天然氣加氫對(duì)燃具及管道的影響分析

1、天然氣加氫對(duì)燃具及管道的影響分析天然氣加氫主要目的是基于能源供應(yīng)安全保障和減少溫室氣體排放的考慮。氫氣具有燃燒速度快，燃燒界限寬，比熱值小，淬熄長(zhǎng)度長(zhǎng)等特點(diǎn)，天然氣中摻 入氫氣可以改變天然氣的燃燒特性。摻氫天然氣終端用戶主要為作為城鎮(zhèn)燃?xì)馐?用，即商業(yè)或者民用氣燃料，應(yīng)保證加入氫氣后終端用戶 .0的燃具不改變。天然氣的主要成分甲烷和氫氣的理化性質(zhì)見(jiàn)表 1。從這些性質(zhì)可以看出，甲烷和氫氣的理化性質(zhì)有很大的差別。表1甲烷和氫氣的物性對(duì)比表物性智敗甲烷(IIJ疆，（IV摩爾MihWWkE詞I6JM32,01 W相對(duì)皆收059145Hi晶因子L0006丁/K岡木533.2臨界IK力1Ml、4W)5柝-

2、M().085237.781612.DW7低熱位“MJ/Q34,01 M10.210釬火溫取汽:537571離婚枇數(shù)0670.60康坤極限僧5入14加1H.2-5N 國(guó)火焰化播速度Hm/J值33N251朗論審7由求小麗加，里52238tfltt 系數(shù)1.6x106.1x101.表中參比條件為101.325kPa,15C;2.空氣的摩爾質(zhì)量為28.9626kg/kmol1基礎(chǔ)數(shù)據(jù)擬建管道輸送的天然氣組分見(jiàn)表2。表2天然氣氣體組分表序”闔分庫(kù)爾分?jǐn)?shù)修1CH4*M.452磯3,883CH0A74n( (L235ti-CQ07CG0J7小0J1KUh0.259Ik0W21001.2城鎮(zhèn)燃?xì)饧夹g(shù)指標(biāo)根據(jù)

3、天然氣終端使用用戶的不同，天然氣中加入氫氣的比例也會(huì)不同。 城鎮(zhèn) 燃?xì)庥脩糁?，?guó)內(nèi)廣泛使用的燃具均以12T基準(zhǔn)氣為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，當(dāng)天然氣 中加入氫氣時(shí)，會(huì)改變天然氣的氣質(zhì)組分發(fā)生變化，燃具的燃燒工況將隨之改變， 進(jìn)而影響燃具的燃燒性能，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致燃具無(wú)法正常使用。因此，在天然氣中加入氫氣的比例，應(yīng)以不改變終端用戶燃具為前提，即考慮互換性的問(wèn)題。在城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范（GB50028中規(guī)定，城鎮(zhèn)燃?xì)馄x基準(zhǔn)氣的波動(dòng) 范圍宜按現(xiàn)行的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)城市燃?xì)夥诸悾℅B/T1361D的規(guī)定采用，并應(yīng)適 當(dāng)留有余地。城鎮(zhèn)燃?xì)庵?2T基準(zhǔn)氣的性能指標(biāo)見(jiàn)表3。表3 12T基準(zhǔn)氣的性能指標(biāo)表-高熱 一一數(shù)如一指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)

4、 植闡尿 他的林推 范附12T 377X 31.073457 S0.71 41冰。4刀 407 的jUW3注：天然氣標(biāo)準(zhǔn)參比條件為101.325kPa, 15C。2燃具互換性影響分析2.1 主要參數(shù)衡量燃具互換性的主要參數(shù)有天然氣熱值、華白數(shù)和燃燒速度指數(shù)。1）熱值燃?xì)獾臒嶂蛋词?計(jì)算：=*斗，/ 式中：H為燃?xì)鉄嶂担ǚ指邿嶂岛偷蜔嶂担?，MJ/m3 Hr為燃?xì)庵衦可燃組分的熱值，MJ/m3 fr為燃?xì)庵衦可燃組分的體積分?jǐn)?shù)，%2）華白數(shù)燃?xì)獾娜A白數(shù)按式2計(jì)算：式中：Ws為高華白數(shù)，MJ/m3 Hs為燃?xì)飧邿嶂?，MJ/m3 d為燃?xì)庀鄬?duì)密 度（干空氣的相對(duì)密度為1）。3）燃燒速度指數(shù)燃?xì)獾娜紵?/p>

5、度指數(shù)按式3計(jì)算：S事=（I +。）54獷0 /17。.6,出 WMQ +63獷2（3）式中：SF為燃燒速度指數(shù)；fHZ為燃?xì)庵袣錃怏w積分?jǐn)?shù)，% fcmHn為燃?xì)?中除甲烷以外的碳?xì)浠衔矬w積分?jǐn)?shù)， % fCO為燃?xì)庵幸谎趸俭w積分?jǐn)?shù)，% fCH4為燃?xì)庵屑淄轶w積分?jǐn)?shù)，% f0Z為燃?xì)庋躞w積分?jǐn)?shù)，%2.2計(jì)算結(jié)果與分析通過(guò)對(duì)不同氫氣摻比濃度（1%-23%的天然氣進(jìn)行計(jì)算。熱值根據(jù)公式（1）和天然氣的物性參數(shù)，計(jì)算不同摻氫比例下天然氣的熱值見(jiàn) 圖1。4O.(K)(MoooftM 3 3 3 夕E/nt h35劃1510 IS 2ft 25就飛播比法度圖1摻氫濃度與天然氣熱值的關(guān)系圖由圖1知，在天

