摘 要

摘　要：指出氢气加入到现有天然气管道后会引起管材方面的风险(氢脆和渗透)。在12T基准气条件下，为了不改变终端用户的燃具，混合气中氢气的最大允许体积分数为23％。根据氢气加入

摘　要：指出氢气加入到现有天然气管道后会引起管材方面的风险(氢脆和渗透)。在12T基准气条件下，为了不改变终端用户的燃具，混合气中氢气的最大允许体积分数为23％。根据氢气加入后管道输送混合气的数学模型，提出输气功率的定义，用以反映管道输送能量的能力。只需给现有燃气管网预留一定的压力，氢气加入后通过提高输送压力便可保证管道的输气功率不变。

关键词：氢气  天然气管道  氢脆  渗透　输气功率  输气能力

Feasibility Analysis of Hydrogen Transport in Natural Gas Pipeline

Abstract: The risk of materials such as hydrogen embrittlement and permeation caused by adding hydrogen into existing natural gas pipeline is pointed out．Under the condition of l 2T reference gas．the maximum allowable volume fraction of hydrogen in mixture is 23％to not change end-user appliances．According to the mathematical model of transport gas mixture in pipeline after addition of hydrogen，the definition forgas transport power is presented to reflect the pipeline gas transport capacity．Aconstant gas transport power is achieved by improving gas transport pressure after addition of hydrogen if only a certain pressure is reserved for existing natural gas pipeline．

Key words: hydrogen；natural gas pipeline；hydrogen embrittlement；permeation；gas transport power；gas transport capacity

 

1　氢气加入后管材方面的风险

氢气和天然气的主要组分甲烷物理化学性质有很大差别(见表l，表l中的密度、低热值、高热值均为15℃、标准大气压下的值)^[1]。从这些性质的差别可以看出，为天然气设计的管道很难直接用来输送氢气或者氢气和天然气的混合物。氢气加入后会改变管道内气体的性质，从而引发管材方面的风险。

 

①氢脆风险

氢脆会改变管道的机械性能，例如钢铁的氢脆现象会加速微小裂缝的破裂。一般这方面的风险很难具体计算，可通过复杂的试验得出相关结论。因为它不仅与管道的材料有关，还涉及到管道的运行年限。通常管道的压力越高，使用年限越久，氢脆的风险越大^[2]。

②氢气渗透风险

由于氢气的渗透率远大于天然气，所以输送氢气的管道会产生氢气损失，但是这种损失一般很小，基本可以忽略不计。此外，渗透强弱还与管道材料有关。在铸铁管和纤维水泥管道中，氢气渗透风险很大；在PE管中，氢气渗透率是天然气的5倍，但仍然很小。有计算表明，PE管1年中渗透损失的氢气体积接近其输送气体体积的0.0005％～0.001％。

2　氢气加入后对燃气互换性的影响

任何燃具都是按一定的燃气成分设计的。当氢气加人到天然气中导致燃气成分发生变化时，燃具燃烧器的燃烧工况会改变，将会影响燃具的性能，甚至导致原有的燃具不能正常工作。因此氢气加入天然气后必须考虑互换性问题。衡量互换性的两个常用参数为华白数和燃烧势。

华白数计算公式为：

 

式中W——燃气华白数，MJ／m3

Q_h,g——天然气的高热值，MJ／m³

Q_h,H——氢气的高热值，MJ／m³

φ_H——燃气中氢气的体积分数

p_g——天然气的密度，kg／m³

p_H——氢气的密度，kg／m³

p_a——空气的密度，kg／m³

目前各国一般规定两种燃气互换时华白数形的变化范围为-10％～l0％^[3]。因此，对于l2T天然气，华白数允许变化范围是45.71～55.87MJ／m³。

燃烧势C_p，是反映燃气燃烧内焰高度的指标，计算公式为：

 

