混氫天然氣管道輸送技術(shù)研究進(jìn)展

　　摘要：氫能是公認(rèn)的清潔能源，將氫氣摻入天然氣管道進(jìn)行輸送，是大規(guī)模輸送氫氣的有效途徑。氫氣的物性與天然氣差異大，摻入天然氣后天然氣氣質(zhì)會(huì)發(fā)生改變。綜述了世界各國在天然氣管輸系統(tǒng)混氫輸送過程中混氫天然氣的互換性、天然氣管道混氫工藝系統(tǒng)適應(yīng)性、管道設(shè)備安全性等研究進(jìn)展。結(jié)合中國輸氣管網(wǎng)的實(shí)際情況，建議：①研究不同地區(qū)、不同類型燃具對(duì)混氫天然氣燃?xì)饣Q性的要求，評(píng)估混氫天然氣作為燃料等對(duì)民用/工業(yè)用戶等終端用戶潛在影響;②分析不同輸量、季節(jié)、混氫量下管道運(yùn)行參數(shù)及不同型號(hào)壓縮機(jī)工況點(diǎn)變化規(guī)律及燃?xì)廨啓C(jī)的適應(yīng)性;③考慮含氫量、氫氣-甲烷分層流等因素，改進(jìn)氣體組分在線/離線色譜分析系統(tǒng)，結(jié)合 CFD 模擬及實(shí)驗(yàn)等方法，開展計(jì)量設(shè)備修正研究;④揭示混氫天然氣泄漏擴(kuò)散特性規(guī)律，針對(duì)不同泄漏場(chǎng)景優(yōu)化燃?xì)庑孤z測(cè)設(shè)備空間布置及安裝方式，完善應(yīng)急預(yù)案;⑤開展高鋼級(jí)管道混氫輸送適應(yīng)性分析，保障管道本體安全。

　　本文源自油氣儲(chǔ)運(yùn) 發(fā)表時(shí)間：2021-03-02《油氣儲(chǔ)運(yùn)》(月刊)1977年創(chuàng)刊，本刊是經(jīng)國家科委和新聞出版署批準(zhǔn)出版，由中國石油天然氣股份有限公司管道分公司主辦，向國內(nèi)外公開發(fā)行的科技期刊，主要刊載石油、天然氣、成品油以及其他介質(zhì)輸送和儲(chǔ)存工程等方面的科技文章。面向全國的石油、石化系統(tǒng)，國防、民航、鐵路、交通的油氣儲(chǔ)運(yùn)部門;市政供排水、煤氣、熱力管網(wǎng)等單位以及有關(guān)設(shè)計(jì)，科研院所，大專院校。

　　關(guān)鍵詞：混氫天然氣;管網(wǎng);工藝適應(yīng)性;安全

　　目前，世界能源形成煤炭、石油、天然氣、新能源“四分天下”的新格局[1]。2019 年，全球生產(chǎn)石油 32%、天然氣 24%、煤炭 28%、新能源 16%。世界對(duì)于能源的消費(fèi)由過去的總量增長逐步向集約化、高效化方向發(fā)展，主體能源結(jié)構(gòu)向多元化、清潔化和低碳化方向轉(zhuǎn)型，新能源將逐步進(jìn)入黃金發(fā)展期[2]。未來能源的發(fā)展，將會(huì)依靠能源互聯(lián)網(wǎng)在現(xiàn)有能源供給系統(tǒng)上將大量分布式能源的采集、轉(zhuǎn)換、輸送等有效聯(lián)合起來，形成一體化集成供能系統(tǒng)[3]。在眾多新能源中，氫能可通過風(fēng)能、光能等可再生能源產(chǎn)生的電能通過電解制氫進(jìn)行能源的儲(chǔ)存及利用[4-5]，同時(shí)，氫氣的燃燒能夠?qū)崿F(xiàn)碳的零排放。通過電解水制氫能不僅能夠消納大規(guī)模棄用電能，緩解未來能源枯竭狀況，還能實(shí)現(xiàn)環(huán)保目的，因而受到全球主要國家的高度重視。在全球氫能應(yīng)用發(fā)展過程中，氫能利用需解決的主要問題包括：氫能制備、氫能儲(chǔ)運(yùn)、氫能使用、氫能標(biāo)準(zhǔn)[6]。目前，被認(rèn)為氫能利用和運(yùn)輸?shù)挠行緩绞峭ㄟ^可再生能源電解制氫[7-8]，然后將氫氣按照一定比例混入天然氣中，利用現(xiàn)有天然氣管網(wǎng)進(jìn)行輸送[9-10]。

　　氫氣的主要物性參數(shù)包括分子直徑、密度、黏度、高熱值等，均遠(yuǎn)低于甲烷。天然氣中混入氫氣后，將改變管道內(nèi)原有天然氣的氣質(zhì)條件，對(duì)管道的運(yùn)行工況、設(shè)備性能、安全維護(hù)產(chǎn)生影響。為此，綜述了歐盟、美國等主要發(fā)達(dá)國家的氫能發(fā)展戰(zhàn)略方針以及各國在氫能利用過程中的重要研究成果及進(jìn)展，為中國未來天然氣管網(wǎng)混氫輸送發(fā)展提供借鑒。

