天然氣摻氫對站場放空系統(tǒng)的影響規(guī)律分析

劉 權(quán)，徐紅果，劉書文

中國石油工程建設(shè)有限公司四川科宏公司，四川成都 610000

近年來，隨著對環(huán)境保護提出的更高要求，以及傳統(tǒng)化石能源的衰竭，人們越來越重視對清潔能源的開發(fā)利用。氫燃燒只產(chǎn)生水，完全不排放溫室氣體二氧化碳，在“雙碳”背景下，大力發(fā)展氫能對推動能源轉(zhuǎn)型具有重要意義[1-3]。

目前，氫能運輸方式主要有集裝管束運輸、管道運輸及液氫槽車運輸?shù)确绞健Ｅc集裝管束運輸和液氫槽車運輸相比，管道運輸具有輸送能耗低、效率高、成本較低等優(yōu)勢，然而新建純氫管道具有成本高、周期長、技術(shù)規(guī)范不成熟等問題[4]。有國內(nèi)外的專家學(xué)者提出，借助現(xiàn)有的成熟天然氣儲運與銷售管網(wǎng)，在天然氣中摻入一定比例的氫氣，實現(xiàn)摻氫天然氣的運輸，以此達(dá)到輸送氫能的目的。利用既有天然氣管網(wǎng)輸送摻氫天然氣，能減少一次性投資、節(jié)約工程建設(shè)時間，對加快氫能的布局、發(fā)展及利用具有重要的促進作用，同時對可再生能源的發(fā)展也具有積極的促進作用[5-7]。

根據(jù)Irfan 等[8-9]研究，在不更換原天然氣輸送設(shè)備，且保持管道平穩(wěn)運行的摻氫比例（體積比）最高可達(dá)17%。考慮到燃?xì)獾幕Q性，我國天然氣中摻氫比例不超過20%[10]，現(xiàn)有的摻氫天然氣輸送項目中摻氫比例最高約為5%[11]，某些發(fā)達(dá)國家已開展的摻氫天然氣管輸項目中氫氣體積分?jǐn)?shù)最高可達(dá)20%[12]。本文以此為研究背景，以天然氣最大摻氫比例為20%，利用ASPEN HYSYS 流程模擬軟件，分析天然氣摻氫后對原站場放空系統(tǒng)的影響。

1 計算模型

根據(jù)王瑋等[4]的實際計算結(jié)果，在摻氫比例不超過30%，壓強在1～3 MPa 時，采用BWRS 狀態(tài)方程模擬摻氫天然氣的密度與實際值偏差始終小于0.2%；根據(jù)朱建魯?shù)萚12]的實際計算結(jié)果，在摻氫比例不超過35%，壓強在0～12 MPa時，采用BWRS方程對摻氫天然氣的壓縮因子預(yù)測精度較高，最大計算誤差不超過1%。因此本文采用BWRS 狀態(tài)方程進行摻氫天然氣模擬計算（天然氣組分如表1所示），建立如圖1所示放空系統(tǒng)模型。

表1 天然氣組分

圖1 放空系統(tǒng)HYSYS模型

2 放空系統(tǒng)影響分析

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

某站場放空系統(tǒng)最大放空量為超壓放空，具體參數(shù)如表2所示。假設(shè)天然氣摻氫后站場運行工況不變，以此分析天然氣摻氫對放空系統(tǒng)的影響。

表2 放空系統(tǒng)基本參數(shù)

2.1 泄放量

放空系統(tǒng)中安全閥選型需確保額定泄放量大于所需泄放量，從而保證安全閥能滿足系統(tǒng)超壓時的泄放量需求，避免工藝系統(tǒng)超壓。天然氣摻氫后會導(dǎo)致泄放氣質(zhì)的物性發(fā)生改變，對安全閥額定泄放量和系統(tǒng)所需泄放量的影響如圖2所示。

圖2 安全閥額定泄放量和所需泄放量

從圖2 可知，隨著摻氫比例的增加，安全閥的額定泄放量和系統(tǒng)的所需泄放量都逐漸減少，安全閥額定泄放量從47 000 kg/h降至40 000 kg/h左右，下降約14%，系統(tǒng)的所需泄放量從29 000 kg/h降至24 000 kg/h左右，下降約17%。安全閥的額定泄放量始終大于系統(tǒng)的所需泄放量，安全閥能滿足摻氫后的泄放要求。該現(xiàn)象是由于氫氣的相對分子質(zhì)量比天然氣小，天然氣摻氫后相對分子質(zhì)量減小，從而導(dǎo)致相同體積泄放量下的質(zhì)量泄放量降低。

