史世杰，李曉鵬，羅 珊

（中石化中原石油工程設(shè)計有限公司，河南 鄭州 450000）

天然氣加氫主要目的是基于能源供應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，淬熄長度長等特點，天然氣中摻入氫氣可以改變天然氣的燃燒特性[1-2]。摻氫天然氣終端用戶主要為作為城鎮(zhèn)燃氣使用，即商業(yè)或者民用氣燃料，應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比表

1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

擬建管道輸送的天然氣組分見表2。

表2 天然氣氣體組分表

1.2 城鎮(zhèn)燃氣技術(shù)指標

根據(jù)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不同。城鎮(zhèn)燃氣用戶中，國內(nèi)廣泛使用的燃具均以12T 基準氣為標準進行設(shè)計的，當天然氣中加入氫氣時，會改變天然氣的氣質(zhì)組分發(fā)生變化，燃具的燃燒工況將隨之改變，進而影響燃具的燃燒性能，嚴重時將導致燃具無法正常使用。因此，在天然氣中加入氫氣的比例，應以不改變終端用戶燃具為前提，即考慮互換性的問題。

在《城鎮(zhèn)燃氣設(shè)計規(guī)范》（GB50028）中規(guī)定，城鎮(zhèn)燃氣偏離基準氣的波動范圍宜按現(xiàn)行的國家標準《城市燃氣分類》（GB/T13611）的規(guī)定采用，并應適當留有余地。城鎮(zhèn)燃氣中12T 基準氣的性能指標見表3。

表3 12T 基準氣的性能指標表

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

燃氣的熱值按式1 計算：式中：H 為燃氣熱值（分高熱值 和低熱值），MJ/m3；Hr為燃氣中r 可燃組分的熱值，MJ/m3；fr為燃氣中r 可燃組分的體積分數(shù)，%。

2）華白數(shù)

燃氣的華白數(shù)按式2 計算：式中：Ws 為高華白數(shù)，MJ/m3；Hs為燃氣高熱值，MJ/m3；d 為燃氣相對密度（干空氣的相對密度為1）。

3）燃燒速度指數(shù)

燃氣的燃燒速度指數(shù)按式3 計算：式中：SF為燃燒速度指數(shù)；fHZ為燃氣中氫氣體積分數(shù)，%；fcmHn為燃氣中除甲烷以外的碳氫化合物體積分數(shù)，%；fCO為燃氣中一氧化碳體積分數(shù)，%；fCH4為燃氣中甲烷體積分數(shù)，%；f0Z為燃氣氧體積分數(shù)，%。

2.2 計算結(jié)果與分析

通過對不同氫氣摻比濃度（1%～23%）的天然氣進行計算。

①熱值

根據(jù)公式（1）和天然氣的物性參數(shù)，計算不同摻氫比例下天然氣的熱值見圖1。

圖1 摻氫濃度與天然氣熱值的關(guān)系圖

由圖1 知，在天然氣中加入的氫氣比例越大，燃氣的熱值越小。當天然氣摻氫比例從1%增加到23%時，燃氣的高熱值從39.22 MJ/m3下降至34.35MJ/m3。但依然在12T 基準氣熱值范圍內(nèi)。高熱值達到標準值（37.78）時摻氫濃度為6.5%。

②華白數(shù)

根據(jù)公式（2）計算不同摻氫比例下天然氣的華白數(shù)見圖2。

國家標準《城市燃氣分類》 （GB/T13611）中規(guī)定的燃氣華白數(shù)的范圍為-10%～+8%，但國家標準《城鎮(zhèn)燃氣設(shè)計規(guī)范》（GB50028）中規(guī)定，當天然氣供給城鎮(zhèn)燃氣（12T）時燃氣華白數(shù)的波動范圍為-5%～+5%，即50.73（1±0.05）。

圖2 摻氫濃度與天然氣華白數(shù)的關(guān)系圖

由圖2 知，在天然氣中加入的氫氣比例越大，燃氣的華白數(shù)越小。當天然氣摻氫比例從1%增加到23%時，燃氣的華白數(shù)從51.26 下降至48.90。但依然在12T 基準氣華白數(shù)范圍內(nèi)。華白數(shù)達到標準值（50.73）時摻氫濃度為5.3%。

③燃燒速度指數(shù)

根據(jù)公式（3）計算不同摻氫比例下天然氣的燃燒速度指數(shù)見圖3。

由圖3 知，在天然氣中加入的氫氣比例越大，燃氣的燃燒速度指數(shù)越大。當天然氣摻氫比例從1%增加到23%時，燃氣的燃燒速度指數(shù)從

41.79 上升至68.94，均超過標準值（40.3）。但依

圖3 摻氫濃度與天然氣燃燒速度指數(shù)的關(guān)系圖

然在12T 基準氣燃燒速度指數(shù)范圍內(nèi)。

通過計算，可知在天然氣中加入氫氣的比例在23%以下時，摻氫天然氣的高熱值、華白數(shù)和燃燒速度指數(shù)均在城鎮(zhèn)燃氣分類中12T 基準氣的相關(guān)技術(shù)要求范圍內(nèi)。故滿足城鎮(zhèn)燃氣用戶燃具互換性的要求。

雖然通過計算，天然氣加氫的比例低于23%滿足燃具互換性的要求，但依然應該考慮以下幾點問題：

①天然氣中加氫如果是在長輸天然氣管道中，建議氫氣比例控制在3%，具體也要綜合考慮氫分壓的問題，氫分壓應小于0.1MPa。

②流速的問題，建議最大流速不應大于10m/s。

③材質(zhì)選用的問題。由于氫氣特殊的理化性質(zhì)，在管材選用時需從管材強度、硬度、化學元素、韌性等方面進行適應性分析。有研究表明，氫含量16.7%，12MPa 輸送壓力下，X70 管線鋼不會產(chǎn)生氫腐蝕，機械性能也不會發(fā)生明顯變化；但對于X80 管線鋼，當氫含量大于2%時，管材的使用壽命和力學性能等均發(fā)生了明顯的下降。

④安全的問題。氫氣活潑的特性增加的管道氫脆風險和氫氣滲透風險，也對焊接工藝提出了更高的要求；同時考慮增大安全防護距離、增設(shè)安全監(jiān)測設(shè)施（特別是氫氣）、加強安全巡檢。

⑤規(guī)范適用性的問題，目前國內(nèi)外均沒有含氫天然氣管道的設(shè)計與施工驗收規(guī)范，同時還需考慮地方政府、安全、環(huán)保等驗收的問題。

⑥終端用戶接受度的問題，由熱值降低、安全風險增大等因素可能引起的社會不安定問題也應該提前做好調(diào)研和預案。

⑦ 工程設(shè)計投資和運行成本增加。

由于國內(nèi)外現(xiàn)有的氫氣對管道輸送和使用的影響仍不夠全面，所以必須對可能影響工程安全因素的所有風險進行評估，做到具體問題具體分析。

3 結(jié)論

本文重點研究了天然氣中加入氫氣后對終端用戶使用的燃具互換性的問題進行的研究，通過對不同加氫比例后天然氣的熱值、華白數(shù)、燃燒速度指數(shù)進行了計算，結(jié)果顯示在天然氣中加入的氫氣比例小于23%時均滿足城鎮(zhèn)燃氣分類中12T 基準氣的相關(guān)技術(shù)要求，即滿足燃具互換性。同時對加氫天然氣在使用過程中可能存在的問題進行了分析。對天然氣加氫應用在城鎮(zhèn)燃氣中提供了參考。