　　1 國內(nèi)外氫能發(fā)展計(jì)劃

　　氫能已成為世界上主要能源轉(zhuǎn)型國家的戰(zhàn)略選擇，各國針對(duì)本國氫能發(fā)展提出了國家氫能發(fā)展戰(zhàn)略。 2014—2020 年，歐盟向歐洲氫氣聯(lián)合企業(yè)(FCH)平均資助 1×108 歐元/年，并通過了清潔能源立法用以支持氫能發(fā)展。2014 年，美國頒布了《全面能源戰(zhàn)略》，預(yù)計(jì) 2030—2040 年全面實(shí)現(xiàn)氫能源經(jīng)濟(jì)。2019 年，韓國實(shí)現(xiàn)氫能汽車銷售全球第一(本國 5 000 輛、出口 1 724 輛)、氫能發(fā)電機(jī)全球第一、新建加氫站全球第三(中國 30 個(gè)、德國 22 個(gè)、韓國 18 個(gè))，并于 2020 年通過了全球首部《促進(jìn)氫經(jīng)濟(jì)和氫安全管理法》以加快氫經(jīng)濟(jì)建設(shè)。日本提出了“氫能社會(huì)”發(fā)展的藍(lán)圖三步走計(jì)劃：第一階段，2014—2025 年，擴(kuò)大氫能使用的范圍，提高燃料電池的裝機(jī)量;第二階段，2020 中期—2030 年末，全面發(fā)展氫發(fā)電產(chǎn)業(yè)，建立大規(guī)模氫能供應(yīng)系統(tǒng)，全面利用海外生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸氫能;第三階段，2040 年起，建立起 CO2 供氫系統(tǒng)，全面實(shí)現(xiàn)零排放制氫、儲(chǔ)氫、運(yùn)氫。

　　中國也高度重視氫能的發(fā)展。2012 年 6 月 28 日，國務(wù)院頒布《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2012-2020)》，指出 2020 中國車用氫能源產(chǎn)業(yè)將與國際同步發(fā)展。2016 年 4 月 7 日，國家發(fā)改委、能源局提出《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃(2016-2030 年)》，表明了未來中國氫能戰(zhàn)略發(fā)展方向、中短期創(chuàng)新目標(biāo);11 月 29 日，國務(wù)院提出《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》指出，中國將推動(dòng)車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)及氫制備、儲(chǔ)運(yùn)和加注技術(shù)發(fā)展，推進(jìn)加氫站建設(shè);12 月 29 日，國家發(fā)改委、能源局《能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命改革戰(zhàn)略(2016-2030 年)》要求加快研發(fā)氫能、發(fā)展氫燃料技術(shù)。2017 年 1 月 25 日，國家發(fā)改委《戰(zhàn)略性新興產(chǎn)品和服務(wù)指導(dǎo)目錄》2016 年版提出氫能、儲(chǔ)氫材料、車用加氫設(shè)施收入目錄。2018 年 10 月 30 日，國家發(fā)改委、能源局《清潔能源消納行動(dòng)計(jì)劃(2018-2020 年)》提出開展探索可再生能源富余電力轉(zhuǎn)化為氫能等能源的進(jìn)一步研究。2020 年 4 月 10 日，國家能源局關(guān)于《中華人民共和國能源法(征求意見稿)》公開征求意見的公告中首次將氫能明確劃入能源種類管理。2020 年 11 月 1 日，習(xí)近平在出席金磚國家領(lǐng)導(dǎo)人第十二次會(huì)晤時(shí)提出中國將力爭(zhēng)于 2030 年前達(dá)到二氧化碳峰值，努力爭(zhēng)取 2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和。加快氫能利用是保證碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的重要途徑。

　　2 國際天然氣混氫輸送項(xiàng)目

　　在全球范圍內(nèi)，2000 年之后開始深入研究天然氣混氫相關(guān)應(yīng)用技術(shù)。據(jù)國際能源署(IEA)數(shù)據(jù)顯示，截至 2019 年，全球各國針對(duì)天然氣網(wǎng)絡(luò)摻氫的研究有示范項(xiàng)目 37 個(gè)。研究項(xiàng)目中包括通過天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行摻氫輸送為居民及商業(yè)用戶提供燃?xì)獾目尚行匝芯浚瑴y(cè)試天然氣摻氫比例對(duì)管網(wǎng)系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備、管道及終端設(shè)備的影響，摻氫后混氫天然氣運(yùn)輸、儲(chǔ)存技術(shù)及安全性影響等(表 1)。

