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。

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。

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。

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。

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。

氢气和天然气在静态混合器中的掺混模拟

在氢能的众多输送方式中,将一定比例的氢气掺入天然气中并利用在役天然气管网进行输送,是一种经济高效的输氢方式。氢气和天然气的掺混均匀度直接影响到后续掺氢天然气的燃烧特性和用气安全,其中随动流量掺氢设备中的静态混合器是氢气和天然气的主要掺混场所,其有效性决定了混合气体的掺混均匀度。为此,采用数值模拟方法研究了氢气和甲烷在随动流量掺氢设备中不同类型静态混合器内和不同工况下的掺混过程,分析了静态混合器压力、掺氢比、气体流速、扰流元件类型、导流元件进气方向等主要因素对氢气和甲烷掺混效果的影响。研究结果表明:(1)静态混合器压力、掺氢比和流速的增大会提升氢气和甲烷的掺混均匀度,但影响较小;(2)扰流元件对掺混均匀度具有决定性作用,相同工况下LPD型静态混合器具有最好的气体混合效果,可基本实现氢气和甲烷完全混合;(3)当扰流元件合理布置时,导流元件的氢气进气方向对掺混均匀度几乎无影响。结论认为,该研究结果可为城镇掺氢天然气管网输送中氢气与天然气的高均匀度掺混技术提供技术参考,有助于氢能产业的快速安全发展。

掺氢天然气分离工艺方案及经济性分析

目的天然气管道掺氢输送被认为是氢能大规模、低成本、长距离运输的重要途径之一。为了获得高纯度氢气,需要在终端将掺氢天然气进行分离。目前,单一的氢气分离手段难以直接适用于低含量氢的掺氢天然气分离。方法对比了几种常见的氢气分离技术的原理、工艺参数、优缺点等,结合掺氢天然气的特点,选定了“膜分离+变压吸附”耦合工艺路线,并针对掺氢比(摩尔分数,下同)分别为10%、15%、20%的掺氢天然气分离工艺方案进行了经济性分析,获得了各分离方案的成本。结果掺氢比为10%、15%、20%的综合分离成本分别为0.8467元/m^(3)氢气、0.5197元/m^(3)氢气、0.3826元/m^(3)氢气。结论较低含量的掺氢天然气分离成本较高,大规模推广应用仍面临经济性制约和诸多挑战。

天然气掺氢输送环境下的腐蚀与氢脆研究进展

氢能作为清洁、高效、零碳的能源载体,被视为最具发展潜力的清洁能源之一。利用现有的天然气管线进行掺氢输送被视为实现氢气长距离、大规模、高效、经济输送的有效方式。然而,长输天然气掺氢输送环境为CH4、高压H2、少量H2S和CO_(2)等杂质及游离水共存,不可避免的会导致金属材料的腐蚀与氢脆。为此,系统综述了国内外现有的长输天然气掺氢输送环境下腐蚀与氢脆的研究进展,并对天然气掺氢输送技术中腐蚀与氢脆进行了展望。研究结果表明:①气相充氢的实验研究方法更贴合天然气掺氢输送环境,但气相充氢技术未建立统一标准,而液相充氢法已经趋于成熟,但仍与工程实际偏差较大;②长输天然气掺氢输送环境下腐蚀与氢脆存在协同和竞争关系,但具体的失效机制和变化规律仍不明晰,还需进一步开展实验研究,明确腐蚀与氢脆共存时的失效机理;③长输天然气掺氢输送环境下腐蚀氢脆的失效机制受H2S和CO_(2)分压比、掺氢比、材料强度等关键性因素影响,3种关键性因素的提高,均会使得管线材料腐蚀更严重、氢脆敏感性更高。结论认为,该研究成果可以为长输天然气掺氢输送关键技术的研究和项目发展提供有效参考,将有助于推动天然气掺氢行业的高质量发展。

室内掺氢天然气泄漏分层现象模拟研究

为探究掺氢天然气在民用住宅厨房内的泄漏扩散规律,利用数值模拟的方法对掺氢比分别为15%,20%,25%,30%的掺氢天然气泄漏扩散过程进行研究,分析厨房空间内水平和竖直方向上掺氢天然气泄漏后其浓度(本文所称浓度为体积分数)分布情况。研究结果表明:在竖直方向上,掺氢天然气浓度与高度呈现正比关系,且在掺氢天然气泄漏0~2700 s,高度为0.5~2.0 m的范围内,其浓度分布差异较大;在水平方向上,除泄漏点正上方临近位置以外,其他区域的浓度分布差异较小;掺氢天然气静置后厨房内出现甲烷和氢气分层现象,甲烷与氢气浓度比值与高度呈现反比关系。研究结果拟为相关实验提供一定的先验条件,同时可为掺氢天然气泄漏爆炸事故的预防及燃气报警器的安装提供一定参考。