式中C_p——燃气燃烧势

K₁——与燃气中氧气含量有关的系数

φ_H——燃气中氢气的体积分数，％

φ_CO——燃气中C0的体积分数，％

φ_CH——燃气中除甲烷外的碳氢化合物的体积分数，％

φ_met——燃气中甲烷的体积分数，％

d——混合气体的相对密度

对于l2T天然气，依据GB／Tl3611-2006《城镇燃气分类和基本特性》可知，华白数范围为45.67～54.78 MJ／m³，燃烧势的范围为36.3～69.3。以12T的基准气为参考，依据公式(1)、(2)计算含有不同体积分数的氢气的混氢天然气的华白数和燃烧势，将结果绘成曲线，见图l。图l中，虚线内为可置换区域，其4个角点坐标分别为(36.3，54.78)、(69.3，54．78)、(36.3，45.67)、(69.3，45.67)；曲线起点为天然气，终点为氢气，其余为混氢天然气；虚线与曲线的右侧交点处氢气的体积分数为23％。由公式(2)知，若燃气中只含有氢气和天然气，则燃烧势和氢气的体积分数成正相关的关系。

 

由图l可知，氢气加入后，混合气体的华白数趋于下降，而燃烧势急剧增大。这说明随着混合气体中氢气体积分数的增加，燃具的热负荷下降，而燃气的火焰传播速度急剧增大，燃具回火的风险急剧增大。为有效解决燃气的互换性和燃具的适应性问题，依据特性指标，混氢天然气中氢气的体积分数必须小于23％，即控制在可置换区域内。如此，则可保证加入氢气后终端用户的燃具不用改变。

3　氢气加入后管道输送工况的变化

①氢气加入后管道水力数学模型

燃气稳态流动的一般方程^[4]为：

 

式中q_v一—标准状态下（压力为101325Pa，温度为288K）管道内的流量，m³/s

R_air——空气气体常数，取287J/(kg·K)

T_n——标准温度，K，取288 K

P_n——标准大气压Pa，取101325 Pa

P₁ 、P₂——管段起点、终点绝对压力，Pa

P_av——沿管长的平均绝对压力，Pa

g——重力加速度，m²/s，取9.8 m/s²

h——管段高差，m

Z——压缩因子

T——温度，K

D——管道内径，m

λ——摩擦系数

L——管长，m

λ由柯氏公式计算得出：

 

式中K——管道内壁的当量绝对粗糙度，m

Re——雷诺数

压缩因子一般可以通过查图表^[5]的方式得出，也可以用经验公式计算。参照文献^[1]，混合气体的压缩因子可由下述经验公式计算：

 

式中T_e一—气体的临界温度，K

P_e——气体的临界压力，Pa

在设计中，压缩因子一般认为是混合气体的临界性质、管道的平均压力和温度的函数。

在探讨利用现有燃气管道输送氢气和天然气混合物的输气能力时，仅仅用流量不能表示出氢气加入到原有天然气管道后管道输气能力的变化，引入管道输气功率少的概念，表示管道输气能力的大小。管道输气功率中的定义为单位时间内管道输送气体的负荷，即：

Φ=qvQ_h，z　　　　　　　　　　　　　　（5）

 

式中Φ——管网输气功率，MJ／s

Q_h，z——混合气体的高热值，MJ／m³

当管段高差为0时，则：

 

显然式(10)的值大于零，可见提高起点压力比降低终点压力更能提高管道的输气功率。

②实例分析

a．管道压力降不变时

假设某PE管道(SDRll)长3km，管道外径为250mm，起点压力为0.4MPa，终点压力为0.35MPa，温度为288K，压缩因子取l。当管道压力降不变时，利用式(6)、(7)计算这段管道的体积流量和输气功率，将计算结果绘成曲线，见图2、3。

 

 