　　2002 年起，歐盟委員會(huì)通過并資助開展了 Naturalhy 項(xiàng)目，該項(xiàng)目認(rèn)為將氫作為一種現(xiàn)實(shí)的能源選擇迫在眉睫，必須在現(xiàn)有廣泛的天然氣系統(tǒng)范圍內(nèi)采取切實(shí)可行的策略。目前的相關(guān)報(bào)告顯示，在經(jīng)濟(jì)性方面，Naturalhy 評(píng)估了通過富氫天然氣撬動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)鏈的可行性;在技術(shù)方面，Naturalhy 主要披露了天然氣管道的修理方法、爆炸情況。2013 年底，德國的能源儲(chǔ)存和清潔燃料公司 ITM Power 宣布，通過其合作伙伴己向德國天然氣分銷網(wǎng)絡(luò)注入氫氣，比例低于 2%[11]。2014 年，DVN GL 機(jī)構(gòu)發(fā)起 HYREADY[12]全球聯(lián)合工業(yè)項(xiàng)目，該項(xiàng)目分為傳輸系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)、終端用戶的基礎(chǔ)設(shè)施以及氫氣加注設(shè)施的設(shè)計(jì) 4 個(gè)部分，考慮天然氣中添加的氫氣比例分別為 2%、5%、10%、20%、30%。2018 年 11 月，英國基爾大學(xué)開展了針對(duì)英國家用混氫天然氣網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)的示范項(xiàng)目 HyDeploy [13]，該項(xiàng)目于 2019 年開始開展英國首個(gè)摻氫比例達(dá)到 20%的示范性試驗(yàn)。荷蘭 VG2 項(xiàng)目[14]通過荷蘭現(xiàn)有的天然氣網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行天然氣混氫輸送研究，通過分析輸送管道的泄漏和冷凝以及終端用戶設(shè)備的安全和燃燒速度，從而確定可混入天然氣中的氫最大體積百分比。同時(shí)，天然氣摻氫標(biāo)準(zhǔn)研究也逐步推進(jìn)。在歐洲，HyReady 和 HIPS-Net 等技術(shù)委員會(huì)和行業(yè)組織正在研究摻氫標(biāo)準(zhǔn)，歐盟委員會(huì)也在研究氫在天然氣網(wǎng)絡(luò)中的作用及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

　　目前，各國針對(duì)氫能利用開展的示范項(xiàng)目研究中混氫量如下(圖 1)，其中，中國開展的大唐煤制氣示范項(xiàng)目氣源混氫量約 3%，德國混氫量為 5%~10%，法國混氫量為 4%，意大利與挪威混氫量為 10%，荷蘭混氫量為 12%，歐盟的示范項(xiàng)目混氫量為 18%，英國正在開展 20%混氫量的研究。

　　3 天然氣混氫輸送工藝適應(yīng)性

　　在對(duì)氫能利用過程中，氫氣是主要的能源載體形式。在未來能源的發(fā)展中，能源互聯(lián)網(wǎng)是發(fā)展趨勢(shì)，油氣管網(wǎng)是能源互聯(lián)網(wǎng)中的重要參與者，因此將氫氣混入天然氣管網(wǎng)輸送是國外氫氣輸送的通用做法。為了保障天然氣管道混氫輸送的安全高效，各國針對(duì)天然氣混氫后天然氣與氫氣的互換性、管道與設(shè)備對(duì)氫氣的適應(yīng)性、安全性及管網(wǎng)水利運(yùn)行參數(shù)等方面開展了研究。此外，不少學(xué)者還對(duì)燃?xì)饨K端設(shè)備灶具進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，為天然氣-氫氣混合氣體用于家用灶具燃燒提供操作和理論借鑒。

　　3.1 混氫天然氣的互換性

　　在燃?xì)夤こ讨校煌細(xì)膺M(jìn)行互換時(shí)需考慮衡量熱流量的特性指數(shù)，目前各國通用的燃?xì)馓匦詤?shù)為華白數(shù)(沃泊指數(shù))。而甲烷與氫氣的物性和燃燒特性存在很大區(qū)別，因此氫氣混入天然氣后，將改變天然氣原有燃燒特性，且不同混氫量的天然氣其燃燒速度、熱負(fù)荷等燃燒指數(shù)，以及密度、黏度等均不同，導(dǎo)致終端用氣和管道輸送工況受到影響。隨著混合氣體中氫氣體積分?jǐn)?shù)的增加，燃具的熱負(fù)荷下降，混氫天然氣的燃燒速度增大，燃具發(fā)生回火的風(fēng)險(xiǎn)增高[14]。美國亞特蘭大學(xué)者研究表明：在美國華白數(shù)為 45.5 MJ/m3 的貧天然氣中注入氫氣后，其華白數(shù)能提高至 48.3 MJ/m3，需要加入一定量氮?dú)馐蛊淙A白數(shù)保持在 43.4~44.4 MJ/m3，才能適用于當(dāng)?shù)氐娜季遊15]。英國使用的多數(shù)天然氣燃?xì)庠O(shè)備能夠較好地適應(yīng)混入 10%氫氣的天然氣，家用灶具受華白數(shù)和回火指數(shù)的影響，氫氣的添加量不應(yīng)超過 23%。比利時(shí)學(xué)者通過計(jì)算華白數(shù)進(jìn)行判斷得出：在本國天然氣中摻入低于 17%的氫氣后可直接供應(yīng)于家用、商用灶具[16]。中國目前尚未發(fā)布混氫天然氣輸送和利用的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，在進(jìn)行天然氣混氫互換性判斷時(shí)，可采用德爾布指數(shù)法[17-18] 和韋弗指數(shù)法[19]進(jìn)行互換性評(píng)定。根據(jù) GB-T 13611—2018《城鎮(zhèn)燃?xì)夥诸惡突咎卣鳌罚袊湫腿細(xì)庠钍褂?12T 天然氣，其高華白數(shù)范圍為 45.67~54.78 MJ/m3。黃明等[20]通過華白數(shù)和燃燒勢(shì)判定得出：摻混氣中氫氣體積分?jǐn)?shù)小于 23%時(shí)，摻混氣能互換 12T 天然氣在終端用戶燃具上正常使用。

