王 瑋 王秋巖 鄧海全 程光旭 李 云

1.西安交通大學化學工程與技術學院 2.中石化中原石油工程設計有限公司

0 引言

隨著化石資源的逐漸枯竭和環(huán)境問題的日益嚴峻，氫能作為一種資源豐富、高熱值的潔凈燃料，被認為是未來最具潛力的能源替代品之一。鑒于目前氫氣分配基礎設施還不完善，其建設和利用成本較高，而我國已擁有較為成熟的天然氣管網(wǎng)。因此，將氫以一定比例摻入天然氣，再利用天然氣管網(wǎng)直接輸送混氫天然氣（HCNG）至終端用戶作為燃料使用，被認為是氫氣較低成本輸送和減少溫室氣體排放的有效方法 ，可以提高氫氣的輸送范圍，實現(xiàn)氫氣的高效率調配，提高氫能在能源消費結構中的占比[1]。該方法也可用于運輸風電電解所制得的氫氣，以解決風電大規(guī)模消納問題。美國休斯敦地區(qū)已利用一條225 km的天然氣管道運輸氫氣[2]。

由于氫氣和天然氣主要組分甲烷的理化性質和燃燒特性存在著很大的差別[3-4]，混氫比不同會改變燃氣的燃燒速度、熱負荷等燃燒指數(shù)，同時相對密度、傳熱系數(shù)、黏度等水力指數(shù)也會發(fā)生變化，以至于對燃氣的終端用戶以及管道的輸送工況造成較大影響。因此，城市天然氣管道供應系統(tǒng)必須考慮不同混氫比帶來的燃氣互換性問題和管道工況的變化，以保證終端用戶燃具和管道供應系統(tǒng)的運行安全、效率和性能。法國的GRHYD項目、荷蘭的VG2項目、德國西門子股份公司和美國能源部等對天然氣混氫的利用及其通過天然氣管道輸送的安全性進行了研究。而我國目前尚未出臺關于HCNG作為家用燃料及其輸送的相關國家標準，對于混氫比上限亦缺少明確要求。因此，急需對此開展研究。

在利用天然氣管道輸送HCNG方面，趙永志等[5]指出混入氫氣主要影響管道材料的韌性和疲勞裂紋擴展速率，會在一定程度上影響管網(wǎng)的安全運行；黃明等[1]提出使用德爾布指數(shù)法判斷混氫天然氣的燃氣互換性；馬向陽等[6]指出氫氣加入后通過提高輸送壓力便可保證管道的輸氣功率不變。但對于混氫天然氣不同互換性方法之間判別結果的差別與比較，以及不同混氫比對管網(wǎng)與壓縮機運行工況的影響則尚無報道。

為此，筆者采用常用的燃氣互換性判別方法（德爾布指數(shù)法、韋弗指數(shù)法和沃泊指數(shù)與熱值法）對天然氣在不同氫氣摻混比下的燃氣互換性進行評估分析，以此確定最大混氫比，同時基于HYSYS軟件和相似原理，探究不同混氫比對天然氣管網(wǎng)運行工況的影響，以期為天然氣管道輸送HCNG可行性研究提供基礎數(shù)據(jù)。

1 氫氣加入后對燃氣互換性的影響

1.1 混氫天然氣燃燒特性分析

與燃氣互換性有關的燃燒特性指數(shù)有：熱值、相對密度、沃泊指數(shù)、燃燒勢、爆炸濃度極限等，依據(jù)《天然氣發(fā)熱量、密度、相對密度和沃泊指數(shù)的計算方法：GB/T 11062—2014》[7]及其他相關文獻對某地區(qū)的氣源天然氣（天然氣組成如表1所示）進行上述燃燒特性指數(shù)計算，計算結果如圖1所示。

表1 某氣源天然氣組成表

由圖1可知，隨著氫氣摻混比由0～30%逐漸增大，混合氣體的熱值和沃泊指數(shù)趨于下降，分別降低了21%和10%，而燃燒勢急劇增大了48%，同時上、下著火濃度極限平穩(wěn)上升，分別上升了31%和39%。這說明隨著混合氣體中氫氣體積分數(shù)的增加，燃具的熱負荷下降，而燃氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣燃眲≡龃?，燃具回火的風險增大。這主要是因為氫氣的混入使得混合氣體中H基和OH基的濃度增大，加強了化學反應強度，加快了燃燒速度。依據(jù)《天然氣：GB 17820—2012》[8]中的相關指標對混氫天然氣進行分類，氣源天然氣符合一類天然氣熱值標準（熱值大于等于36.0 MJ/m3）；隨著混氫比增加，天然氣熱值下降，當混氫比介于10%～27%時，混合氣體符合二、三類天然氣的熱值標準（熱值大于等于31.4 MJ/m3）。

