天然氣摻氫對(duì)管輸工藝安全影響的探討

陳俊文 湯曉勇 陳情來(lái) 陶科宇 諶貴宇 李天雷

1. 中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司西南分公司, 四川 成都 610041;

2. 中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司工程技術(shù)研發(fā)中心, 北京 100120;

3. 中國(guó)石油西南油氣田公司川東北氣礦, 重慶 635000

0 前言

近年來(lái),以氫能為代表的新能源逐漸成為世界各國(guó)研究的熱點(diǎn)[1-3]。大規(guī)模運(yùn)輸氫氣時(shí),管道輸送更加高效、安全。國(guó)外已建成氫氣管道約6 000 km,但天然氣管道摻氫尚未在大型生產(chǎn)項(xiàng)目中實(shí)質(zhì)性推進(jìn)。在“雙碳目標(biāo)”的發(fā)展背景下,中國(guó)氫氣管道和天然氣摻氫管道輸送需求日益旺盛,其中在天然氣管道中摻入氫氣輸送是一個(gè)較有潛力的發(fā)展方向。然而,中國(guó)面臨著關(guān)鍵問(wèn)題認(rèn)識(shí)有待加深、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不足、規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)缺失等情況,因此亟待填補(bǔ)空白。目前,諸多學(xué)者在天然氣摻氫管道輸送工藝[4-6]、末端用戶(hù)適應(yīng)性[7-8]、材料評(píng)價(jià)[9-10]、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范應(yīng)用[11-12]等方面開(kāi)展了部分工作,取得了一定認(rèn)識(shí),可對(duì)天然氣管道摻氫輸送提供一定的技術(shù)支撐[4-12],同時(shí)部分現(xiàn)行有關(guān)氫氣管道輸送[13-14]和氫氣站場(chǎng)[15-16]等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及油氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[17-20]亦對(duì)天然氣摻氫輸送具有借鑒作用。眾所周知,相比甲烷,氫氣在空氣中具有最小點(diǎn)火能量低、自燃概率高、燃燒速度快、爆炸下限低等特點(diǎn),其摻入天然氣后的高壓管道運(yùn)行安全是不可回避的問(wèn)題,且摻氫管道的實(shí)施需要工程設(shè)計(jì)先行,但目前鮮有針對(duì)天然氣摻氫對(duì)管道輸送工藝安全影響的相關(guān)探討與報(bào)道,不利于大規(guī)模推動(dòng)實(shí)施天然氣管道摻氫輸送。為此,有必要結(jié)合氫氣與含氫天然氣的介質(zhì)特性,基于含氫管道工程設(shè)計(jì)相關(guān)工藝安全需求,開(kāi)展天然氣摻氫管道工程設(shè)計(jì)相關(guān)關(guān)鍵參數(shù)變化規(guī)律及潛在影響的討論,結(jié)合工程設(shè)計(jì)關(guān)注的相關(guān)工藝安全場(chǎng)景,探討摻氫對(duì)工藝安全的定量影響,提出工程設(shè)計(jì)建議,更好地為天然氣摻氫管道工程設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 天然氣摻氫后主要物性參數(shù)變化規(guī)律

對(duì)于天然氣摻氫,目前從管道輸送工藝、材料評(píng)價(jià)、末端用戶(hù)適應(yīng)性等方面開(kāi)展了研究工作,且以中低壓燃?xì)夤艿姥芯繛橹?根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景不同,還應(yīng)結(jié)合具體工程予以探討；同時(shí),工程設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)考慮摻氫對(duì)天然氣管道輸送工藝安全的影響,分析關(guān)鍵基礎(chǔ)參數(shù)的變化及其潛在安全影響。

1.1 單位體積高位熱值

單位體積高位熱值是單位體積氣體燃燒后的能量尺度表征參數(shù)。混合氣體的高位熱值是各組分高位熱值、各組分體積分?jǐn)?shù)的函數(shù)。天然氣的主要組分為甲烷,甲烷單位體積高位熱值約為37.77 MJ/m3,氫氣單位體積高位熱值約為12.09 MJ/m3,而對(duì)于摻氫10%體積分?jǐn)?shù)的天然氣,其單位體積高位熱值約為35.1 MJ/m3。由此可見(jiàn),氫氣單位體積高位熱值約為甲烷單位體積高位熱值的33%,天然氣摻氫后的單位體積高位熱值低于天然氣。以10%氫氣摻入為例,摻氫前后的單位體積高位熱值降幅約7%。

