天然氣管道摻氫輸送可行性探究

時 浩 呂 楊 譚更彬

1. 濟南市市政工程設計研究院(集團)有限責任公司, 山東 濟南 250003;

2. 中國石油大學(北京)油氣管道輸送安全國家工程實驗室·城市油氣輸配技術北京市重點實驗室, 北京 102249;

3. 國家管網集團東部原油儲運有限公司, 江蘇 徐州 221000

0 前言

在全球進行綠色低碳轉型的大環境下,中國于2020年提出“雙碳”目標,在國際社會上獲得了積極評價。自工業革命以來,化石能源在世界能源消費結構中始終居于首位,其中又以煤炭和石油消費為主。在帶動經濟騰飛的同時,化石能源也引發了環境污染、不可持續發展等一系列社會問題。截至2020年,中國原油對外依存度接近70%,天然氣超過40%,嚴重威脅了中國的能源安全。降低能源對外依存度,推動清潔能源和可再生能源的高效應用是未來的發展方向。以風、光、地熱等為代表的清潔能源受到地域環境的限制，往往具有易間斷、易波動和調峰困難等特點[1],而氫能作為公認的清潔能源,應用領域眾多且能夠真正做到碳零排放。預計到2050年,全球終端能源的18%由氫能承擔,氫在中國終端能源體系中的占比也將達到10%以上;與此同時,中國天然氣管網建設進入快速發展期,截至2020年底,天然氣管道里程約8.54×104km[2]。摻氫天然氣這一概念最初由Lynch F E等人[3]提出,在現有天然氣管網的基礎上考慮摻氫輸送,將天然氣與氫氣深度融合,有利于加速工業、建筑等領域深度脫碳,推動中國能源轉型。

以往的研究表明,摻氫輸送具有可行性。最早的氫氣管道可以追溯至20世紀30年代,德國建設了200 km管徑為254 mm的氫氣管道,輸氣量達到216 t/d[4];2004年,歐盟委員會組織開展“Naturalhy”項目,采用高壓天然氣管道摻輸氫氣,較為系統地研究了摻氫輸送對現有管道的影響[5];2007年,荷蘭開展“VG2”項目,將摻氫天然氣配送至普通用戶,探索了摻氫天然氣對民用終端燃氣器具性能的影響[6];2017年,英國開展“HyDeploy”項目,證明氫氣能夠安全地混合到天然氣中而不會對終端用戶的正常生活產生影響,實現了在基爾大學和英國北部的小范圍供氣[7];2020年,澳大利亞開展“WSGG”項目,將部分電解制氫注入新南威爾士州的天然氣網絡,為當地家庭和企業提供了清潔能源,也促進了當地氫能運輸行業的創新[8]。中國也在天然氣摻氫輸送領域進行了積極探索,2021年國家電投集團參與的“天然氣摻氫關鍵技術研發和應用示范”項目在張家口市啟動,該項目生產的部分氫氣與市政燃氣管網摻混,預計每年可向張家口市區輸送氫氣440×104m3,減少碳排放3 200 t;同時國內首個電解制氫摻入天然氣項目在遼寧朝陽落地,在摻氫比為10%條件下已實現安全運行1年。國內外學者為天然氣摻氫技術的發展進行了眾多探索,基于現有成果分析所面臨的現實難題,從而實現技術突破是未來研究的趨勢。

1 互換性

中國經濟發展的區域性差異較大,可再生能源所產電力在中西部地區難以消納,引發了棄水、棄風、棄光等問題[1],同時工業副產氫在東部城市具備產業規模優勢,但尚未被充分利用,具有較大的提升空間。利用過剩電量進行電解制氫,并有效利用工業副產氫,通過現有天然氣管網輸送至用戶端,將在實現棄電消納、資源整合的同時提高經濟性。天然氣管道摻氫技術應用流程見圖1。

圖1 天然氣管道摻氫技術應用流程圖Fig.1 Application process of hydrogen blending technology in natural gas pipeline

氫氣因其獨特的分子構成,熱能效率高且在燃燒過程中僅會產生水,是一種極為清潔高效的能源產品。氫氣主要有三種獲取途徑[9-10]:化石能源轉化為氫氣,回收工業副產氫,電解水制氫。天然氣作為一種化石能源,主要成分為甲烷,氫氣與甲烷的主要性質對比[11-13]見表1。