6、然氣中加入的氫氣比例越大，燃?xì)獾臒嶂翟叫?。?dāng)天然氣摻氫比例從1%曾力口至I 23%寸，燃?xì)獾母邿嶂祻?9.22MJ/m3下降至34.35MJ/m&但 依然在12T基準(zhǔn)氣熱值范圍內(nèi)。高熱值達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值（37.78）時(shí)摻氫濃度為6.5%。 華白數(shù)根據(jù)公式（2）計(jì)算不同摻氫比例下天然氣的華白數(shù)見(jiàn)圖2。乳氣推比儂度糕圖2摻氫濃度與天然氣華白數(shù)的關(guān)系圖國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)城市燃?xì)夥诸悾℅B/T1361D中規(guī)定的燃?xì)馊A白數(shù)的范圍為-10%+8%但國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范（GB50028中規(guī)定，當(dāng)天然氣供給城鎮(zhèn)燃?xì)猓?2T）時(shí)燃?xì)馊A白數(shù)的波動(dòng)范圍為-5%+5%即50.73 （10.05）。由圖2知，在天然氣中加入的氫氣比

7、例越大， 燃?xì)獾娜A白數(shù)越小。當(dāng)天然氣 摻氫比例從1%曾力口至I 23%寸，燃?xì)獾娜A白數(shù)從51.26下降至48.90。但依然在12T 基準(zhǔn)氣華白數(shù)范圍內(nèi)。華白數(shù)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值（50.73）時(shí)摻氫濃度為5.3%。燃燒速度指數(shù)根據(jù)公式（3）計(jì)算不同摻氫比例下天然氣的燃燒速度指數(shù)見(jiàn)圖3。圖3摻氫濃度與天然氣燃燒速度指數(shù)的關(guān)系圖由圖3知，在天然氣中加入的氫氣比例越大， 燃?xì)獾娜紵俣戎笖?shù)越大。當(dāng) 天然氣摻氫比例從1%曾加到23%寸,燃?xì)獾娜紵俣戎笖?shù)從41.79上升至68.94, 均超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值（40.3）。但依然在12T基準(zhǔn)氣燃燒速度指數(shù)范圍內(nèi)。通過(guò)計(jì)算,可知在天然氣中加入氫氣的比例在 23%Z下時(shí),摻氫天

8、然氣的高 熱值、華白數(shù)和燃燒速度指數(shù)均在城鎮(zhèn)燃?xì)夥诸愔?12T基準(zhǔn)氣的相關(guān)技術(shù)要求范 圍內(nèi)。故滿足城鎮(zhèn)燃?xì)庥脩羧季呋Q性的要求。雖然通過(guò)計(jì)算，天然氣加氫的比例低于 23%兩足燃具互換性的要求，但依然 應(yīng)該考慮以下幾點(diǎn)問(wèn)題：天然氣中加氫如果是在長(zhǎng)輸天然氣管道中，建議氫氣比例控制在23%具體也要綜合考慮氫分壓的問(wèn)題，氫分壓應(yīng)小于 0.1MP3流速的問(wèn)題，建議最大流速不應(yīng)大于 10m/s。材質(zhì)選用的問(wèn)題。由于氫氣特殊的理化性質(zhì)，在管材選用時(shí)需從管材強(qiáng)度、 硬度、化學(xué)元素、韌性等方面進(jìn)行適應(yīng)性分析。有研究表明，氫含量16.7%, 12MPa 輸送壓力下，X70管線鋼不會(huì)產(chǎn)生氫腐蝕，機(jī)械性能也不會(huì)發(fā)生明

9、顯變化；但對(duì) 于X80管線鋼，當(dāng)氫含量大于2%寸，管材的使用壽命和力學(xué)性能等均發(fā)生了明 顯的下降。安全的問(wèn)題。 氫氣活潑的特性增加的管道氫脆風(fēng)險(xiǎn)和氫氣滲透風(fēng)險(xiǎn)， 也對(duì)焊接工藝提出了更高的要求； 同時(shí)考慮增大安全防護(hù)距離、 增設(shè)安全監(jiān)測(cè)設(shè)施 （特 別是氫氣）、加強(qiáng)安全巡檢。規(guī)范適用性的問(wèn)題， 目前國(guó)內(nèi)外均沒(méi)有含氫天然氣管道的設(shè)計(jì)與施工驗(yàn)收規(guī)范，同時(shí)還需考慮地方政府、安全、環(huán)保等驗(yàn)收的問(wèn)題。終端用戶接受度的問(wèn)題， 由熱值降低、 安全風(fēng)險(xiǎn)增大等因素可能引起的社會(huì)不安定問(wèn)題也應(yīng)該提前做好調(diào)研和預(yù)案。工程設(shè)計(jì)投資和運(yùn)行成本增加。 由于國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的氫氣對(duì)管道輸送和使用的影響仍不夠全面， 所以必須對(duì)可能影響工程安全因素的所有風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估， 做 到具體問(wèn)題具體分析。3 結(jié)論本文重點(diǎn)研究了天然氣中加入氫氣后對(duì)終端用戶使用的燃具互換性的問(wèn)題進(jìn)