　　綜合考慮燃?xì)馊A白數(shù)及燃燒熱值，目前大部分燃?xì)庠O(shè)備能夠較好適應(yīng)摻入 10%氫氣的天然氣，而家用燃?xì)庠O(shè)備能夠適用 23%以下混氫量的天然氣。中國不同地區(qū)、不同類型燃具對(duì)混氫天然氣燃?xì)饣Q性的要求均不相同，混氫天然氣作為燃料、化工產(chǎn)品對(duì)民用/工業(yè)用戶等終端用戶的潛在影響仍有待進(jìn)一步研究。

　　3.2 壓縮機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)的適應(yīng)性

　　混氫天然氣的物性參數(shù)與傳統(tǒng)天然氣存在差異，必然會(huì)改變輸送管網(wǎng)內(nèi)部的壓力分布[21]，進(jìn)而改變壓縮機(jī)組及燃?xì)廨啓C(jī)的工況點(diǎn)。分析混氫天然氣輸送管網(wǎng)內(nèi)的壓力分布是進(jìn)一步探究壓縮機(jī)組及燃?xì)廨啓C(jī)適應(yīng)性的前提。目前，國內(nèi)外一般通過 SPS、Pipeline Studio 等仿真軟件對(duì)管網(wǎng)的運(yùn)行工況進(jìn)行模擬，根據(jù)計(jì)算結(jié)果指出管網(wǎng)運(yùn)行中可能存在的問題并做出相應(yīng)的整改，為生產(chǎn)決策部門反饋合理的數(shù)據(jù)，優(yōu)化天然氣管網(wǎng)的調(diào)度布置[22]。Guandalini 等[23]通過動(dòng)態(tài)模擬，指出在管輸天然氣中摻混 5%氫氣會(huì)引起管網(wǎng)壓力下降約 0.1%，摻混氣高熱值和華白數(shù)最大波動(dòng)范圍分別為 3.5%、0.6%，但仍處于燃具穩(wěn)定使用的可接受范圍。Tabkhid 等[24]對(duì)天然氣-氫氣管網(wǎng)運(yùn)輸模擬進(jìn)行了優(yōu)化，通過降低天然氣添加氫氣后的傳輸能量，將混氫比例提高至 6%。馬向陽等[25]指出氫氣加入天然氣后通過提高輸送壓力可保證管道的輸氣功率不變。

　　離心壓縮機(jī)是天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)中重要的增壓設(shè)備，對(duì)管道的高效安全運(yùn)行影響重大，其運(yùn)行工況與實(shí)際氣體組分相關(guān)[26]。氫氣的混入雖能提高管道的輸氣能力，但當(dāng)管網(wǎng)和壓縮機(jī)聯(lián)合運(yùn)行時(shí)其平衡工作點(diǎn)對(duì)應(yīng)的壓力和流量都將減小，反而會(huì)降低管道的輸氣能力。計(jì)算表明：當(dāng)輸氣流量為 5 500 m3 /h 時(shí)，混氫比由 0 增大至 30%，壓比和軸功率分別下降了 20%、36%;在 15 ℃時(shí)，隨著氫氣摻混比由 0 至 30%逐漸增大，管道出站壓力增加了 9.1%，管道的最大輸氣量增加了 14.8%，但輸氣功率降低了 9.2%[27]，為了保證輸氣功率不變，可適當(dāng)增加管道的運(yùn)行壓力。

　　燃?xì)廨啓C(jī)作為驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)的重要設(shè)備，燃料氣組分改變會(huì)對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行產(chǎn)生不利影響[28]。除專用可以接受很高氫含量(>50%)和一些特殊的能夠燃燒含 10%氫含量或更高混氫比的燃?xì)廨啓C(jī)，目前許多燃?xì)廨啓C(jī)的燃料規(guī)格要求天然氣中氫氣體積分?jǐn)?shù)應(yīng)限制在 5%以下。Abbott 等[29]認(rèn)為燃?xì)廨啓C(jī)能夠適應(yīng)的氫氣摻混比需小于 5%，但是經(jīng)過整改和調(diào)整的燃?xì)廨啓C(jī)能適應(yīng)的摻氫百分比為 5%~10%。2019 年，意大利 SNAM 公司在進(jìn)行 10%混氫量的工業(yè)試驗(yàn)時(shí)，專門采用了貝克休斯公司為其制造的新型燃?xì)廨啓C(jī)，同樣表明一般燃?xì)廨啓C(jī)能夠適應(yīng)的天然氣中混氫量低于 10%。

　　上述成果表明，混氫天然氣管道的壓縮機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)等運(yùn)行與非混氫天然氣存在明顯差異，但是國內(nèi)外對(duì)于不同壓縮機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)類型在混氫天然氣輸送過程中工況點(diǎn)和能耗變化規(guī)律的研究剛剛起步。中國天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)廣泛配置了英國羅羅、德國曼透平、美國 GE 及國產(chǎn)壓縮機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)組，這些機(jī)組對(duì)于混氫輸送的適應(yīng)性仍有待具體分析。

