关于天然气掺氢管道安全及保护研究

本文对天然气掺氢管道安全及保护进行了研究。通过对天然气掺氢管道进行实时的现场实验,以获取天然气掺氢管道安全及保护的第一手数据。发现掺氢天然气在低温下更易冷凝,需采取有效的冷凝防止措施,掺氢比例对管道压力影响显著,需根据实际情况调整掺氢比例以保持管道安全运行。针对性地提出了基于大数据的管道保护策略优化方法,能够根据历史数据自动调整保护策略,创新了氢气检测技术,提高了检测的准确性和效率。为天然气掺氢管道的设计、施工、运行和维护提供了科学的指导,有助于提高管道的安全性和稳定性。

X52M掺氢管道用钢的研究与应用

为解决氢能规模化、低成本、长距离运输“卡脖子”难题,设计研发出X52M掺氢管道用热轧钢带,并实现工程应用。X52M掺氢管道用钢采用低C、低Mn加Nb、Ti合金化设计,极低P、S含量控制,采用高洁净度冶炼以及合理的控轧控冷工艺,钢带综合性能优良,且具有良好的低温韧性和抗氢脆性能。钢带尺寸精度高,表面质量好,制管后管体和焊缝的性能均符合要求,满足钢管使用要求。应用于西部天然气包头—临河输气管道,实现国内首条掺氢螺旋埋弧焊管管道工程应用。

掺氢天然气管道氢损伤管外漏磁检测机构设计

掺氢天然气管道受氢损伤等因素影响,容易产生缺陷进而导致管道失效,因此需要定期对掺氢管道进行检查。通过对掺氢管道的主要缺陷产生机制和缺陷特征进行分析,得到主要的缺陷形式,设计一种针对掺氢管道氢损伤的管外漏磁检测机构对管道进行缺陷检测,利用Maxwell进行漏磁检测仿真模拟,采用响应面法建立检测探头各参数与轴向漏磁曲线峰谷差值、吸附力和成本之间的函数,得到探头的结构参数最优组合。最后搭建实验台,利用单组探头进行单通道的漏磁检测。结果表明:与未优化结构对比,优化后管外缺陷检测效果提高26.2%,管内缺陷检测效果提升11%,探头与管壁吸附力降低56.7%,探头成本降低14%,检测效果得到提升;优化探头不仅能检测到已成型的比较明显的掺氢管道缺陷,也可以在缺陷形成早期管壁损失达到整体壁厚40%时将其检测出来。缺陷检测实验验证了文中设计方案的可行性。

掺氢环境下含腐蚀缺陷X52天然气管道的结构强度失效机理研究

[目的]旨在探究掺氢环境下含腐蚀缺陷管道的结构强度劣化规律。[方法]基于试验数据分析X52钢在不同掺氢比例下的承载性能,采用非线性有限元方法研究X52掺氢天然气管道在不同腐蚀缺陷下的结构强度失效机理。[结果]研究结果表明:掺氢比例增大到50.0%时,管道在组合载荷下达到失效的位移最小为2.58 mm,结构韧性劣化程度较大;掺氢比例为25.0%时,缺陷深度越大,结构失效程度越严重,通过对正方形和圆形缺陷的对比,发现正方形缺陷的最大应力高于圆形缺陷。[结论]基于材料性能构建的含缺陷管道模型能够实现对不同掺氢环境下天然气管道服役状态结构承载力劣化程度的评估,所做研究可为新能源管道设计及健康监测提供工程化建议。

天然气管道掺氢经济性可行性分析

从能量计量、体积计量以及碳税等方面,对天然气管道掺氢进行经济可行性分析。以能量计量时,氢气成本需为天然气成本的28.6%~37.5%;以体积计量时,上游氢气生产成本需低于天然气。当下游用气费用不变,每掺1%氢气,中游售价需下降0.63%~0.72%;当中游利润不变,掺氢比为5%~20%时,氢气成本应低于天然气成本与0.62~0.63倍天然气利润之和;当两者均不变,氢气价格需低于天然气成本价格的37.1%~38.1%。考虑碳税为50~500元/t时,每掺1 m^(3)氢气,价格应再降低0.029~0.300元/m^(3)。

掺氢天然气管道完整性评价技术的进展与挑战

“双碳目标”背景下,我国积极推进掺氢天然气管道发展,本文总结了国内外掺氢天然气管道完整性评价方面的研究进展与挑战,得到主要结论如下。(1)现有金属材料相容性试验结论不明确,亟需制定国际统一的金属材料掺氢相容性试验标准;掺氢后管材、焊缝性能劣化规律不清晰,需系统地开展相关试验,揭示其氢损伤机理。(2)天然气管道非金属密封材料在氢环境中的密封性能及力学性能尚不明确,亟需开展相关试验以探索其性能规律;工程上缺乏高性能的非金属输氢管道,需研发低渗透耐侵蚀的输氢管材。(3)现有无损检测技术对掺氢后天然气管道的适用性研究不足,需改进或研发更高精度的无损检测工具以满足掺氢条件下对缺陷检测精度的要求。(4)掺氢天然气管道缺陷适用性评价方法研究仍处于初级阶段,需要以丰富的试验数据为基础开展耦合考虑氢介质与应力状态的管材微观损伤本构研究,完善掺氢天然气管道缺陷适用性评价方法。本文可为掺氢天然气管道安全保障相关研究提供参考。