不少學(xué)者就天然氣摻氫后對(duì)管道輸送工藝的影響進(jìn)行了討論,主要影響為:若交接計(jì)量按照體積熱值衡量,摻氫后需提升混合氣體的體積流量,以滿(mǎn)足交接熱值計(jì)量的要求;受摻氫后燃料氣熱值影響,燃驅(qū)壓縮機(jī)效率將降低;對(duì)于管道輸送工藝安全的影響主要體現(xiàn)在燃燒熱輻射上,但需注意的是,雖然混合介質(zhì)的單位體積高位熱值降低,但燃燒熱輻射還受到泄放量的影響,定量的影響分析還需基于具體場(chǎng)景進(jìn)行討論。

1.2 氣體比重

氣體比重又稱(chēng)相對(duì)密度,主要表征標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體與空氣的密度比值,在氣體流量檢測(cè)與氣體交易中具有重要的作用。

在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下,氫氣的密度為0.083 kg/m3(約為甲烷的11%),而空氣的密度為1.25 kg/m3。

在天然氣摻氫后,混合氣體的比重降低,在管道輸送工藝上體現(xiàn)為流動(dòng)能力的提升;在離心增壓時(shí),由于比重降低,相同壓比下?lián)綒涮烊粴馑枞~輪轉(zhuǎn)速較天然氣所需葉輪轉(zhuǎn)速更大。

氫氣在空氣中具有明顯的上浮趨勢(shì),這對(duì)于泄漏后的擴(kuò)散具有促進(jìn)作用。同時(shí),由于氣體比重降低,摻氫天然氣具有更強(qiáng)的“泄漏逃逸”性能。

1.3 燃燒極限

燃燒下限(Lower Flammable Limit,LFL)和燃燒上限(Upper Flammable Limit,UFL),通常也稱(chēng)爆炸下限和爆炸上限,表征氣體混合物在空氣中形成燃燒或爆炸環(huán)境的濃度范圍。

純甲烷的LFL和UFL分別為4.4%和17.0%,而純氫的LFL和UFL分別為4.0%和77.0%。氫氣與甲烷混合物的LFL和UFL可以使用專(zhuān)業(yè)商用軟件分別進(jìn)行計(jì)算,10%氫氣體積分?jǐn)?shù)的摻氫天然氣,其LFL和UFL分別為4.36% 和18.44%。由此可見(jiàn),天然氣摻氫將導(dǎo)致可燃范圍擴(kuò)大。

在安全影響上,不同LFL和UFL最顯著的影響體現(xiàn)在危險(xiǎn)易燃?xì)怏w環(huán)境的分類(lèi)。對(duì)于中國(guó)的危險(xiǎn)介質(zhì)分類(lèi),氫氣和甲烷同屬于甲類(lèi)介質(zhì),因此摻氫后不影響分類(lèi)。理論上講,氣體混合物的可燃性范圍擴(kuò)大意味著危險(xiǎn)區(qū)域范圍的擴(kuò)大,即可能形成潛在爆炸性環(huán)境的區(qū)域范圍擴(kuò)大,實(shí)際的危險(xiǎn)區(qū)域范圍還需要綜合泄漏量、擴(kuò)散環(huán)境條件等綜合判斷。

1.4 火焰發(fā)射率

氫氣火焰的燃燒特性與天然氣不同，氫氣燃燒所發(fā)出的光可見(jiàn)度較低，典型的天然氣火焰呈藍(lán)色,火焰尖端有發(fā)光的黃色區(qū)域。在燃燒過(guò)程中存在某些金屬或非金屬成分的情況下，隨著氫濃度的增加,觀察到黃色火焰逐漸蔓延。研究表明,當(dāng)氫含量達(dá)到40%時(shí),除了靠近燃燒器的區(qū)域仍然呈藍(lán)色外,整個(gè)火焰都變成黃色。對(duì)于摻氫10%的天然氣,可認(rèn)為火焰發(fā)射率與100%天然氣的火焰發(fā)射率相似。

1.5 焦耳—湯姆遜效應(yīng)

氫氣具有負(fù)的焦耳—湯姆遜效應(yīng)，對(duì)于純氫氣,節(jié)流降壓前后的溫度變化較小。與氫氣不同,天然氣具有正的焦耳—湯姆遜效應(yīng)。天然氣摻氫后,壓力降低所引起的溫度變化取決于氣體的混合比例。