　　3.3 計(jì)量設(shè)備的適應(yīng)性

　　流量計(jì)量的準(zhǔn)確性對(duì)于混氫天然氣的計(jì)量交接意義重大。由于氫氣和天然氣密度、壓縮因子等物性存在較大差異，且現(xiàn)有流量計(jì)一般在工況條件下進(jìn)行計(jì)量，需通過溫度、壓力補(bǔ)償以及壓縮因子修正計(jì)算得到標(biāo)況下流量來進(jìn)行貿(mào)易交接，注入氫氣會(huì)改變氣體物性，必然會(huì)對(duì)計(jì)量設(shè)備造成一定的影響。

　　目前，國外對(duì)混氫天然氣條件下城市管網(wǎng)終端家用燃?xì)獗磉m應(yīng)性進(jìn)行了廣泛的實(shí)驗(yàn)研究。NaturalHy 項(xiàng)目提出，家用燃?xì)獗碇饕捎媚な饺細(xì)獗恚涓叻肿幽?duì)氫氣滲透十分敏感[30]，在計(jì)量混氫天然氣時(shí)會(huì)存在以下 3 方面的問題：①氫氣分子直徑比天然氣小，會(huì)導(dǎo)致氣體滲透泄漏，影響計(jì)量精度;②由于密封性問題，導(dǎo)致氫氣泄漏至大氣，引發(fā)潛在安全問題;③氫氣會(huì)損壞流量計(jì)內(nèi)部部件，影響流量計(jì)使用持久性。對(duì)此，NaturalHy 項(xiàng)目在設(shè)備可靠性板塊(WP 3)研究中，對(duì) 3 種分別由 Gallus(法國)、Dresser(意大利)、Elster(德國)制造的高分子膜式燃?xì)獗磉M(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，分析了純甲烷與 50%氫氣和 50%甲烷混合氣對(duì)計(jì)量性能的影響，對(duì)比含氫量為 50%混氫天然氣與天然氣計(jì)量誤差發(fā)現(xiàn)：Dresser 膜式燃?xì)獗頌檎睿?Gallus 和 Elster 膜式燃?xì)獗頌樨?fù)偏差，且偏差均低于 2%，流量越低，偏差越小[31]。Polam 等[32]通過實(shí)驗(yàn)分析了混氫天然氣對(duì)橡膠和塑料膜式燃?xì)獗碛?jì)量精度的影響，測(cè)量了流量范圍為 0.13~5 m 3 /h 的天然氣和含氫量為 17%的混氫天然氣，結(jié)果表明這兩種材質(zhì)的燃?xì)獗頊y(cè)量偏差低于 0.1%。考慮到膜式燃?xì)獗硇?zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定后續(xù)檢定和使用中校驗(yàn)最大允許誤差可在 4%以內(nèi)，重復(fù)性最大允許誤差可在 0.2%以內(nèi)，因此該偏差可忽略。Jaworski 等[33]實(shí)驗(yàn)分析了混氫天然氣對(duì)膜式燃?xì)獗砟陀眯缘挠绊懀Y(jié)果表明：氫氣含量為 0~15% 時(shí)，并無顯著的計(jì)量差異，而燃?xì)獗黹L時(shí)間運(yùn)行存在顯著的計(jì)量差異主要是由燃?xì)獗韮?nèi)部部件的磨損造成的。對(duì)于渦輪燃?xì)獗恚紤]到氫氣注入天然氣中會(huì)降低氣體密度，需要測(cè)量渦輪燃?xì)獗淼牟淮_定度。法國 GRHYD 項(xiàng)目對(duì)渦輪燃?xì)獗磉M(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究(G4 燃?xì)獗恚簜€(gè)人用戶;G65 燃?xì)獗恚盒⌒偷谌a(chǎn)業(yè)用戶)，結(jié)果表明天然氣中含氫量達(dá)到 20%(體積比)會(huì)存在-1%~2.5%的計(jì)量誤差(注：這些實(shí)驗(yàn)不是在計(jì)量測(cè)試平臺(tái)上進(jìn)行的)。CEN CENELEC 歐洲標(biāo)準(zhǔn)制定機(jī)構(gòu)已經(jīng)驗(yàn)證了渦輪式燃?xì)獗砜捎糜跍y(cè)量氫含量高達(dá) 10%的混氫天然氣。2019 年，國外混氫報(bào)告對(duì)于超聲波流量計(jì)提出，氫氣含量低于 15%其聲波衰減幾乎可忽略不計(jì)[34]。

　　對(duì)于長輸管道上的計(jì)量設(shè)備適應(yīng)性研究目前主要依靠理論分析。Guandalini 等[23]理論分析認(rèn)為，對(duì)于容積式流量計(jì)，由于氫氣的體積特性，計(jì)量誤差隨壓力和氫氣含量的增大而不斷增大。例如甲烷含量約為 99%天然氣混入 5%的氫氣，在 5 MPa 壓力下體積誤差為 1.5%，在 2.4 MPa 壓力下體積誤差為 0.5%;甲烷含量約為85%天然氣混入5%的氫氣，在5 MPa壓力下體積誤差為1.7%，在2.4 MPa壓力下體積誤差為0.7%，而在 5 MPa 壓力下，天然氣(甲烷含量約 85%)中混入的氫氣含量高達(dá) 10%時(shí)，體積流量誤差達(dá) 3%。IEA Greenhouse R&D 項(xiàng)目提出理想孔板流量計(jì)其流量校準(zhǔn)系數(shù)是在某一密度下由實(shí)驗(yàn)確定的，密度相對(duì)變化 1%會(huì)導(dǎo)致體積誤差相對(duì)變化 0.5%。