表1 氫氣與甲烷主要性質對比表Tab.1 Comparison of main properties of hydrogen and methane

氫氣與甲烷的性質存在差異,將氫氣摻入現有天然氣管道中需要考慮燃氣互換性。例如,甲烷的熱值約為氫氣的3倍,摻入氫氣后必然會增加終端的用氣量,引起燃燒特性的變化。目前，各國多采用華白數和燃燒勢等作為衡量燃氣的特性指數,華白數的計算方法[14]見式(1)。

(1)

燃燒勢是反應燃氣燃燒內焰高度的指數,計算方法見式(2)。

CP

(2)

王瑋等人[15]依據GB/T 11062—2020《天然氣 發熱量、密度、相對密度和沃泊指數的計算方法》對某地區燃氣進行燃燒特性指數計算,摻氫比由0增加到30%,混合氣體的熱值和華白數分別下降了21%和10%,而燃燒勢急劇上升了48%。氫氣占比上升引起燃具熱負荷下降、火焰傳播速度加快、回火風險增大。以12 T基準氣為參考,確定混氫比不超過27%時能夠滿足GB/T 13611—2018《城鎮燃氣分類和基本特性》的要求。吳嫦[16]分別以華白數、燃燒勢、A.G.A和韋弗指數計算氫氣置換百分比,計算結果差異較大,其中A.G.A指數法判定摻氫比為0～24%,韋弗指數為0～9%,結合相關規范要求,采用華白數和燃燒勢共同判定時,摻氫比為0～24%。陳豪杰[17]結合12 T天然氣的華白數變化范圍,當天然氣中混入1%、3%和5%的氫氣時,混合氣體依然滿足12 T天然氣要求,認為若對氫氣、天然氣進行互換,華白數的變化范圍不應大于5%,計算得到22%為理論摻氫極限,低于該值時混合氣體能夠在燃具上穩定燃燒。黃明等人[11]基于混氫天然氣燃燒勢與華白數的關系曲線,發現隨著摻氫比的增大，熱負荷降低，而燃燒器的火焰傳播速度快速上升，隨之增加了回火的風險，氫氣的體積占比宜低于23%。亞特蘭大學者將氫氣注入貧天然氣,華白數由45.5 MJ/m3提高至48.3 MJ/m3,加入一定量的氮氣后可以滿足當地燃氣具的要求[18]。綜上所述,各方法的側重點存在差異,韋弗指數較為嚴格,華白數和燃燒勢判別方式采用較多,且衡量指標相對寬松,需要結合具體需求確定衡量標準。

2 適應性

2.1 管材適應性

由于氫氣原子體積小且活性強,因此進入金屬內部后易溶解在金屬晶格內,導致材料內部缺陷,降低材料的延展性與抗拉強度,即氫脆現象[19]。若金屬材料本身存在輕微裂紋,隨著氫氣的富集,微裂紋在無外加應力作用下即可誘發氫致開裂[20]。天然氣管道摻氫后,管材處于高壓富氫環境中,氫氣濃度顯著提升,使焊縫[21]、小尺寸零件[22]等位置的材料塑性降低,誘發裂紋甚至斷裂;同時氫氣也會與管材中的碳反應生成甲烷,引起脫碳,導致管材的力學性能不可逆惡化,出現氫腐蝕現象[23-24]。氫脆的發生不僅與管材自身性質有關,也受到氫氣濃度、管輸壓力等條件的影響。高、中、低壓天然氣輸送管道的主要差異體現在管材性質和輸送壓力的不同,因此國內外的學者多數在以上兩項指標下探究不同摻氫比對管道的影響。李正峰等人[25]指出在外力作用下,即使外氫壓力小于0.01 MPa也能產生氫致滯后斷裂,因此在管輸環境中天然氣管道面臨氫致破壞。Tabkhi F等人[26]研究了輸送壓力為6 MPa時，摻氫比對傳輸能量的影響，結果表明僅少量氫氣的混入即能明顯降低天然氣的傳輸能量，當摻氫比大于6%時會對管道造成不利影響。潘耕裕等人[27]在室溫環境下探究了氫氣對管道鋼材機械性能的影響,結果顯示氫氣同樣能夠滲入管材內部,降低力學性能甚至引發斷裂。