高压掺氢天然气管道泄漏扩散与失效后果的数值模拟研究

针对高压管道在失效泄漏后产生的欠膨胀射流问题,利用Birch理论模型用伪源代替实际管道的泄漏孔。在不同掺氢比(HBR)、泄漏孔直径、管道运行压力的条件下,研究了掺氢天然气(HDNG)管道泄漏扩散后果区体积分数分布情况、爆炸危险边界、爆炸危险范围的变化规律。结果表明,随着HBR的增加,减少了泄漏扩散后HDNG的聚集,爆炸危险范围逐渐减小,远端危险性降低;随着HBR的增加,爆炸危险边界高度降低,近端危险性增大;随着泄漏孔直径与管道运行压力的增加,泄漏扩散后HDNG的影响区域扩大,爆炸危险边界高度上升,爆炸危险范围逐渐增大,远端危险性增大。

考虑输气功率的掺氢天然气管道运行优化研究

将氢气掺混入天然气并利用现有天然气管道基础设施输送是实现氢气长距离、大规模、低成本输送的有效方式,但氢气的掺入会对原有天然气管道基础设施的运行产生影响。为此,文章建立了掺氢天然气管道运行能耗优化模型,以压气站最小能耗为目标函数,压缩机开机台数和压缩机转速为决策变量,在掺氢比不同的工况下,分别对保持掺氢天然气的体积输量恒定和输气功率恒定的两种情况进行优化求解分析,对不同掺氢比下管道系统优化后的工况进行分析讨论。研究结果表明:在保证天然气掺氢输送的热值供应的基础上,当掺氢比超过15%时,现有天然气管道设施已无法满足最优工况的平稳运行,可以通过增设压缩机站的方式提高管段压力,以保证现有天然气管道输气功率的稳定,或在下游建设储气调峰设施,以平衡管存气体能量下降的影响。

催化柴油掺炼比对柴油加氢工艺的影响

目的考查催化柴油掺炼比对混合柴油加氢工艺的影响。方法针对某炼厂物料平衡的需要及柴油加氢工业装置提高催化柴油掺炼比的需求,以混合柴油的加氢工艺为研究对象,在加氢中试装置上考查催化柴油的掺炼比对加氢工艺参数(平均反应温度)、产品分布和产品性质的影响,建立加氢工艺参数等与催化柴油掺炼比的关联式。结果①随着催化柴油掺炼比的提高,原料的组成更趋重质化、劣质化,加氢难度显著增加;②所建立的精制柴油硫含量、平均反应温度与催化柴油掺炼比的关联式可在一定范围内指导工艺参数的调整;③在同等条件下,随着催化柴油掺炼比的提高,混合柴油的转化率快速降低。综合考虑催化剂寿命、多产优质重整原料的需求以及兼产3号喷气燃料的要求,将催化柴油的掺炼比调整至30%左右较为合适。当产品性质有余量时,掺炼比可适当提高,同时在工业装置上完成验证。结论明确了劣质原料掺炼比对平均反应温度等加氢工艺参数以及加氢裂化产品分布和产品性质的影响,可为同类工业加氢装置掺炼劣质原料提供工业运行实例的参考。

燃气轮机掺氢燃烧技术

[目的]随着国家为能源行业设立了碳达峰、碳中和的宏伟目标,对电站燃气轮机低碳排放技术改进的需求日益增长。国内对该目标的关键技术路径的探索亟待展开。燃气轮机的贫预混燃烧技术能使燃烧偏离理论空气量,是目前降低NO_(x)排放主要技术,同时通过在天然气中掺混氢气燃烧,能够有效降低化石能源的消耗以及降低碳排放量。[方法]采用Chemkin-Pro软件建立一维预混自由传播火焰模型,比较不同当量比、初始温度、初始压力、掺氢比对燃烧温度、燃烧速率、污染物生成浓度、燃烧自由基、链式反应等的影响;模拟燃烧过程的温度分布、燃料组分变化及其排放特性。[结果]发现了通过在天然气中掺混氢气燃烧,能够有效降低化石能源的消耗以及降低碳排放量。但天然气掺氢的贫预混燃烧所带来的较高的火焰温度反而会促进NO_(x)的生成,同时,在较低的当量比下将会产生更多的CO。[结论]基于以上研究,获得了掺氢燃烧的关键数据,为掺氢燃烧技术路径的完成奠定了基础。