在高壓天然氣輸送系統(tǒng)中,焦耳—湯姆遜效應(yīng)被視為低溫的風(fēng)險(xiǎn)源之一,摻氫對(duì)JT效應(yīng)有緩解作用,定量影響可通過(guò)商業(yè)軟件模擬確定。

1.6 最小點(diǎn)火能

最小點(diǎn)火能(Minimum Ignition Energy,MIE) 是可燃?xì)怏w和空氣的混合物起火所必需的能量臨界值。氫氣在空氣中最小點(diǎn)火能量很低,僅為0.019 mJ,點(diǎn)燃后燃燒速率很快,是燃燒危險(xiǎn)性很大的危險(xiǎn)化學(xué)品;而甲烷的最小點(diǎn)火能相對(duì)較高,達(dá)到0.274 mJ。MIE隨著氫含量的增加成比例降低,天然氣摻氫后,混合氣體的最小點(diǎn)火能降低,發(fā)生著火的概率增加。這種影響主要體現(xiàn)在工程建設(shè)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)階段,應(yīng)適當(dāng)考慮天然氣摻氫對(duì)混合介質(zhì)點(diǎn)火概率的修正。

2 天然氣摻氫后工程設(shè)計(jì)典型影響

鑒于前述氫氣的物性特征,有必要針對(duì)工程設(shè)計(jì)中的典型場(chǎng)景對(duì)天然氣摻氫后的安全相關(guān)特性進(jìn)行分析與探討,揭示典型規(guī)律,指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)。

2.1 節(jié)流后低溫影響

在高壓天然氣管道的設(shè)計(jì)和運(yùn)行中,節(jié)流效應(yīng)是工藝安全關(guān)注的焦點(diǎn)之一。例如,在管道放空過(guò)程中,控制大壓差節(jié)流引起的低溫是指導(dǎo)管道選材、放空系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要原則。如前所述,氫氣具有典型的逆焦湯效應(yīng),通過(guò)ASPEN HYSYS軟件對(duì)不同摻氫濃度的氫氣—天然氣混合介質(zhì)在相同初始溫度(30 ℃)、相同節(jié)流壓差(節(jié)流前10 MPa、節(jié)流后0.1 MPa)時(shí)的溫降進(jìn)行模擬,結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 不同濃度氫氣—天然氣體系節(jié)流溫降對(duì)比圖Fig.1 Throttling induced temperature difference comparison for different hydrogen-natural gas concentration system

由圖1可見(jiàn),在相同節(jié)流壓差與初始溫度下,摻氫比例越高,節(jié)流溫降越小,即摻氫天然氣的節(jié)流溫降小于天然氣的節(jié)流溫降。定量來(lái)看,在小體積比例摻混后(摻氫10%),氣體介質(zhì)的節(jié)流溫降為38.9 ℃,而純天然氣溫降為47.5 ℃,降幅較明顯,說(shuō)明摻氫10%～20%的天然氣對(duì)管道輸送系統(tǒng)的節(jié)流低溫影響具有較明顯的抑制作用。

2.2 氣體泄漏流量影響

氣體泄漏是各類(lèi)安全問(wèn)題的關(guān)鍵誘因之一。如前所述,由于氫氣的分子量極小,更易泄漏,因此可認(rèn)為其摻入天然氣后,介質(zhì)具有更強(qiáng)的泄漏趨勢(shì)。開(kāi)展了不同摻氫比例的天然氣在相同壓力下(8 MPa)的多孔徑泄漏場(chǎng)景模擬,定量對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 不同濃度氫氣—天然氣體系泄漏質(zhì)量流量對(duì)比圖Fig.2 Mass flowrate comparison for different hydrogen-natural gas concentration system leakage

由圖2可見(jiàn),在相同初始?jí)毫涂讖较?摻氫天然氣的泄漏質(zhì)量流量隨含氫比例升高而降低,純甲烷與純氫氣在相同泄漏條件下,泄漏質(zhì)量流量比可以達(dá)到3倍左右。由于氫氣密度僅為天然氣密度的1/8,氫氣的泄漏體積流量明顯高于天然氣,表明氫氣具有更強(qiáng)的泄漏趨勢(shì)。對(duì)不同摻氫比例的天然氣泄漏體積流量采用DNV PHAST V8.0進(jìn)行了模擬,模擬結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 不同濃度氫氣—天然氣體系泄漏體積流量對(duì)比圖Fig.3 Volume flowrate comparison for different hydrogen-natural gas concentration system leakage

