Green Hydrogen: Perspectives and Challenges in Using the Natural Gas Network in Ceará/Brazil

Climate change, mainly caused by the use of non-renewable fuels, has raised global concerns and led to the search for less polluting energy sources, making hydrogen a promising energy alternative with the potential to contribute to changes in the energy mix of various countries through the use of technologies that enable its production and use with low or zero carbon emissions. In this context, Brazil has aroused great interest from other countries in exploring its renewable resources for the production of hydrogen (green hydrogen). In this sense, the use of natural gas pipelines and the use of hydrogen in mixtures with natural gas have become the subject of studies due to their economically viable alternative for the immediate use of this energy vector. However, there are still technical and regulatory challenges regarding the integration of hydrogen into the existing natural gas pipeline network. In this context, the present study aims to address the effects of hydrogen interaction with the structure of natural gas pipeline steel and the regulatory barriers to the use of this network for the transportation of green hydrogen, particularly in the state of Ceará/Brazil. After extensive analysis of literature and regulatory documents, it was concluded that: 1) Ceará/Brazil has strong potential to meet the demand for green hydrogen through the use of solar and wind energy sources;2) there is feasibility for the adaptation or conversion of natural gas infrastructure for the transportation of green hydrogen;3) discussions regarding the regulatory competence of green hydrogen transportation and distribution through the natural gas network in Brazil are still incipient;4) the current regulation of the natural gas industry can serve as a subsidy for the regulation of green hydrogen and natural gas transportation.

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。

纯氢与掺氢天然气管道摩阻系数预测

纯氢与掺氢天然气管道是实现氢气长距离、大规模输送的最佳方式之一,其中摩阻系数是气体管道水力计算的关键参数,现有的经验公式不能满足预测掺氢天然气的摩阻系数要求。为改进传统的摩阻系数计算公式在纯氢与掺氢天然气管道系统的适用性,搭建了纯氢和掺氢天然气管输调压综合实验平台,开展纯氢和不同比例的掺氢天然气管输流动实验,根据实验采集的流量、温度、压力和管道的长度、管径等参数计算管道的摩阻系数,同时建立了摩阻系数与雷诺数、粗糙度之间的关系,并修正了传统摩阻系数公式,最后利用湖南省巴陵—长岭纯氢气管道的实际运行数据进行了验证。研究结果表明:①由于氢气与天然气物性差异较大,掺氢比会影响流动摩阻系数,相同条件下掺氢比越大摩阻系数越小;②传统摩阻系数计算公式存在30%左右的误差,创新提出的适用于纯氢和掺氢天然气的3段式摩阻系数经验公式,相对误差最大11.84%,能够有效降低误差;③与巴陵—长岭纯氢气管道实际的运行数据相比,修正后摩阻系数预测公式的平均误差为0.62%,该公式可以满足实际工程的误差要求。结论认为,得到的纯氢与掺氢天然气管道摩阻系数修正公式可应用于纯氢与掺氢天然气管道工程设计,具有重要的工程应用价值和前景。

掺氢输送管道材料的适应性及评价方法

天然气管网掺氢输送可有效解决氢能利用过程中的输送问题,但这会给管道带来安全风险。本文详细评述了掺氢输送管道金属和非金属材料的种类、适应性影响因素及其评价方法,建议完善和利用现有金属和非金属材料宏观性能表征及微观机理分析方法,结合实际工况环境及材料关键性能指标,建立掺氢输送管道的适应性评价方法和评价限值要求,并完善实际掺氢试运行评价方法和评判标准。本文可为天然气管网掺氢输送工程提供重要参考。

埋地掺氢天然气管道泄漏扩散数值模拟研究

为减少掺氢天然气在输送过程中因泄漏引发的安全问题,基于流体力学及多孔介质理论,采用Fluent软件建立城市埋地掺氢天然气管道泄漏扩散的三维数值模型,分析掺氢比例、泄漏孔径、管道压力、管道埋深和土壤类型等因素对掺氢天然气泄漏量及甲烷、氢气爆炸下限竖直方向上扩散距离的影响。结果表明:掺氢比例越大,掺氢天然气泄漏量越小,甲烷爆炸下限等值线扩散至地表所需时间越长,而氢气则相反;泄漏孔径10 mm时的泄漏量约为孔径5 mm时泄漏量的2倍,泄漏孔径20 mm时的泄漏量约为10 mm时泄漏量的2倍,且泄漏孔径越大,甲烷和氢气的爆炸下限等值线到达地表所需时间越短;管道压力越大,掺氢天然气泄漏量越大且扩散速度越快,危险系数越高;管道埋深1.1 m泄漏量最大,其次为1.4、0.8 m,埋深越浅,甲烷和氢气的爆炸下限等值线到达地表所需时间越短;土壤类型对掺氢天然气的泄漏扩散有重要的影响,土壤类型为粉质砂土时,掺氢天然气泄漏量及扩散速度最大,其次为壤土,最后为黏土。