目前，普遍認為輸氫管材的硬度應小于22 HRC、拉伸強度不宜超過793 MPa[28]。若管材為X52鋼,摻氫比應低于10%[29-30];若管材為X70鋼,摻氫比低于10%時的最大輸送壓力為7.7 MPa,摻氫比高于10%時的最大輸送壓力不應高于5.38 MPa;針對西氣東輸管網中廣泛使用的X70和X80高等級鋼,其運行壓力更高,若采取摻氫輸送工藝,需要進一步測試該運行壓力下的摻氫比。Briottet L等人[31]針對X80管線鋼開展高壓富氫環境下的拉伸、斷裂韌度和圓片等試驗,結果表明摻氫比增大,管材的塑性和斷裂韌性顯著降低,疲勞裂紋擴展速率明顯加快。Marchi C S等人[32]在5.5 MPa、21 MPa高壓的富氫條件下進行鋼材的斷裂韌性和疲勞裂紋擴展速度測試,實驗顯示隨著壓力增加,管材的疲勞裂紋擴展速度加快,斷裂韌性降低。Hardie D等人[33]探究了X60、X80和X100鋼的氫脆敏感度,管材強度增大,管材的氫脆敏感度隨之增加。謝萍等人[34]認為相較于PE管等低強度管材,氫氣對高強度管材的性能影響更大,在低壓配氣系統中進行摻氫輸送時,聚乙烯材質的氫氣滲透率[35]相對于年輸送量可以忽略不計,因此更推薦采用PE管。

天然氣管道摻氫后能否與管材相適應,關鍵在于管材力學性能和輸送壓力、摻氫比之間的關系。針對高壓輸送管道,較高的工作壓力會產生較大的應力,摻氫后對管材的斷裂及疲勞特性影響較為明顯,一旦有氫脆發生,將會加速管材的裂紋擴展,減少管道使用年限;焊接部位也應采取合理的焊接措施,降低氫損傷風險。諸多研究結果表明,鋼材等級越高發生氫脆的風險越大,而所處工作壓力較低的低強度鋼材更適用于天然氣管道的摻氫輸送。相比于長輸管網,中國城鎮燃氣管網輸送壓力一般低于4 MPa,且以球墨鑄鐵管和聚乙烯管為主[36],管道中的氫氣分壓低,發生氫損傷的風險相對較小,能夠更好地適應摻氫輸送的方式,有利于摻氫天然氣的應用與推廣。同時絕大多數的天然氣管道現狀并不是時刻處于100%設計輸送量,其波動性為摻氫輸送提供了經濟上的可能,有助于提高部分管道的經濟效益。

2.2 設備適應性

與傳統天然氣管網的工況不同,摻氫運行后由于輸送介質的改變必然會引起管網內的壓力變化[37],進而對現有管網設備產生影響。為深入探究壓縮機等管網設備對不同摻氫比的適應性，需要明確摻氫輸送后管網的壓力分布情況。Guandalini G等人[38]采用數值模擬的方式,分析管道摻氫后的混輸氣體特性,指出5%摻氫比會引起管網壓力下降0.1%。在Tabkhi F等人[26]的數值模擬結果中,通過減少混氫天然氣的傳輸能量,可以將摻氫比提高到6%。張鵬程等人[39]指出氫氣密度僅為天然氣的1/8,會引起壓縮機壓縮比的改變,進而改變管網的壓力分布情況。史世杰等人[40]建議長輸天然氣管道中摻氫比不應超過3%,同時也要考慮到氫氣分壓不超過0.1 MPa。黃明等人[11]以輸氣功率來衡量管道輸氣能力的大小，計算顯示管道輸氣能力隨著摻氫比的增大而降低。周靜[41]指出管徑相對較小的管道沿程壓力下降趨勢更為明顯,為確保輸氣功率,需要更大的壓力降運行。王瑋等人[15]使用HYSYS建立模型,結果顯示摻氫比由0增加至30%時,壓縮機與管網的聯合工作點發生偏移,相對應的壓力和流量分別減小了7%和11%,可以適當增加運行壓力以確保輸氣功率。

Haeseldonckx D等人[23]、楊靜等人[42]和崔兆雪等人[43]指出摻氫運行后,對壓縮機提出了更高的轉速要求,同時需要確保組件的可靠性,以減少泄漏事件的發生,因此壓縮機的材料費用更加昂貴。在長輸管網中以離心式壓縮機為主，而離心式壓縮機中氫氣與天然氣的體積比約為3∶1,3%摻氫比就會使管道輸送能量減少2%[44]左右,為確保能量需求不變,需要將壓縮氫氣的轉速提升至1.74倍[45],涉及到離心式壓縮機的管網,其摻氫比不應超過20%[46-47]。周靜[41]運用Pipeline studio模擬摻氫比0～30%時壓縮機的工況變化,結果顯示隨著摻氫比增加,能量損失增大;與管網聯合工作時,由于出口壓力的下降會反復出現回流和喘振現象,平衡操作點向左下方偏移,降低了管道輸送能力。朱建魯等人[48]認為摻氫會引起壓縮機性能曲線下移,導致同一轉速下入口的體積流量減小,從而在已經擴大的喘振區域內更易出現喘振現象,提出為確保長輸管網的穩定性,摻氫比不宜超過12%,否則管輸熱流量值將會低于用戶需求。