1.2 沃泊指數(shù)、熱值互換性判定

氣源天然氣屬于12T天然氣（沃泊指數(shù)介于45.67～54.78 MJ/m3，熱值介于31.97～43.57 MJ/m3）。以12T基準氣為參考，將不同氫氣摻混比下的沃泊指數(shù)和熱值繪制成如圖2的曲線，圖2中的矩形框內為可置換區(qū)域，曲線與矩形邊框的交點坐標為(32，46.4)，交點處對應氫氣體積分數(shù)為27%。按照《城鎮(zhèn)燃氣分類和基本特性：GB/T 13611—2018》[9]判定混氫比不應超過27%。

圖1 不同混氫比下混氫天然氣的燃燒特性指標圖

圖2 混氫天然氣沃泊指數(shù)和熱值的關系圖

1.3 德爾布指數(shù)法（Delbourg）互換性判定

該方法由法國燃氣公司德爾布博士于1956年提出，用圖解法以沃泊指數(shù)為縱軸、以燃燒勢為橫軸建立直角坐標系進行判斷[10-11]，至今仍被廣泛應用。12T天然氣的可置換區(qū)域沃泊指數(shù)介于45.6～54.77 MJ/m3，燃燒勢介于36.3～69.3。以燃燒勢為橫軸、沃泊指數(shù)為縱軸建立坐標系（圖3），圖3中矩形框內為可置換區(qū)域，曲線右側與矩形框的交點坐標為(69.3，46.9)，該交點處混氫比為24%。

圖3 混氫天然氣沃泊指數(shù)和燃燒勢的關系圖

按德爾布指數(shù)法判斷，混氫天然氣中氫氣的體積分數(shù)應小于24%。

1.4 韋弗指數(shù)法（Weaver）互換性判定

韋弗指數(shù)法是根據(jù)美國燃氣協(xié)會36號公告法改進得到的，引入了熱負荷指數(shù)、引射指數(shù)和一氧化碳生成指數(shù)[12-16]。韋弗指數(shù)法燃氣互換性判別依據(jù)和相關指數(shù)的計算如表2、3所示。

表2 韋弗指數(shù)法燃氣互換性的判別依據(jù)表

表3 混氫天然氣燃具互換性韋弗指數(shù)法判定表

鑒于表2，由表3可知最大混氫比介于10%～15%，進一步計算發(fā)現(xiàn)混氫比為13%時，JH為0.95，達到可互換下限。因此，判斷混氫天然氣中氫氣的體積分數(shù)應小于13%。

1.5 不同判定方法結果分析

可以看出，不同判別方法，得到的混氫比并不相同。依據(jù)德爾布指數(shù)法判定混氫比應小于24%，韋弗指數(shù)法判定混氫比應小于13%，沃泊指數(shù)和高位熱值判定混氫比應小于27%。

進一步分析不同判別法的特點。德爾布指數(shù)法通過燃氣的沃泊指數(shù)和燃燒勢來判斷燃氣的互換性。沃泊指數(shù)主要反映了燃氣燃燒時的熱負荷；燃燒勢可以用于描述燃燒現(xiàn)象，其反映了燃氣燃燒時內焰的高度。韋弗指數(shù)法綜合考慮了燃氣的一些基本燃燒現(xiàn)象和燃燒的“動力特性”，如回火、脫火、黃焰等，其對熱負荷的要求也較為嚴格：置換前后燃氣沃泊指數(shù)偏差不應超過5%。由此可以看出：3種方法側重點不同，韋弗指數(shù)法較為嚴格，德爾布指數(shù)法次之，而依照《城鎮(zhèn)燃氣分類和基本特性：GB/T 13611—2018》[9]，按沃泊指數(shù)和熱值判斷則最寬松，這也與計算結果相符。