掺氢天然气管道故障树分析及建模软件开发

针对掺氢天然气管道可能存在的风险与隐患,分析国内外各类管道失效数据,建立了掺氢天然气管道故障树,共包含10个子树和148个底事件,在掺氢管道失效库基础上采用C#程序设计语言开发了掺氢天然气管道故障树建模软件;应用建模软件对已建立的掺氢天然气管道故障树进行分析。软件计算通过行列法求解出最小割集共189个,其中一阶最小割集106个,二阶最小割集83个;采用双循环法得到148个底事件结构重要度。分析得出防腐措施是否正常工作以及自然灾害是影响掺氢天然气管道安全运行的重要因素。

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。

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。

天然气管道随动流量掺氢实验及新认识

如何获得高掺混均匀度和精度的掺氢天然气是天然气管道掺氢输送的核心问题之一。虽然目前常采用随动流量掺氢工艺,但国内外尚未见公开报道的实验数据,氢气和天然气的掺混均匀度和掺混精度得不到实验验证,在一定程度上制约了掺氢天然气管道输送技术的进一步发展。为此,研究了天然气管道随动流量掺氢工艺,并基于高效静态混合器、氢组分浓度三维在线检测和双反馈随动流量定比掺氢,搭建了天然气管道随动流量掺氢实验系统,最后开展了掺氢流量100 Nm3/h以内、掺氢比5.0%~20.0%的实验研究。研究结果表明:①设计搭建的随动流量掺氢实验系统的掺混均匀度大于95%,不考虑测量误差影响时掺氢精度绝对值小于等于1.67%,考虑测量误差影响时,当掺氢比大于等于10.0%时掺氢精度绝对值小于等于3.30%,而掺氢比为20.0%时掺氢精度绝对值小于等于1.70%,随动流量掺氢性能优于标准规范技术指标;②相同实验条件下,受氢气分析仪精度等级和量程的影响,掺氢比越小,掺氢精度越低;③为合理表征掺氢精度,在制定相关标准规范时建议根据掺氢比范围分级定义随动流量掺氢精度。结论认为,该成果认识可为掺氢天然气管道输送技术的发展和相关标准规范的制定提供重要理论和技术参考。

掺氢天然气高压管道小孔泄漏及扩散特性

通过现有的天然气管道运输掺氢天然气,可大幅降低氢气运输成本。为了评估掺氢天然气管道泄漏的风险,综合高压管道小孔泄漏模型和高斯羽流模型,考虑射流初始动量导致的抬升高度,将高斯羽流模型计算结果与已有实验数据进行对比,并分析了掺氢天然气管道发生单个小孔竖直向上喷射泄漏后,掺氢比、管道压力、风速和泄漏孔直径对泄漏气体导致的爆炸危险区域范围的影响规律。结果表明,高斯羽流模型计算结果与实验数据比较吻合;甲烷危险区域最大距离与掺氢比近似呈线性负相关,氢气危险区域最大距离与掺氢比近似呈线性正相关;甲烷和氢气危险区域最大距离与管道压力近似呈线性正相关,与风速近似呈抛物线型负相关,与泄漏孔直径近似呈正相关。

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。

不同边界条件下掺氢对天然气管网运行工况的影响分析

氢气与天然气在物性参数上的差异会导致掺氢后管道及压缩机等水力元件的运行工况发生改变。目前,多数关于掺氢对管网运行工况影响的研究仅针对特定的边界条件及管网结构,研究的结果不具有普适性,研究结论也不相一致。基于此,本文建立了混合气体在管网系统中的流动仿真模型,逐一研究了不同边界条件组合下,掺氢之后管道沿线压力、流量、热值流量、水力坡降以及压缩机的进出站压力和压比等运行参数的理论变化规律。其中,管道的边界条件包括管道节点的压力、体积流量、质量流量以及热流量4种;压缩机的边界条件包括压力、转速以及压比3种控制条件。算例结果表明:掺氢后管道运行工况的变化情况与边界条件直接相关。当压缩机采用定出口压力或定压比控制时,管网工况参数与掺氢比之间有确定的关系,如随着掺氢比的增大,管道压力以一定的函数关系减小;压缩机在采用定转速控制时,管网工况参数的变化较为复杂,如随着掺氢比的增大,管道压力在某些情况下增加,而在某些情况下又会减小,需要针对具体场景进行分析。文章总结了不同边界条件下掺氢对天然气管网运行工况的普适影响,研究结论适用于任意支状管网,可为掺氢之后管网系统的运行调控提供理论指导。

