天然氣管道摻入氫氣的影響及技術(shù)可行性分析

李百祥 遼寧省石油化工規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司

當(dāng)前全球發(fā)展水平的提升使得交通領(lǐng)域需要的燃料量也在不斷增加，特別是燃料電池和加氫站基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展水平也明顯提升。但是研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前加氫站的氫氣價(jià)格普遍較高，無法和傳統(tǒng)油氣燃料進(jìn)行公平競爭，而造成其成本價(jià)格過高的主要因素之一就是運(yùn)輸成本較高，影響了氫能產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。在多種氫氣運(yùn)輸過程中，管道輸送花費(fèi)的經(jīng)濟(jì)成本最為低廉，可以適應(yīng)較廣的運(yùn)輸距離，但是新建的氫氣專輸管道需要較高的建設(shè)成本，審批工作也相對(duì)困難。在這一環(huán)節(jié)中如果可以借助先進(jìn)的技術(shù)進(jìn)行管道設(shè)施建設(shè)，就能有效推進(jìn)氫氣的大規(guī)模輸送，在降低氫氣輸送成本的基礎(chǔ)上，全面提升天然氣管道經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢。

一、氫氣在天然氣管道中的影響

（一）對(duì)管道材料的影響

天然氣管道滲入氫氣很可能對(duì)管道材料安全造成負(fù)面影響，比如管道出現(xiàn)氫腐蝕或是脫碳等情況。由于管道中氫氣狀態(tài)不同，因此和金屬產(chǎn)生的作用也會(huì)出現(xiàn)明顯差異，由于問題發(fā)生機(jī)理不同，所以也需要應(yīng)用不同的風(fēng)險(xiǎn)防治辦法。通常情況下，使用年限越高，管道中的壓力就越大，這也意味著出現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)的概率將大大增加[1]。高壓長輸天然氣管道屬于高級(jí)鋼管，主要是借助直縫埋弧焊管、無縫焊管等進(jìn)行施工，但是鋼管強(qiáng)度越高意味著氫脆風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生概率越高，這也意味著對(duì)管道壽命產(chǎn)生的影響越大。除了管道材料自身產(chǎn)生的影響之外，摻入氫氣對(duì)管道氣體傳輸能力產(chǎn)生的影響也比較顯著。在確保天然氣管道壓力不變的情況下，不管氫氣摻入的體積分?jǐn)?shù)多大，都會(huì)對(duì)管道輸氣能力造成一定影響。通常情況下，當(dāng)摻氫比例大于等于10%以上，管道壓力就需要相應(yīng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，將壓力控制在5.38MPa。

（二）對(duì)壓縮機(jī)和管件的影響

天然氣摻氫在對(duì)管道材料和輸氣能力造成影響之外，還很可能對(duì)壓縮機(jī)、閥門、計(jì)量等設(shè)施造成影響。基于密度差異不同，管輸同樣能量的氫氣壓縮機(jī)功耗也將達(dá)到天然氣3.3倍以上，當(dāng)摻氫10%后氫氣就會(huì)出現(xiàn)壓縮機(jī)能耗增加，最終管輸氫氣的成本也將明顯提升。摻氣天然氣對(duì)于壓縮機(jī)自身的運(yùn)行也會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響[2]。和活塞壓縮機(jī)不同，離心壓縮機(jī)本身的動(dòng)力結(jié)構(gòu)需要和氫氣直接進(jìn)行接觸，所以運(yùn)行狀態(tài)在氣體影響下，葉輪旋轉(zhuǎn)速度和材料強(qiáng)度也會(huì)受到一定影響。這就需要在摻氫團(tuán)燃?xì)庠鰤哼^程中優(yōu)先選擇活塞壓縮機(jī)。針對(duì)區(qū)域性的中低壓天然氣管道不需要特殊增加增壓站，同樣也不需要對(duì)壓縮機(jī)的影響進(jìn)行評(píng)估。