2 氫氣加入后對管道輸送工況的影響

2.1 混氫比對管道水力參數(shù)的影響

以某地的天然氣輸送管道為例，使用HYSYS軟件建立模型，分析混氫比對管道輸送工況的影響，管道相關參數(shù)如表4所示?；鞖涮烊粴馕镄杂嬎隳Ｐ筒捎肂WRS狀態(tài)方程，實際計算結果表明，應用BWRS狀態(tài)方程預測混氫天然氣密度（混氫比小于等于30%，壓強介于1～3 MPa）與實際測量密度相比，其預測偏差始終小于0.2%，符合精度要求。依次計算環(huán)境溫度為15 ℃（平均溫度）、43.7 ℃（最高溫度）、－5.9 ℃（最低溫度）時，不同混氫比下的出站壓力、溫度以及給定進、出口壓力時的最大輸氣量和輸氣功率，其中輸氣功率定義為單位時間內管道輸送氣體的熱負荷[1]，為氣體高位熱值和流量的乘積，計算結果如圖4所示。

表4 管線參數(shù)表

由圖4可知：隨著環(huán)境溫度升高，管道出站壓力降低，最大輸氣量和輸氣功率減?。怀稣緶囟仁冀K穩(wěn)定在環(huán)境溫度附近，混氫比對出站溫度的影響較小；在15 ℃時，隨著氫氣摻混比由0到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%。因此，為了保證輸氣功率不變，可以適當增加管道的運行壓力。

圖4 不同溫度下混氫比對管道運行參數(shù)的影響圖

2.2 混氫比對離心壓縮機運行特性影響

離心壓縮機是天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)中重要的旋轉設備，對管道的高效安全運行影響重大，其運行工況與實際氣體組分相關[17]。采用流體力學相似原理，換算某天然氣離心壓縮機在12 680 r/min時不同混氫比下的特性曲線。壓縮機流動完全相似需要滿足幾何相似、進口速度三角形相似、特征馬赫數(shù)相等和氣體等熵指數(shù)相等，在實際中很難保證完全相似，只能滿足近似相似。經(jīng)計算得當天然氣混氫比至30%時，其絕熱指數(shù)變化較小，不超過0.28%。因此，當混氫比小于30%時，可忽略氣體絕熱指數(shù)的變化，采用絕熱指數(shù)相等，特征馬赫數(shù)不等的近似相似換算[18-19]。

圖5 混氫比改變后壓縮機性能圖

換算結果如圖5所示：當保持壓縮機轉速不變時，隨著混氫比增加，壓比和軸功率特性曲線將下移，當流量為5 500 m3/h時，混氫比由0增大至30%，壓比和軸功率分別下降了20%和36%。這主要是由于離心壓縮機增壓是依靠氣體的動能轉換為壓能，而氫氣的分子質量和相對密度較小，由伯努利原理可知，相同的速度減小量，相對密度越小，其增壓越小。由于該方法假定了效率相等的條件，可知特性曲線換算前后多變效率不變。

將壓縮機的特性曲線（圓點連線）和某一管網(wǎng)阻力曲線（方塊連線）畫于同一圖中，如圖6所示，曲線交點為壓縮機與管網(wǎng)聯(lián)合工作的平衡工作點。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，隨著混氫比由0增大至30%，其平衡工作點向圖6左下移動，平衡狀態(tài)對應的壓力和流量分別減小了7%和11%，降低了管網(wǎng)的輸氣能力。

圖6 壓縮機與管網(wǎng)聯(lián)合工作圖

3 結論

1）從混氫天然氣管道輸送的終端用戶考慮，氫氣的混入會對天然氣的燃燒特性產生較大影響：隨著氫氣體積分數(shù)增加，燃具的熱負荷下降，燃氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣燃眲≡龃?，燃具回火的風險增大。氫氣的體積分數(shù)依據(jù)沃泊指數(shù)和高位熱值判定小于27%，依據(jù)德爾布指數(shù)法判定應小于24%，依據(jù)韋弗指數(shù)法判定小于13%時，對下游用戶的影響較小，可以使用。

2）從混氫天然氣管道輸送的工況考慮，氫氣的混入會增大管道出口的壓力，減小阻力損失，使管道的輸氣能力增加，但其單位時間內管道輸送氣體的熱負荷下降。因此，為了保證輸氣功率不變，可以適當增加管道的運行壓力。需要注意的是，當管網(wǎng)中存在壓縮機時，氫氣的混入會使壓縮機與管網(wǎng)聯(lián)合工作的平衡工作點移動，其對應的壓力和流量都將減小，降低管網(wǎng)的輸氣能力。