基于STAMP模型的掺氢输送放空系统风险分析

随着掺氢运输迅猛发展,原有的放空系统又产生了新的安全隐患和风险因素。为了保障掺氢管道放空作业时设备和人员的安全,本文基于事故分析模型,通过分析掺氢管道的放空流程,确定放空系统失效事故的安全约束条件,建立放空作业控制与反馈模型,识别控制模型中潜在的不安全控制行为,确定不同的不安全控制行为产生的风险及对应的安全约束,对掺氢管道的风险性进行分析研究,提高掺氢管道放空作业的安全性。

基于油气田勘探的电解水制氢及天然气掺氢研究

随着各国石油、天然气需求量的增加,其开发力度也不断提高,在油田、气田开展数量和产量提升为中国带来巨大的经济效益的同时,油气田开采所伴随的污水对于周边环境以及人类的生活造成了巨大的影响。通过在油气田开采区域附近建立分布式和集中式并存的新能源项目,可以解决油气田开采用电和用能情况,同时可以将剩余电力用于电解水制氢,一方面氢能可以用于氢燃料电池,解决采油、采气区域用能需求,另一方面可以用于天然气管道掺氢输送,解决氢能终端使用难题。通过在规模庞大的油气田勘探、运输业务上建立新能源发电和电解水制氢,可以有效推动“3060”碳达峰碳中和目标的实现,加快推动新能源发展和氢能发展,全面提升能源开发利用综合效率,努力构建清洁、高效、安全、经济、可持续的现代能源体系建设。

天然气管道掺氢探讨

氢能以清洁、高效的特点被公认为未来最有潜力的能源载体,而天然气作为最清洁的化石能源正处于蓬勃发展的时期,全球已建和拟建的输送管网数量庞大,因此将H 2掺入现有天然气管网实现储运和利用是近年来国内外研究和测试的热点。通过对全球天然气掺氢研究现状、典型项目案例、技术问题与应用优势等方面的探讨,认为虽然天然气管网掺氢存在一些问题,但仍是现阶段最好的一种高效储运方式和扩大氢能使用范围的路径。应积极推进天然气管道掺氢相关技术研究与攻关。

天然气管道掺氢输送的风险分析

氢气能源在利用过程中没有任何“碳排放”,环保优势突出,未来具有广阔的发展前景。如果利用现有天然气管道进行掺氢输送,是将来大规模利用氢气的一种有效思路,但由于氢气容易导致管材失效,且氢气相比于天然气更容易扩散且爆炸极限更宽,所以管道掺氢输送也面临若干风险。本文从现有管道、介质泄漏及其火灾爆炸风险等几个方面展开分析,探讨现有天然气掺氢输送的可行性。

基于气网-水网协同的多时间尺度氢供应链优化

在现有的基础设施及市场需求量背景下,氢气通过天然气掺氢管道输送为主、移动式储氢输送为辅是较好的选择。建立考虑气体组分与流量变化关系的动态模型,分析混氢天然气输送的动态特性;构建储氢罐的水网航运模型,即各港口之间的内河运输通过船舶实现规模化运氢;提出基于气网-水网协同的多时间尺度滚动优化策略,对不同时间维度下的负荷需求波动进行精细化调度与平抑,同时降低运行成本。仿真算例结果验证了所提模型的有效性和合理性。

掺氢燃气管道完整性管理的关键技术

为了保障掺氢燃气管道的安全运行,维护其在结构与功能上的完整性,亟需建立掺氢燃气管道完整性管理方案。根据掺氢燃气管道的特点,借鉴常规燃气管道完整性管理经验,提出了基于风险的掺氢燃气管道完整性管理的关键技术,主要包括数据采集与整合、重点区域识别、定量风险评价、风险控制措施、效能评价,并指出在各关键技术中需修正的参数权重、评价准则及控制措施,从而预防氢腐蚀、氢脆及氢致开裂等失效形式的发生。基于以上5个关键技术开发了掺氢燃气管道完整性管理数字化系统,以期为掺氢燃气管道的完整性管理提供系统化的解决方案。

氢能在供热领域的研究与分析

我国供热领域面临能源结构调整及严峻的环境污染等问题,氢能作为高效清洁的二次能源,具有燃烧热值高、燃烧产物无污染的特点,每千克氢燃烧后释放的热能,约为等质量汽油的3倍、酒精的3.9倍、焦炭的4.5倍。本文通过分析氢能在各领域利用及其发展概况,归纳现阶段氢能在供热领域的应用实例,以确定其可行性及发展前景。最后,本文从技术可行性,成本及碳排放情况对主流制氢技术进行了详细的分析对比,探讨了近中期和未来我国氢能的发展方向。