摻氫天然氣可以提高燃氣輪機效率,減少CO2排放量,但氫氣含量不應超過3%。周承商等人[49]認為摻氫天然氣可以改善燃氣輪機的燃燒條件和廢氣排放情況,摻氫使混合氣中的OH基濃度增大，有利于提高火焰穩定性，同時減少CO排放量，也可以減少燃燒產物中的氮氧化物[50-51]。國際能源機構(International Energy Agency, IEA)[52]發布了天然氣設施改造前后對摻氫比的適應性范圍,壓縮機改造前能夠達到10%左右;燃氣輪機改造后由3%上升至15%。Guandalini G等人[38]認為摻氫比不應超過5%,否則就需要更換或改進計量設備;基于理論分析得出隨著壓力和摻氫比的增加,計量誤差不斷增大,在5%摻氫比時,壓力由 2.4 MPa 升至5 MPa,計量誤差則由0.5%提高到1.5%。

在特定條件下,摻氫天然氣可以改善燃氣器具的效率且緩解環境污染。馬向陽等人[53]采用燃燒試驗的方法探究燃氣灶的燃燒特性,摻氫比達到20%時,燃氣灶的熱效率可以提高2%,且隨著摻氫比的提高,燃燒廢氣中CO、NO、NOx的含量逐漸減少。Devries H等人[54]探究了天然氣摻氫后對家用燃氣灶安全性的影響,認為最大摻氫比受到回火的限制。國家電投集團開展摻氫民用終端性能評價,結果顯示天然氣中摻入21%氫氣后燃氣器具性能正常,但火焰高度相對較低,并且顯著降低了CO2排放量;熱負荷與熱效率發生改變,但均能滿足GB 16410—2020《家用燃氣灶具》和GB 6932—2015《家用燃氣快速熱水器》的相關要求。

整體來看,天然氣摻氫會導致輸氣功率降低,但有利于緩解終端環境污染、推廣氫能應用。相比于純天然氣輸送的介質以甲烷為主,摻氫的天然氣中氫氣的分子質量極小。因此，在相同溫度、壓力條件下氫氣的體積占比更大,需要提供更高的壓力才能確保達到同樣的輸氣功率,且適當提高運行壓力才能確保壓縮機避開喘振區域。從研究結果來看,低等級管材和民用終端設備對摻氫天然氣的適應性較強,而壓縮機、燃氣輪機等設備在摻氫與不摻氫時的工況存在明顯差異,計量儀器也因介質的改變需要通過溫度、壓力補償等進行修正計算,以確保計量的準確性。因此，需要根據實際需求進行管網的整體動態模擬分析,對設備進行改造或更換;同時，結合下游對進站壓力及輸送氣量的需求,確定摻氫比的大小。摻氫比較低時與現有天然氣管網的兼容性理想;繼續提高摻氫比則需要更換部分設施以降低管網運行風險。

3 安全性及相關規范

氫氣作為易燃易爆氣體,其爆炸極限范圍遠大于甲烷,且泄漏發生后的擴散速度極快。受到腐蝕、設備老化等因素的影響,相比于天然氣管道,摻氫天然氣管道面臨的泄漏風險更大。在密閉空間內一旦發生管道泄漏，不僅會引起人的窒息，同時受外界條件的不可控性，隨時有引發燃燒或爆炸的危險,燃燒的劇烈程度和火焰傳播速度也會更為顯著。但摻氫天然氣管道的泄漏風險并不是無法控制的,明確安全界限，并制定有效的監測、預防措施是十分必要的。