由圖3可見(jiàn),在相同泄漏條件下,摻氫天然氣的泄漏體積流量隨氫氣比例升高而逐漸增大;在摻氫比例較低時(shí),泄漏體積流量變化相對(duì)平緩,隨摻氫比例增大,泄漏體積流量增幅顯著,這主要是受泄漏介質(zhì)分子量隨摻氫比例增大而逐漸降低引起的。同時(shí),值得關(guān)注的是,在相同泄漏條件下,純氫氣的體積泄漏量約為天然氣的3倍,說(shuō)明氫氣也具有更強(qiáng)的泄漏口噴射效應(yīng),由于均為超臨界泄放,該結(jié)論也與“氫氣的聲速約為天然氣聲速3倍”的基本規(guī)律吻合。

綜上,摻氫天然氣泄漏場(chǎng)景下,氣體泄漏質(zhì)量流量隨摻氫比例升高而降低,氣體泄漏體積流量隨摻氫比例升高而增加,且摻氫比例越高,單位摻氫比例增幅下的變化幅度越大,這對(duì)于泄漏引起的相關(guān)安全后果分析提供了基礎(chǔ)。需要指出的是,在目前業(yè)內(nèi)推薦的天然氣摻氫比例(10%～20%)內(nèi),由于摻氫比例都處在相對(duì)較低的范圍,因此其泄漏流量與純天然氣相比,變化幅度較小。

2.3 氣體泄漏后擴(kuò)散范圍影響

可燃?xì)怏w泄漏后應(yīng)評(píng)估其擴(kuò)散范圍,以采取適當(dāng)?shù)拇胧?避免爆炸范圍內(nèi)發(fā)生閃火。摻氫天然氣的擴(kuò)散主要受組分、泄漏方向和天氣等影響。借助前述方法與認(rèn)識(shí),開(kāi)展了相同泄漏條件下(8 MPa,水平泄漏)的摻氫天然氣擴(kuò)散范圍模擬,由于不同摻氫比例的天然氣具有較明顯的密度區(qū)別,結(jié)合擴(kuò)散后影響實(shí)際特點(diǎn),選取海拔高度2 m為觀測(cè)高度,研究50%LFL的擴(kuò)散半徑，模擬結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 不同濃度氫氣—天然氣體系泄漏后擴(kuò)散至50%LFL水平距離對(duì)比圖Fig.4 Diffusion distance (50% LFL) comparison for different hydrogen-natural gas concentration system leakage

由圖4可見(jiàn),在孔徑較小的情況下,水平方向上的泄漏介質(zhì)達(dá)到50%LFL的距離呈現(xiàn)隨含氫濃度降低而依次減小的趨勢(shì)。實(shí)際上,氫氣與天然氣的LFL僅相差1%,且氫氣具有較強(qiáng)的泄漏后上浮特性,但出現(xiàn)氫氣擴(kuò)散半徑大于天然氣的現(xiàn)象,主要是由于氫氣在泄漏口具有3倍于天然氣的瞬時(shí)噴射速度,在靠近泄漏口的區(qū)域呈現(xiàn)出水平噴射引起的水平擴(kuò)散效應(yīng)強(qiáng)于氫氣上浮效應(yīng)的現(xiàn)象;相比之下,在大孔徑泄漏時(shí),則出現(xiàn)了天然氣擴(kuò)散半徑大于氫氣的情況,這主要是受到了氫氣上浮效應(yīng)的影響。

另外,正常情況下出現(xiàn)的法蘭、密封等微泄漏問(wèn)題,可視為極小孔徑的泄漏場(chǎng)景,依據(jù)前述模擬規(guī)律可知,小孔徑泄漏場(chǎng)景下,氫氣的擴(kuò)散范圍大于天然氣,摻氫天然氣的擴(kuò)散范圍隨摻氫比例升高而增大。在GB 50160—2008《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)(2018版)》[19]第5.2節(jié)條文解釋中,認(rèn)為正常操作時(shí),甲類(lèi)(包括甲烷)工藝設(shè)備周?chē)? m左右屬于可燃?xì)怏w的微小泄漏擴(kuò)散范圍,同時(shí)也進(jìn)一步指出“氫氣的水平擴(kuò)散距離一般不超過(guò)4.5 m”，這也對(duì)前述分析進(jìn)行了佐證。

