_(x)排放浓度增加。当掺氢比达到80%时,与纯CH4相较,CO排放浓度降低93.5%,NO_(x)排放浓度增加1倍左右。随着燃料流速增加,火焰逐渐变长变宽,CO与NO_(x)排放浓度均增加;当量比<0.7时,随着当量比增加,燃烧室热损失降低,平均温度升高,CO排放浓度降低,而NO_(x)排放浓度增加;不同内构件的掺氢CH4燃烧性能差异较大,钝体—旋流内构件不仅可以降低51.9%的NO_(x)排放浓度,还可以增强燃烧的均匀程度及稳定性。研究结果对同轴燃烧器的设计、优化和应用具有参考意义,有助于推动天然气掺氢技术的发展。

甲烷掺混氢气的燃烧特性试验研究

通过在定容燃烧室内研究不同的初始温度、初始压力、燃空当量比、掺氢比下甲烷—氢气—空气混合气的燃烧压力变化规律,得到了上述条件对混合气最大燃烧压力、最大压力升高率、火焰发展期、燃烧持续期以及最大燃烧压力循环变动的影响。研究结果表明:其他初始条件不变时,甲烷—氢气—空气混合气在高温低压时火焰传播的更快;随着甲烷中掺氢比增加,混合气的燃烧速率和最大燃烧压力均逐渐增大,最大燃烧压力出现的时刻提前,最大燃烧压力的变动系数明显降低。

不同掺氢比天然气发动机的燃烧排放特性

在电控喷射、火花点火的增压发动机上进行了掺氢比（氢气占混合气的体积分数）为0-50%HCNG混合气的固定工况试验,又通过改变点火提前角和当量空燃比,找出不同掺氢比混合燃料的最佳点火提前角和稀燃极限。试验结果表明：HCNG发动机最佳点火提前角随掺氢比的增加而减小,指示热效率则随掺氢比的增加而增加;稀燃极限随掺氢比的增加而增加;燃烧持续期随掺氢比的增加而减少,着火延迟期随掺氢比的增加而减少;随着掺氢比的增加,NOx和CO排放量升高,CH4排放量降低。

掺氢天然气输送管道设计动态模拟

掺氢天然气管道输送供应可靠,可以实现氢气的低成本大规模远距离输送,但由于天然气与氢气在物理化学性质方面存在着差异,向天然气中掺氢输送将对输气系统的设备与管道运行状态等造成很大影响。为了明确掺氢对天然气管道输量、压力以及储气调峰等的影响,建立了掺氢天然气管道动态仿真模型。研究结果表明:①掺氢使压缩机稳定运行范围变窄,入口体积流量的降低将增大压缩机发生喘振的可能性;②以川气东送为例,若考虑管道输气系统的输量、压力与热值供应需求,天然气掺氢比不宜超过12%;③当管道发生小孔泄漏时,较之于纯天然气输送,流量随掺氢比增加而增加但压力变化可忽略不计,同时掺氢30%时管道泄漏抢修时间约缩短93%,对泄漏后应急响应提出了挑战;④为了保证终端用户热值供应的稳定性,管道供气量随掺氢比增加而增加,但同时会造成终点压力降低从而降低管道储气调峰能力。结论认为,该动态模拟结果为掺氢天然气管道设计校核提供了理论参考依据,对于推动掺氢天然气大规模应用具有重要作用。

天然气掺氢发动机燃气供给系统设计与试验研究

提出了将滑动弧电解制氢装置应用到天然气发动机中,通过电解天然气制氢,轻松实现天然气(CNG)发动机到天然气掺氢(HCNG)发动机的改装。通过自制装置,进行了过量空气系数和点火提前角与燃用不同掺氢比例的HCNG对发动机排放特性影响的试验研究。结果表明,发动机燃用HCNG,其HC和CO的排放都减少,NOx排放量增加,但随着过量空气系数的增加或点火提前角的减少,NOx排放会大大减少,排放性能得到优化。同时进行了体积掺氢比20%的HCNG和纯CNG外特性对比试验研究,结果表明,相比纯CNG,燃用掺氢20%HCNG后,其动力性变化不大,燃料消耗率却相应的减少,经济性得到改善。

天然气掺氢比对终端用气设备使用性能的影响

向天然气中掺混氢气会改变其燃烧特性。以中国东部某沿海城市天然气管网典型气质为样本,研究了掺氢比(氢气体积分数)不超过10%时,供应终端的可行性,并开展了火焰稳定性、火焰传播速度及热值测试。结果表明,当样本气掺氢比为10%时,仍满足12T基准天然气华白数和燃烧势燃气互换性要求,对用气设备功率的影响可以忽略;当掺氢比不超过10%时,火焰稳定性、火焰传播速度及热值等波动较小,用气设备可以正常使用掺氢天然气。