（三）對(duì)氣質(zhì)組成和下游用戶的影響

天然氣摻入氫氣后，很可能直接對(duì)氣質(zhì)密度和熱值等出現(xiàn)變化，甚至對(duì)居民、工業(yè)企業(yè)和燃?xì)怆姀S的使用造成影響。氫氣熱值大約是天然氣熱值的30%左右，這也就意味著在輸送同等能量的基礎(chǔ)上，氫氣體積將是天然氣的三倍左右，特別是在高壓狀態(tài)下氫氣的可壓縮性更是明顯低于天然氣[3]。所以在這一過程中就需要提高壓力或是流量實(shí)現(xiàn)對(duì)管道輸送能量強(qiáng)度的提升。天然氣摻入氫氣后還會(huì)造成灶具、天然氣內(nèi)燃機(jī)負(fù)荷的明顯下降，由于燃?xì)饣鹧娴膫鞑ニ俣却蟠筇嵘虼艘苍谝欢ǔ潭壬显黾恿嘶鼗痫L(fēng)險(xiǎn)。通常情況下，摻氫比例應(yīng)該控制在5%以下，只有這樣才能最大程度上降低對(duì)管道和終端用戶的負(fù)面影響。

（四）對(duì)泄漏和安全的影響

研究可知?dú)錃饷芏葍H為天然氣的12.5%左右，由于分子體積較小，因此在空氣中擴(kuò)散的速度也將更快，極易發(fā)生泄露和滲漏危機(jī)。在管道完整性良好的狀態(tài)下出現(xiàn)滲漏也是當(dāng)前較為常見的情況，理論研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)摻氫超過20%后氣體滲漏損失將超過原有天然氣管道滲漏量的兩倍以上，但是基于滲漏量低于傳送量，所以并不會(huì)對(duì)安全性和經(jīng)濟(jì)性造成嚴(yán)重的負(fù)面影響[4]。在管道完整性或是接口密封性降低的情況下，還需要對(duì)管道輸送天然氣和氫氣泄漏的擴(kuò)散情況進(jìn)行分析，通常氫氣的泄漏速度更快，在開放空間內(nèi)形成的危險(xiǎn)云團(tuán)集中速度較快，在快速上升的過程中不容易發(fā)生積聚情況，由于其不具備擴(kuò)散潛伏期，因此在近地面地區(qū)造成的危害性影響就更為嚴(yán)重。

二、國內(nèi)外對(duì)天然氣摻氫比例提出的要求

研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)前很多國家對(duì)于天然氣摻氫比例的研究結(jié)果并不相同，分別為0.1%-30%，這也意味著操作過程中提出的要求差異性較大。目前我國仍然沒有出臺(tái)一項(xiàng)完整的天然氣管道摻氫比例要求和規(guī)定[5]。雖然GB-17820-2017《天然氣》中已經(jīng)對(duì)天然氣質(zhì)量要求提出了高位發(fā)熱量要求，并且在后續(xù)技術(shù)規(guī)范中對(duì)燃?xì)赓|(zhì)量和組分要求提出了更細(xì)致的規(guī)定，但是仍然沒有對(duì)具體氫氣含量提出限制性要求。

三、結(jié)束語

對(duì)已有的天然氣管道設(shè)施中摻入氫氣，是當(dāng)前氫能運(yùn)輸成本進(jìn)行控制的重要手段之一，特別是對(duì)于區(qū)域性的中低壓傳輸而言，更是為后續(xù)企業(yè)效益增長提出了重要幫助和發(fā)展機(jī)遇。在天然氣管道摻入氫氣后，最好將天然氣和氫氣進(jìn)行分離，并且在分離后不繼續(xù)進(jìn)行注回管道增壓，通過此種方式可以實(shí)現(xiàn)對(duì)氫氣運(yùn)輸成本的有效控制。目前歐美國家已經(jīng)加強(qiáng)了摻氫項(xiàng)目的研究，基于目前我國研究范圍有限，因此更需要在今后工作中加強(qiáng)對(duì)相關(guān)問題的分析。