　　考慮到混氫天然氣組分改變會(huì)對(duì)壓縮因子產(chǎn)生影響，氣體組分分析是減少上述計(jì)量誤差的有效途徑。目前，氣相色譜儀多采用氦氣作為載氣，主要利用氦氣熱導(dǎo)率與天然氣成分導(dǎo)熱率存在較大差異進(jìn)行氣體組分分析[35]，但由于氦氣導(dǎo)熱系數(shù)和氫氣相近[氦氣 151 W/(m·K);氫氣 180 W/(m·K)]，Altfeld 等[36-38] 指出現(xiàn)有在線組分分析設(shè)備難以進(jìn)行氫氣的組分分析，會(huì)影響天然氣工況下壓縮因子的準(zhǔn)確計(jì)算。目前， GRTgaz、Teréga 及 GRDF 等公司正計(jì)劃升級(jí)在線組分分析儀，從而準(zhǔn)確分析混氫天然氣中氫氣含量[34]。

　　綜上，含氫量低于 15%的混氫天然氣對(duì)家用燃?xì)獗碛?jì)量偏差以及使用耐久性的影響較小。對(duì)于干線輸氣管道，混氫天然氣的計(jì)量誤差主要是由于組分變化導(dǎo)致氣體壓縮因子的改變?cè)斐傻模赏ㄟ^調(diào)整在線分析系統(tǒng)或使用離線分析手段來補(bǔ)充、完善組成分析結(jié)果，從而保證計(jì)量的準(zhǔn)確性。同時(shí)，也可通過 CFD 仿真模擬以及實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)行進(jìn)一步研究完善相關(guān)計(jì)量結(jié)果的修正方式。此外，氫氣在長輸管道輸送過程中可能會(huì)出現(xiàn)管道分層流動(dòng)現(xiàn)象，進(jìn)而影響以超聲波流量計(jì)為主的高精度計(jì)量設(shè)備的計(jì)量準(zhǔn)確性，但國內(nèi)外尚無混氫條件下超聲波流量計(jì)計(jì)量結(jié)果相關(guān)研究報(bào)道。

　　4 混氫輸送工藝安全分析

　　4.1 混氫天然氣泄漏擴(kuò)散的安全性

　　氫氣的爆炸極限范圍寬度遠(yuǎn)大于甲烷，高壓泄漏情況下易發(fā)生自燃，且氫氣分子直徑比甲烷小 25%，在管道接頭處氫氣的體積滲漏速率高于天然氣 3 倍[12]，因此氫氣泄漏后的爆炸危險(xiǎn)也更加突出。氫氣及混氫天然氣的泄漏擴(kuò)散及爆炸是目前混氫天然氣輸送領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。

　　2019 年 6 月 10 日，挪威奧斯陸郊外一座無人值守的加氫站發(fā)生起火和爆炸;6 月 1 日，美國加州硅谷，某空氣產(chǎn)品公司氫氣配送車發(fā)生爆炸;5 月 23 日，韓國江原道江陵市大田洞科技園區(qū)，一家太陽能制氫公司氫燃料儲(chǔ)存罐發(fā)生爆炸。以上 3 起事故都是由于高壓裝置內(nèi)氫氣在富氧環(huán)境泄漏后形成的云狀氫氣被點(diǎn)燃造成的。影響混氫天然氣輸送安全的因素眾多，不同的因素導(dǎo)致事故發(fā)生的可能性和帶來的后果都不同。為此，美國天然氣工藝研究院(GTI)、歐盟采用定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究了不同因素對(duì)天然氣混氫輸送系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)的影響。

　　GTI 基于美國天然氣供應(yīng)系統(tǒng)的具體數(shù)據(jù)，對(duì)混氫天然氣輸送安全危害性進(jìn)行了定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，將數(shù)字風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果進(jìn)行了量化，將風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)范圍定為 0~50，其中，危害顯著性等級(jí) 10 被描述為“輕微”，30 被描述為“中等”，50 被描述為“嚴(yán)重”;研究成果還表明，配氣干線中高濃度的氫氣(高達(dá) 50%)會(huì)導(dǎo)致總體風(fēng)險(xiǎn)(包括發(fā)生概率和嚴(yán)重程度)輕微增加。對(duì)于供氣管道，其所處空間較為密閉，泄漏后更容易出現(xiàn)氣體積聚現(xiàn)象，當(dāng)天然氣中氫氣濃度超過 20%后，其總體風(fēng)險(xiǎn)比配氣干線更大。歐盟 NaturalHy 項(xiàng)目以兩個(gè)典型空間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)了混氫天然氣氣體積累行為，一個(gè)可代表家庭房間，另一個(gè)可代表較典型的商業(yè)或工業(yè)建筑;研究發(fā)現(xiàn)混氫天然氣的氣體積累行為類似于純天然氣，但由于泄漏后氫氣擴(kuò)散速度較快，導(dǎo)致達(dá)到爆炸極限的氫氣云團(tuán)主要集中在泄漏口，增大了泄漏口附近的危險(xiǎn)程度，同時(shí)減小了混氫天然氣泄漏后的擴(kuò)散距離[39]。在現(xiàn)有天然氣管道系統(tǒng)中添加 20%及以下的低濃度氫氣會(huì)導(dǎo)致輕微的點(diǎn)火風(fēng)險(xiǎn)以及爆炸嚴(yán)重程度輕微增加，但當(dāng)氫氣濃度超過 50%時(shí)，爆炸超壓會(huì)顯著增加。