基于FLUENT模拟的储罐掺氢装置掺混过程及掺氢比对管道运行参数影响研究

由于天然气与氢气的物性差异,氢气掺入天然气管网后会改变管线内气体物性条件,掺混均匀程度以及掺氢比均会对管道、设备的性能带来不同程度的影响。储罐是输气管线中最常见的组件,本文以储罐为基础提出了单管分级掺氢、多管多汇单次掺氢两种掺氢方案,并采用FLUENT软件建立储罐模型进行动态掺混仿真,结果表明单管分级掺混方案相较于多管多汇单次掺混方案能取得更好的掺混效果。为了探究不同掺氢比气体通过单管单汇方案储罐和以上两种掺氢方案对管道运行的影响,本文采用HYSYS软件分别建立对应工艺流程模型进行工艺模拟,结果表明,三种方案的储罐内压力排序为:多管多汇单次掺氢>单管单汇储罐>单管分级掺氢;此外,随掺氢比增加,管道压力和温度增大,而压降、温降减小。总体而言,本文提出的基于储罐的掺氢方案具有结构简单、加工方便、成本低、掺混效果和掺氢比适应性相对较好等优点,此外不同掺氢比下HYSYS工艺模拟结果对于掺氢管线的运行分析也有参考意义。

掺氢比对微波瓣燃烧器燃烧特性的影响

为解决微尺度非预混燃烧中燃料同氧化剂混合慢、燃烧不稳定的问题,基于实验的方法研究了燃料掺氢以及微波瓣燃烧器对燃烧的影响,并将微波瓣燃烧器的燃烧温度同微圆管燃烧器进行了对比。在此基础上建立了微波瓣燃烧器以及微圆管燃烧器的三维仿真模型,研究了掺氢比对微波瓣燃烧器和微圆管燃烧器流场、火焰长度、燃料消耗率、燃烧产物以及燃烧温度的影响。研究结果表明:随着掺氢比的增加,微波瓣燃烧器中流向涡涡量以及射流核心速度不断提高,火焰长度、燃烧温度不断增加,OH,H2O质量分数的峰值逐渐增加,CO2质量分数的峰值不断下降,CO质量分数峰值变化极小。在同一掺氢比下,相比于微圆管燃烧器,微波瓣燃烧器能够使燃料同氧化剂提前反应且具备更长的火焰、更大的OH质量分数峰值以及更高的燃烧效率和燃烧温度。在掺氢比为50%时,微波瓣燃烧器的最高燃烧温度较微圆管燃烧器提高了110K。这表明微波瓣燃烧器和燃料掺氢的结合能促进微尺度燃烧,提高燃烧的稳定性。

基于气缸压力的天然气掺氢发动机最佳点火提前角的研究

由净压力2次导数最大值所在曲轴转角是否在上止点可以判断发动机是否处于最佳点火提前角下工作,通过与由发动机输出扭矩确定的最佳点火提前角相比较,证明净压力2次导数最大值方法可以精确地确定天然气掺氢发动机的最佳点火提前角。在其他条件不变的前提下,随着掺氢比的增加,应该推迟最佳点火提前角。

甲烷-氢气-空气预混合气燃烧特性研究

在定容燃烧弹内进行了甲烷-氢气-空气混合气燃烧试验,采集燃烧压力数据和火焰扩散图片,讨论不同的初始温度、初始压力、燃空当量比、掺氢比对甲烷-氢气-空气混合气的最大燃烧压力、最大压力升高率、燃烧速率和燃烧稳定性的影响.结果表明:混合气在较高初始温度和较低初始压力下,燃烧速率相对较大;随着混合气中氢气比例增加,最大燃烧压力值增大,其出现时刻提前,火焰半径明显增大且出现褶皱,火焰传播稳定性降低.

掺氢天然气环境下管道钢氢脆行为研究进展

为推动我国掺氢天然气管道的发展,综述了目前含氢气环境下管道钢氢脆的研究成果,总结了温度、压力、掺氢比等运行条件对钢材氢脆的影响,分析了钢材强度、微观组织、氢陷阱等材料性质与管道钢氢脆行为之间的联系,归纳了预防和抑制管道钢氢脆行为的方法。笔者认为,当前亟待解决的科学技术问题包括进一步探究掺氢天然气管道环境下不同运行条件对管道钢氢脆行为的影响规律;确定掺氢天然气管道的安全运行温度、压力、掺氢比等关键参数;建立不同服役条件下掺氢天然气管道输送的安全评价方法,完善掺氢天然气管道与现役管道相容性评价体系;形成掺氢天然气管道的设计规范和相关标准;开展气体抑制剂和阻氢涂层等抗氢脆方法的评价。