掺氢天然气管道泄漏扩散规律及监测探头布设方案

为探究掺氢导致的天然气泄漏行为变化,实现掺氢混合气体泄漏的快速检测,采用Fluent软件建立特定半封闭场所的平面泄漏模型,研究掺氢天然气在不同风速下的扩散情况及不同掺氢体积分数下的动态发展规律。结果表明:风速增大会阻碍掺氢天然气向上扩散,同时加速气体在水平方向的积累,而掺氢体积分数增大会使气体扩散高度降低,且使扩散高度增速减缓。根据相关标准和不同掺氢体积分数天然气扩散达到其爆炸下限所在高度的仿真结果,提出掺氢天然气管道在半封闭空间场景下的可燃气体监测探头布设方案,以确保泄漏发生后能够及时作出应急响应,保障管道安全运行。

掺氢天然气环境CH_(4)对管线钢氢脆的抑制行为

H2在管线钢表面吸附并解离是H原子在钢基体中渗透扩散的前提条件,掺氢天然气管道内H2的存在增加了管道氢脆风险。基于分子动力学模拟与第一性原理计算方法,开展了管线钢表面H2吸附行为研究,得到不同掺氢比例下CH_(4)与H2混合气的竞争吸附规律,明确了管线钢近壁面CH_(4)的存在对H2解离行为的影响机制。研究发现:对于纯气体组分,CH_(4)与H2均具有近壁吸附特性;对于CH_(4)/H2混合组分,CH_(4)具有优先吸附性,显著降低了管线钢表面H2的吸附浓度;通过第一性原理计算方法,发现CH_(4)与H2在管线钢表面的吸附类型不同,CH_(4)的存在不能阻止H2在管线钢表面的化学分解吸附行为,但可以有效降低H2分子出现在管线钢近壁面的概率。研究结果表明:掺氢天然气管道内氢分压无法准确定量反映管线钢表面H2浓度分布,开展相关研究时需考虑气体组分之间的竞争吸附行为。同时,CH_(4)的存在将降低H2出现在管线钢近壁面的概率,在一定程度上可减小氢脆出现的可能。研究成果有助于深入理解掺氢天然气管道的氢脆发生机制。(图9,表3,参33)

掺氢天然气管道典型管线钢氢脆行为

目前,在氢能储运技术中,利用现有天然气管网以掺氢天然气的形式输送氢气最为经济,掺氢天然气输送技术受到国内外研究机构的广泛关注。然而,管线钢在输氢过程中因氢与基体接触,可能发生氢脆现象,导致其力学性能发生劣化,威胁管道的安全运行。以天然气管道典型用钢X52、X80钢为研究对象,通过高压气相氢环境下的原位拉伸实验和断口形貌分析研究其在实际掺氢工况下的力学性能变化规律,分析氢分压对材料屈服强度、抗拉强度、断面收缩率及氢脆指数的影响。结果表明:掺氢天然气随氢分压增大,X52、X80钢的塑性逐渐下降,氢脆程度加剧;与X80钢相比,X52钢更适用于掺氢天然气输送。研究成果可为未来掺氢天然气管道的设计选材与安全运行提供参考。

临氢X80管线钢量化氢压作用的疲劳裂纹扩展模型

随着中国对能源转型及氢能利用发展需求的日渐迫切,X80高强管线钢将面临在氢气环境中运行的风险。对管道而言,其在服役过程中同时存在静载荷和循环载荷,并且循环载荷与氢的交互作用更为复杂,因此评估管线钢临氢性能时要同时考虑拉伸性能和疲劳性能。通过高压氢气环境中的拉伸实验及疲劳裂纹扩展实验,分析了氢对X80钢拉伸及疲劳性能的影响,获得了量化氢压作用的X80管线钢疲劳裂纹扩展模型。结果表明:氢对X80管线钢的拉伸性能无明显影响;氢压越高,疲劳裂纹扩展速率越高,氢压3 MPa时的疲劳裂纹扩展速率为氮气环境中的10倍,氢对X80管线钢的疲劳裂纹扩展影响显著;当X80管线钢处于氢气环境中时,钢材的疲劳性能将成为管道安全设计和完整性评价的关键指标。

城镇燃气行业发展现状与关键前沿技术

在能源革命、新一轮科技革命和产业变革历史性交汇期,城镇燃气行业发展面临前所未有的机遇与挑战。简要回顾了城镇燃气行业的发展历程,分析总结了行业未来4大发展趋势:供气格局低碳化与多元化、市场格局规模化与多元化、运营模式智慧化与高效化、技术体系科学化与完善化,指出行业智慧化程度不够、安全体系尚未完善、能源低碳转型布局不够深入等痛点问题。围绕智慧燃气关键技术,构建了整体逻辑框图,分析了感知层、传输层及应用层建设中的关键难题。聚焦燃气安全关键技术,提出基于城镇燃气完整性管理搭建安全管理体系,着重构建输配系统数字化模型及失效数据库。围绕燃气“脱碳”,提出构建基于城镇燃气的“近零碳”能源生态系统发展理念,分析了天然气高效利用、天然气管道掺氢等技术面临的经济性、安全性等问题及解决思路。