　　如果混氫天然氣儲(chǔ)運(yùn)過程發(fā)生意外泄漏，如何對(duì)該類事故進(jìn)行防治以減小事故帶來的危害也是混氫輸送安全的研究重點(diǎn)。泄漏氣體點(diǎn)燃后將產(chǎn)生射流火焰對(duì)物體、可燃材料和人員造成輻射和沖擊，特別是在開放空間內(nèi)，火焰的傳播速度將一直處于上升階段[40]。目前，一般采用實(shí)驗(yàn)測(cè)試或 Fluent 等數(shù)值仿真模擬軟件對(duì)有毒有害氣體的泄漏擴(kuò)散進(jìn)行研究。研究發(fā)現(xiàn)，在氣體火焰的傳播過程中，可燃?xì)怏w的燃燒會(huì)因?yàn)檎系K物的阻擋而受到延遲[36]，Robert 等通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了不同位置不同角度的擋墻對(duì)噴射火焰的影響[41]。因此，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體情況合理設(shè)置擋墻，可以有效降低泄漏氣體燃燒產(chǎn)生的噴射火焰而帶來的危害。此外，當(dāng)混氫天然氣泄漏后，對(duì)泄漏在第一時(shí)間做出反應(yīng)是生產(chǎn)運(yùn)行安全管理的關(guān)鍵。但在天然氣中添加氫氣會(huì)改變氣體探測(cè)器的精度，因此，當(dāng)天然氣中存在氫氣時(shí)，必須重新校準(zhǔn)氣體檢測(cè)裝置，以確保其在氣體泄漏后能夠及時(shí)作出反應(yīng)[42]。針對(duì)混氫天然氣泄漏，采用細(xì)水霧和氮?dú)馔瑫r(shí)進(jìn)行稀釋能夠獲得更好的爆炸抑制效果[43]。

　　天然氣摻氫后一定程度上增大了管網(wǎng)輸送總體運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于家庭及商業(yè)用氣的安全性也有了更高的要求。對(duì)不同工況下混氫天然氣泄漏擴(kuò)散研究成果進(jìn)行分析，可為混氫天然氣管道輸送安全運(yùn)行生產(chǎn)提供預(yù)警及防護(hù)指導(dǎo)。但目前少有針對(duì)混氫天然氣泄漏檢測(cè)儀器的相關(guān)研究，今后可考慮通過提高檢測(cè)設(shè)備對(duì)混氫天然氣的敏感程度及優(yōu)化其空間布置、安裝方式來加快現(xiàn)場(chǎng)對(duì)泄漏事故的響應(yīng)速度。

　　4.2 混氫天然氣材料的適應(yīng)性

　　金屬材料在氫環(huán)境中可能出現(xiàn)氫脆及氫腐蝕問題，導(dǎo)致管道破裂及系統(tǒng)設(shè)備構(gòu)件失效，從而引發(fā)重大事故。氫環(huán)境中設(shè)備腐蝕失效的主要原因包括氫損傷、氫滲透及高溫腐蝕[44]。天然氣混氫后的氫脆問題不僅受到管材自身材質(zhì)的影響，而且與氫氣濃度、管輸壓力等有關(guān)。針對(duì)天然氣管道與設(shè)備用鋼，目前公認(rèn)氫氣輸送管道管材硬度不宜超過 22HRC，拉伸強(qiáng)度不宜超過 793 MPa[45]。拉伸強(qiáng)度超過 950 MPa 的 CNG 汽車用鋼管能夠適應(yīng)的氫氣添加量不能超過 2%，歐洲 CNG 汽車罐使用的 34CrMo4鋼對(duì)天然氣中添加的氫氣具有很好的兼容性[46]。當(dāng)混氫天然氣中氫氣濃度大于等于 10%時(shí)，可按照 ASME B31.12-2014《氫氣管道和管線》相關(guān)規(guī)定進(jìn)行分析;當(dāng)氫氣濃度小于 10%時(shí)，可采用 CGA-5.6-2005 R2013《Hydrogen Pipeline System》進(jìn)行分析[47]。若管道為 X52 鋼，可用于輸送氫氣濃度低于 10%的混氫天然氣;若管道為 X70 鋼，天然氣中混氫比例小于 10%時(shí)，需要將最大操作壓力降低至 7 MPa;混氫比例大于等于 10%時(shí)，最大操作壓力需降低至 5.38 MPa[31]。針對(duì)氫氣對(duì)金屬的氫脆作用，可考慮采用聚乙烯管進(jìn)行混氫天然氣輸送，雖然聚乙烯管存在氫氣滲透現(xiàn)象，但該滲透率相對(duì)于年輸送量可不予考慮[48]。因此，為了降低混氫天然氣輸送風(fēng)險(xiǎn)，低壓配氣系統(tǒng)管道輸送混氫天然氣推薦使用 PE 管道，高壓長輸系統(tǒng)管道推薦采用軟鋼管道以降低氫脆發(fā)生的概率。