Molnarne M等人[55]的研究表明當摻氫比低于10%時,爆炸極限范圍沒有明顯變化;繼續增加至25%時,爆炸極限范圍會顯著增加。摻氫比的增加不僅要滿足管網的要求,同時更要確保具有相應的安全措施。歐盟“Naturalhy”項目對密閉空間中的摻氫天然氣泄漏情況進行測試,結果表明在發生泄漏處聚集有大量的氫氣云團，使得該位置的危險程度迅速上升，有效擴散間距也隨之減小[56]。美國燃氣技術研究院(Gas Technology Institute)采用定量風險評估的方法探究腐蝕、材料缺陷、外力損傷等方面對混氫輸送系統的影響并進行量化,等級劃分為0～50,危害逐級增加;認為摻氫比低于50%時,風險增加并不顯著[56]。IEA在其報告中指出,混合氣體會產生一系列的安全影響,但摻氫比低于25%時不會降低現有管網的安全性[58]。陳俊文等人[59]對摻氫天然氣管道進行了定量風險評價,指出泄漏發生后的點火概率是影響評價的關鍵,當氫氣含量較高時會有較大的幾率發生自燃。謝萍等人[34]指出,當泄漏發生后,將擋墻設置于泄漏點處有利于減少噴射火焰的傷害，同時采用細水霧和氮氣能夠更好地抑制爆炸極限范圍,降低泄漏后果[60]。劉武等人[61]提出一種用于摻氫天然氣管道泄漏監測的裝置,可以實現在密封環境下的微小滲漏檢測,當氫氣濃度達到預定值時,能夠自動啟動報警裝置。針對摻氫天然氣管道面臨的泄漏問題,諸多學者進行了探究并提出了解決方案,開展完整性管理、對風險進行評價,才能對可能發生的事故提供技術與理論支撐,防范于未然。

在開展理論及技術研究的同時,也要推進制度、規范建設。國外在氫氣輸送領域的研究開展較早,歐美國家針對純氫輸送已頒布了相關規范,其中美國機械工程師協會發布的ASME B31.12Hydrogen Piping and Pipelines和歐洲工業氣體協會發布的CGA G-5.6Hydrogen Pipeline Systems影響較為廣泛,前者適用于從產氫地至用氫地間的輸氫管道,但對摻氫比<10%的管網系統并不適用;后者針對于管網系統中摻氫比>10%的情況，或者摻氫比<10%且CO含量>200 μL/L的情況[45]。中國濟源至洛陽的輸氫管道即主要依照ASME B31.12設計施工[62],但目前針對長距離摻氫輸送的相關規定依然空白。

國內關于天然氣管道摻氫輸送的研究起步較晚,相關項目多參照天然氣管道建設規范進行,未來亟需結合理論與實驗測試結果進一步確定摻氫界限。在已有的相關規范中,GB/T 33445—2016《煤制合成天然氣》規定摻氫比不應超過3.5%；GB/T 37124—2018《進入天然氣長輸管道的氣體質量要求》對混輸氣體質量提出要求,僅允許摻氫比不超過3%的氫氣進入天然氣管道。目前，國內與摻氫輸送相關的規范還有GB/T 34542.1—2017《氫氣儲存輸送系統 第1部分:通用要求》、GB/T 34542.2—2018《氫氣儲存輸送系統 第2部分:金屬材料與氫環境相容性試驗方法》、GB/T 34542.3—2018《氫氣儲存輸送系統 第3部分:金屬材料氫脆敏感度試驗方法》和GB 50177—2005《氫氣站設計規范》等,具有良好的借鑒效果，有助于推動天然氣管道摻氫輸送專業規范的編制。此外,中國標準化協會主持的團體標準《天然氣摻氫混氣站技術規程》已經編制完成,填補了國內相關領域規范的空白。

4 結論與建議

目前,天然氣管道摻氫輸送是實現氫氣長距離、大規模高效輸送最為可行的方式。中國天然氣管網分布廣泛,充分利用現有管道進行摻氫輸送,可以極大地節約投資成本;同時氫氣作為清潔能源,可以實現可再生能源發電消納,真正做到碳零排放,助力實現“雙碳”目標?，F有天然氣管道摻氫輸送的應用前景廣闊,但目前仍然受到技術和安全性等問題的制約,未來還需深入研究,加快相關規范的制定，主要解決以下三個問題。

1)進一步揭示管材氫脆和氫腐蝕機理,針對不同等級鋼材和不同類型管材開展系統性測試,確定不同材質管道在各類工況下的最大摻氫量。

2)對管網所涉及的設備開展適應性研究,明確不同類型壓縮機和計量儀器的最大摻氫適應量;同時考慮到下游用于調峰的儲存天然氣,對天然氣管道摻氫輸送所關聯到的儲氣庫等儲氣周峰設施應開展密閉性研究,避免因儲氣介質的改變引發氫氣泄漏等安全事故。

3)評估各摻氫比對管道安全事故的影響程度,制定風險評價標準,開展天然氣管道摻氫完整性管理,確保終端用戶用氣的安全性。