掺氢天然气的热物理特性研究进展

掺氢天然气管道输送能够高效解决氢气产地和用氢地域的错配问题。然而,氢气注入天然气后,改变了原管道系统输送气体的流动状态及热力学特性。因此,对管道输送掺氢天然气的管线压缩机、计量方面的影响进行了总结;然后,综述了近年来对各种工况的掺氢天然气热物理参数研究内容,包括密度、温度、压力、黏度、比热容、互换性、压缩因子、发热量及焦耳-汤姆逊系数;最后,展望了掺氢天然气热物理参数研究的发展趋势。掺氢天然气热物理参数的总结能够为后续掺氢天然气管道输送的理论研究和工程应用提供参考。

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。

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)。

掺氢天然气长输管道泄漏扩散规律数值模拟

目的 探究多因素耦合下掺氢导致的天然气长输管道泄漏扩散规律。方法 以西气东输二线工程为研究对象,采用Fluent软件建立管道二维平面泄漏扩散模型,通过单因素和多因素耦合分析掺氢比、泄漏孔径、风速和大气温度对掺氢天然气泄漏扩散的影响。结果 随着掺氢比增加,甲烷扩散区域的质量分数和宽度减小,而氢气则相反;随着泄漏孔径增大,掺氢天然气扩散的质量分数和范围增加;随着风速增加,掺氢天然气泄漏后扩散的质量分数增加,且分布逐渐向下风向偏移,而扩散高度减小;大气温度对掺氢天然气泄漏扩散的影响不显著。不同因素对掺氢天然气管道泄漏扩散范围的影响程度为:泄漏孔径>风速>掺氢比>大气温度。结论 4种影响因素中,泄漏孔径对掺氢天然气管道泄漏扩散的影响程度最大,因此应重点防范掺氢天然气管道因腐蚀等因素引起的管道开裂、穿孔引起的泄漏。

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。

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。

西气东输一线管道掺氢输送压缩机运行工况适应性分析

目的将氢气掺入天然气管网会改变气体的组成和物性参数,使离心式压缩机运行工况点发生偏移,影响压缩机进出口压力、功率和能耗。为此,需对掺氢输送压缩机的运行工况进行适应性分析。方法以西气东输一线管道为研究对象,考虑氢气掺入对天然气物性参数的影响,建立了基于相似换算方法的掺氢天然气离心压缩机特性计算模型、掺氢量为0%~20%条件下的掺氢天然气输送管道仿真模型;分析了掺氢前后在同等输量和同等发热量两种状态下,管道沿线压力、温度、离心式压缩机工况点与性能参数的变化规律。结果对于同等输量工况,在输量为(2800~4500)×10^(4)m^(3)/d,掺氢量为0%~20%时,掺氢量每增加5%,典型R-R型压缩机进口压力、出口压力和压头平均增加3.34%、1.60%和0.39%,压缩机自耗气、功率和压比平均减少0.35%、4.11%和1.64%;对于同等发热量工况,在输量为(2800~3500)×10^(4)m^(3)/d、掺氢量为0%~20%时,掺氢量每增加5%,典型R-R型压缩机进口压力、出口压力、自耗气和功率平均增加7.31%、5.37%、4.78%和0.84%,压头和压比平均减少0.11%和1.72%。结论西气东输一线管道压缩机适用于掺氢输送工况。

掺氢天然气在管廊中的泄漏与报警器响应

针对掺氢天然气管道进入市政综合管廊后的报警器适应性问题,利用CFD软件模拟不同掺氢比下天然气管道在管廊内发生小孔泄漏后的扩散过程,得到可燃气体体积分数的时空分布。结果表明:对于圆形泄漏孔,可以取孔口系数0.85来计算泄漏流量;管道发生泄漏后,可燃气体在极短的时间内扩散到管廊顶端,决定泄漏后扩散距离的是空间的湍流和耗散程度,而不是射流过程;对比天然气泄漏以及掺氢比20%的掺氢天然气泄漏,考察从泄漏开始到可燃气体探头检测到爆炸下限的20%(体积分数)所需的时间,掺氢比20%的工况比不掺氢的工况最多长7 s,但若想要2种掺氢比下检测到爆炸下限的20%的时间相同,则建议掺氢比20%的情况下,甲烷探测器每8 m布置1个。研究结果可以为掺氢天然气的应用提供安全管控策略的参考。