　　綜上可知，氫氣對(duì)于低強(qiáng)度管材的影響不大，對(duì)于高強(qiáng)度管材氫脆影響更大。中國西氣東輸管道等大型輸氣管網(wǎng)建設(shè)工程中大多采用 X70、X80 高等級(jí)鋼，且管網(wǎng)輸送壓力要求高，相應(yīng)的氫氣分壓更高。在管道長期服役條件下，高鋼級(jí)管道的材料安全性能仍有待評(píng)估。

　　5 結(jié)論與建議

　　目前，國內(nèi)外已開展混氫天然氣研究及工業(yè)化試驗(yàn)中氫氣的體積分?jǐn)?shù)為 20%，對(duì)于混氫輸送適應(yīng)性及安全性的研究是目前國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。結(jié)合中國天然氣管網(wǎng)“全國一張網(wǎng)”戰(zhàn)略，主要建議如下：

　　(1)天然氣摻氫后將降低氣體的熱值及華白數(shù)等參數(shù)，增大火焰燃燒速率，導(dǎo)致終端民用/工業(yè)燃具及天然氣燃?xì)廨啓C(jī)熱負(fù)荷下降，增大燃具使用過程的回火風(fēng)險(xiǎn)。建議全面研究不同地區(qū)、不同類型燃具對(duì)混氫天然氣燃?xì)饣Q性的要求，評(píng)估混氫天然氣作為燃料、化工產(chǎn)品對(duì)民用/工業(yè)用戶等終端用戶的潛在影響。

　　(2)天然氣中摻入氫氣會(huì)提高管道的輸氣能力，但當(dāng)管網(wǎng)和壓縮機(jī)聯(lián)合運(yùn)行時(shí)其平衡工作點(diǎn)對(duì)應(yīng)的壓力和流量都將減小，反而會(huì)降低管道的輸氣能力。建議全面研究不同類型壓縮機(jī)在不同輸量、不同季節(jié)、不同混氫量條件下管道水力熱力參數(shù)分布以及壓縮機(jī)工況點(diǎn)的變化規(guī)律;結(jié)合混氫天然氣燃燒熱值、華白指數(shù)和燃燒勢(shì)等特性，分析混氫天然氣輸送過程中燃?xì)廨啓C(jī)的工況變化。

　　(3)天然氣摻氫后氣體壓縮因子等物性發(fā)生改變，致使不同流量計(jì)精度出現(xiàn)不同程度的偏差，但低含量的氫氣對(duì)計(jì)量精度的影響較小，可通過調(diào)整在線分析系統(tǒng)或使用離線分析手段進(jìn)行組分分析，確保計(jì)量的準(zhǔn)確性。對(duì)于超聲波流量計(jì)在天然氣貿(mào)易交接的主導(dǎo)地位，可以考慮含氫量、氣體分層流等因素，采用理論分析、CFD 模擬及實(shí)驗(yàn)等手段對(duì)超聲波流量計(jì)計(jì)量精度進(jìn)行研究。

　　(4)氫氣與天然氣氣體性質(zhì)差異較大，天然氣摻氫后會(huì)在一定程度上增大天然氣管網(wǎng)輸送的總體運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)對(duì)于家庭及商業(yè)用氣的安全性也有了更高要求。為了保證運(yùn)行能夠?qū)鞖涮烊粴獾男孤┘皶r(shí)做出反應(yīng)，建議結(jié)合混氫天然氣泄漏擴(kuò)散特性規(guī)律，研究不同應(yīng)急預(yù)防措施的適應(yīng)性，同時(shí)針對(duì)不同場(chǎng)景優(yōu)化檢測(cè)設(shè)備空間布置、安裝方式，及提高檢測(cè)設(shè)備對(duì)混氫天然氣的敏感程度，從而加快現(xiàn)場(chǎng)對(duì)泄漏事故響應(yīng)速度，保證生產(chǎn)安全。

　　(5)混氫天然氣氫氣組分對(duì)高強(qiáng)度鋼影響大于低強(qiáng)度鋼，主要表現(xiàn)為氫脆及氫腐蝕問題。建議采用實(shí)驗(yàn)測(cè)試、理論分析等方法，開展高鋼級(jí)管道在混氫條件下的長期服役能力研究，評(píng)估高鋼級(jí)管道輸送天然氣的安全混氫比。

　　(6)中國天然氣干線管網(wǎng)已基本形成了互聯(lián)互通的格局，在全國管網(wǎng)中進(jìn)行混氫輸送將面臨較大的工藝安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，可考慮選擇單一管道或局部管網(wǎng)先進(jìn)行混氫輸送先導(dǎo)試驗(yàn)，積累混氫輸送經(jīng)驗(yàn)，最終形成可靠的適于中國混氫輸送管道的評(píng)價(jià)方法及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。