2.4 泄漏后的熱輻射強(qiáng)度范圍影響

管道輸送站場(chǎng)發(fā)生可燃?xì)怏w泄漏后,若被立即點(diǎn)燃,將出現(xiàn)噴射火現(xiàn)象,因此有必要對(duì)不同摻氫比例天然氣的噴射火強(qiáng)度規(guī)律進(jìn)行探討。借助前述場(chǎng)景,對(duì)相同泄漏工況下的不同摻氫比例天然氣進(jìn)行水平噴射后熱輻射強(qiáng)度范圍模擬,結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 不同濃度氫氣—天然氣體系泄漏后熱輻射范圍對(duì)比圖Fig.5 Thermal radiation distance comparison for different hydrogen-natural gas concentration system leakage

由圖5可見(jiàn),在相同的泄漏孔徑下,水平泄漏后熱輻射強(qiáng)度范圍基本呈現(xiàn)隨摻氫比例增大而減小的趨勢(shì)。結(jié)合前文研究結(jié)論可知,在相同的泄漏場(chǎng)景下,摻氫比例越大,泄漏的氣體體積流量越大,但氣體的高位熱值逐漸降低,綜合作用下,摻氫比例越大,則泄漏介質(zhì)的熱輻射強(qiáng)度越低;同時(shí),由于氫氣的氣體擴(kuò)散燃燒系數(shù)略小于天然氣,這進(jìn)一步降低了氫氣的熱輻射強(qiáng)度范圍。

綜上,由于天然氣摻氫后的火災(zāi)熱輻射強(qiáng)度范圍有所降低,運(yùn)行摻氫天然氣的站場(chǎng)或管道可參考天然氣站場(chǎng)或管道的相關(guān)防火間距。

2.5 潛在影響半徑的影響

輸氣管道發(fā)生泄漏事故時(shí)可能形成對(duì)周邊公眾安全和財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重影響的區(qū)域,該區(qū)域范圍通過(guò)管道潛在影響半徑進(jìn)行表征是行業(yè)內(nèi)公認(rèn)的做法。現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 32167—2015《油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》[20]提出了天然氣管道潛在影響半徑的定量計(jì)算公式,其基本原理考慮埋地輸氣管道破裂后引發(fā)噴射火時(shí),對(duì)周?chē)h(huán)境的定值熱輻射影響范圍,規(guī)范中的公式,潛在影響半徑主要受管徑、操作壓力等影響,由于該公式僅適用于天然氣,因此采用了確定系數(shù)表征組分對(duì)潛在影響半徑的影響。天然氣摻氫后,受組分改變的影響,其潛在影響半徑將發(fā)生變化。基于不同摻氫比例下的混合組分高位熱值、密度、絕熱系數(shù)等基本物性,推導(dǎo)了不同天然氣摻氫比例下的管道潛在影響半徑公式,以8 MPa、5 MPa運(yùn)行壓力下的DN300管徑進(jìn)行不同天然氣摻氫比例的管道潛在影響半徑計(jì)算,結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 不同濃度氫氣—天然氣體系潛在影響半徑對(duì)比圖Fig.6 Potential impact radius comparison for different hydrogen-natural gas concentration system leakage

由圖6可見(jiàn),在相同的操作壓力和管徑下,天然氣摻氫埋地管道的潛在影響半徑隨摻氫比例升高而減小,這主要是因?yàn)樘烊粴鈸綒涔艿涝谄屏押?氫濃度較高的摻氫天然氣,其泄漏體積流量雖然較大,但混合氣體的熱值較低,綜合計(jì)算所得的熱輻射強(qiáng)度較低。同時(shí),相同管徑下,運(yùn)行壓力較低的天然氣摻氫管道,其潛在影響半徑較低,主要是由于較低的操作壓力引起的泄放流量較低。

在工程設(shè)計(jì)中,對(duì)于摻氫比例較小的天然氣管道,其潛在影響半徑沿用天然氣的計(jì)算方法是保守的。

2.6 調(diào)壓沖蝕影響

管道系統(tǒng)中常設(shè)置調(diào)壓裝置調(diào)節(jié)管道壓力。雖然在相同的操作壓力下,氫氣密度約為天然氣密度的1/8,但由于調(diào)壓的壓損相同,根據(jù)流體力學(xué)壓損關(guān)聯(lián)公式,理論上其通過(guò)調(diào)壓裝置時(shí)的速度平方與密度乘積基本一致。工程設(shè)計(jì)中常用的沖蝕分析也采用速度平方與密度乘積表征,故不同濃度的摻氫天然氣在通過(guò)調(diào)壓裝置時(shí)的沖蝕指數(shù)基本一致。同時(shí),由于氫氣密度較小,在相同的調(diào)壓壓差下,摻氫比例越大的天然氣,其流速越快,這對(duì)調(diào)壓前除塵提出了更高的要求。