由图2可知，氢气加人到天然气管道后，若保证压力降不变，则随着氢气体积分数的增大，和输送天然气相比，管道的体积流量急剧增大。

由图3可知，氢气加入到天然气管道后，若保证压力降不变，则无论氢气的体积分数为多大，和输送天然气相比，管道的输气功率均是下降的，即管道的输气能力是降低的。当氢气在混合气体中的体积分数大于0.83后，管道的输气功率有小幅回升，但和输送天然气相比，管道的输气能力仍然是下降的。在图1中也有相类似的情况，当氢气在混合气体中的体积分数为0.83左右时，混合气体的华白数是最低的。

b．增大管道压力降后

由图3可知，若不改变压力降，管道的输气能力有较大幅度下降。因此，为保证管道的输气功率，氢气加入后，往往需要更大的压力降运行。我们有必要探讨增大管道的压力降后，管道的输气功率呈何种趋势变化。

假设PE管道(SDRll)长3 km，管道外径为250mm，温度为288K。在中压条件下，分别取起点压力为0.38、0.384、0.40MPa，终点压力为0.35MPa，计算不同氢气体积分数下管道的输气功率，并将计算结果绘成曲线，见图4。压缩因子均取1。在低压条件下，分别取起点压力为7、7.3、8kPa，终点压力为5kPa，计算不同氢气体积分数下管道的输气功率，并将计算结果绘成曲线，见图5。压缩因子均取1。

 

 

由图4、5可知，增大管道的压力降后，无论中压还是低压条件，管道的输气功率均有显著提升。在中压条件下，混合气体中氢气的体积分数为0.23时，为保证输气功率不变，则起点压力需从0.38MPa增大到0.384MPa。在低压条件下，混合气体中氢气的体积分数为0.23时，为保证输气功率不变，则起点压力需从7kPa增大到7.3kPa。这说明微小提升压力降，就能保证管道的输气能力不变。

4　结语

氢气的渗透率高和氢脆现象的存在，使得输送氢气和天然气的混合物对管材及其处理的要求特别高。对于现阶段的天然气管道设计而言，要尽可能地考虑到将来可能要用现有的燃气管道输送氢气和天然气的混合物，因此在管材的选择上要加强对氢脆现象的防护处理，加强对管道损伤、裂缝的探查和处理。对管道的焊缝要提出更高的要求，使其对氢脆现象有更强的防护能力。一旦将来要用现有管道输送氢气和天然气的混合物，就必须对管道重新进行缺陷检测、修复和更新。

从终端用户的角度看，若要使原有灶具能正常工作，混氢天然气中氢气的体积分数应控制在23％以内。另外，提高输送压力是提高管道输气功率的有效方式。为此，在燃气管网设计时应适当地增大设计压力，使管网的运行压力留有一定的余量，以应对将来形势的变化。一旦混氢天然气得到大规模的使用，只需在现有管道的基础上提高运行压力便可以满足管道的输气功率要求。

 

参考文献：

[1]　TABKHI F，AZZAR0-PANTEL L C，PIBOULEAU L，et al．A mathematical framework for modeling and evaluating natural gas pipeline networks under hydrogen injec-tion[J]．International Journal of Hydrogen Energy，2008(33)：6222-6231．

[2]　HAESELDONCKX D，D’HAESELEER W．The use of the natural-gas pipeline infrastructure for hydrogen transport in a changing market structure[J]．International Journal of Hydrogen Energy，2007(32)：1381-1386．

[3]　刘蓉，刘文斌．燃气燃烧与燃烧装置[M]．北京：机械工业出版社，2009：159-168．

[4]  江茂泽，徐羽镗，干寿喜，等．输配管网的摸拟与分析[M]．北京：机械工业出版社，1995：83-88．

[5]　段常贵．燃气输配[M]．3版．北京：中国建筑工、业出版社，2001：8-10．

 

本文作者：黄 明  吴 勇  文习之  刘文斌  管延文

作者单位：华中科技大学环境科学与工程学院，湖北武汉430074

　中国市政工程中南设计研究总院有限公司第三设计院，湖北武汉430010