需要指出的是,前述分析按照不同摻氫比例的天然氣是在相同體積流量輸送的前提下進(jìn)行的;若采用等熱值交易,摻氫比例越高的天然氣,其體積流量越大,則通過(guò)調(diào)壓系統(tǒng)時(shí)的沖蝕指數(shù)也越高。

2.7 可燃?xì)怏w濃度檢測(cè)影響

氫氣摻入天然氣將改變混合氣體的LFL,具體規(guī)律見(jiàn)圖7。

圖7 不同濃度氫氣—天然氣體系在空氣中爆炸下限對(duì)比圖Fig.7 Lower explosion limits comparison for different hydrogen-natural gas concentration system

由圖7可見(jiàn),天然氣的LFL約為5%,氫氣的LFL約為4%;天然氣摻氫氣后,LFL基本呈現(xiàn)隨摻氫比例升高而線性下降的趨勢(shì)。當(dāng)前中國(guó)使用的各類(lèi)可燃?xì)怏w濃度檢測(cè)報(bào)警儀器,一般把報(bào)警界限濃度規(guī)定在該氣體LFL濃度的20%或25%;氫氣站相關(guān)規(guī)范要求報(bào)警界限的氫氣體積分?jǐn)?shù)為0.4%,即LFL的10%;可燃?xì)怏w的LFL測(cè)量范圍可以覆蓋0～100%。因此,對(duì)于摻氫比例較小的天然氣,應(yīng)評(píng)估可燃?xì)怏w探測(cè)的適應(yīng)性,可根據(jù)甲烷的分壓濃度重新設(shè)定各級(jí)報(bào)警值。需要指出的是,由于摻氫天然氣泄漏后上浮速度較快,在容積有限的空間內(nèi),短期內(nèi)難以發(fā)生“氫氣—天然氣”局部分層的現(xiàn)象,一般不考慮氣體分層引起的檢測(cè)濃度二次修正。

3 結(jié)論和建議

基于氫氣、天然氣的物理特性,開(kāi)展了天然氣摻氫管道輸送工程設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)確定方法的討論,結(jié)合工程設(shè)計(jì)場(chǎng)景進(jìn)行了天然氣摻氫對(duì)管道輸送關(guān)鍵工藝安全影響的探討,得出了以下幾點(diǎn)結(jié)論和建議。

1)在天然氣摻氫后,混合氣體的單位體積高位熱值、焦耳—湯姆遜效應(yīng)、氣體比重等呈現(xiàn)隨摻氫比例越高而下降的趨勢(shì),爆炸下限、火焰發(fā)射率等隨摻氫比例升高而提升。

2)摻氫天然氣的節(jié)流后低溫影響隨氫氣濃度增大而降低,為天然氣摻氫的放空操作提供了更大可操作性。

3)相同泄放條件下,天然氣摻氫后泄漏體積流量隨摻氫比例增大而升高;在中小孔徑泄漏時(shí),受泄漏瞬時(shí)噴射速度影響,擴(kuò)散范圍隨摻氫比例增加而增加,但在泄漏孔徑較大時(shí),呈現(xiàn)擴(kuò)散范圍隨摻氫比例增加而降低的趨勢(shì);在泄漏后發(fā)生噴射火的場(chǎng)景下,摻氫比例越高,綜合計(jì)算的熱輻射強(qiáng)度范圍越低,因此熱輻射邊界范圍越小;對(duì)于摻氫天然氣的站場(chǎng)設(shè)計(jì)可參考天然氣的相關(guān)防火間距。

4)相同操作條件下,天然氣摻氫埋地管道的潛在影響半徑隨摻氫比例增大而降低;對(duì)于小比例摻氫的天然氣,執(zhí)行天然氣潛在影響半徑規(guī)定是保守的。

5)天然氣摻氫對(duì)調(diào)壓裝置沖蝕具有一定影響,必要的前置除塵設(shè)施有利于提高調(diào)壓設(shè)施的可靠性;對(duì)于摻氫比例較小的天然氣,應(yīng)評(píng)估可燃?xì)怏w探測(cè)的適應(yīng)性,可根據(jù)甲烷的分壓濃度重新設(shè)定各級(jí)報(bào)警值。