2.2 運行溫度

安全閥工作原理近似為嘴流，運行過程中會產(chǎn)生節(jié)流效應(yīng)，閥前閥后存在明顯的溫度變化現(xiàn)象，稱為焦耳-湯姆生效應(yīng)。由于天然氣具有正的焦耳-湯姆生效應(yīng)，氫氣具有負(fù)的焦耳-湯姆生效應(yīng)，因此天然氣摻氫后焦耳-湯姆生效應(yīng)會產(chǎn)生明顯的變化，放空管道運行溫度如圖3所示。

圖3 氣體溫度分布

從圖3 可以看出，由于氫氣具有與天然氣相反的焦耳-湯姆生效應(yīng)，因此隨著摻氫比例的增加，放空系統(tǒng)的運行溫度逐漸提高，當(dāng)摻氫比例為30%時，整個放空系統(tǒng)的運行溫度已經(jīng)達(dá)到0 ℃以上。以安全閥后（放空管道0 m 處）為例，摻氫比例從0%增至30%，溫度從-17.9 ℃上升到0.83 ℃，上升約104.6%。放空系統(tǒng)的設(shè)計溫度一般為-19～70 ℃，因此天然氣摻氫不僅不會導(dǎo)致放空系統(tǒng)運行溫度超出設(shè)計范圍，還對放空管道的低溫工況有明顯的抑制作用。

2.3 安全閥背壓

根據(jù)有關(guān)規(guī)范要求，為保證彈簧式安全閥正常起跳，安全閥背壓不應(yīng)超過定壓的10%，因此本案例放空系統(tǒng)背壓不應(yīng)超過0.8 MPa。天然氣摻氫后放空系統(tǒng)背壓變化如圖4所示。

圖4 安全閥背壓

從圖4 可以看出，當(dāng)摻氫比例低于5%時，對安全閥背壓無明顯影響；當(dāng)摻氫比例超過5%后，隨著摻氫比例的提高，安全閥背壓呈下降趨勢，從0.196 MPa 降至0.190 MPa，下降率約為0.31%。因此，天然氣摻氫會使安全閥背壓輕微減小，不會導(dǎo)致安全閥背壓及放空系統(tǒng)運行壓力超壓。

2.4 流速及馬赫數(shù)

天然氣摻氫后物性發(fā)生變化，氣體在相同狀態(tài)下的實際流速和臨界流速都會變化，馬赫數(shù)為氣體實際流速與氣體臨界流速（音速）的比值，所以摻氫會導(dǎo)致馬赫數(shù)變化。放空系統(tǒng)中氣體流速和馬赫數(shù)具體情況如圖5、圖6所示。

圖5 氣體流速分布

圖6 放空系統(tǒng)馬赫數(shù)

從圖5 可以看出，放空管道的沿程摩阻導(dǎo)致氣體壓力降低，氣體體積增大，從而導(dǎo)致管道斷面上的流速增大。另外以火炬出口處為例，摻氫比例從0%增至30%，氣體流速從195 m/s增大到224 m/s，增大率約為14.9%，可以得出天然氣摻氫會導(dǎo)致放空管道中氣體的流速增大。

從圖6 可以看出，雖然放空管道中氣體流速隨摻氫比例增加而增大，但是放空管路中氣體的最大馬赫數(shù)卻逐漸減小，造成該現(xiàn)象的原因是天然氣摻氫后氣體臨界流速也相應(yīng)增大：摻氫比例從0%增至30%時，氣體臨界流速從411.3 m/s 增大到500.3 m/s，增大率約為21.6%，而與此同時氣體流速增大率約為14.9%，所以出現(xiàn)氣體流速增大，馬赫數(shù)減小的情況。綜上所述，天然氣摻氫使放空管道中馬赫數(shù)減小，放空支管、放空主管和放空火炬的管徑均滿足泄放要求。

2.5 火炬輻射熱

影響放空火炬輻射熱距離的主要參數(shù)為泄放量、放空火炬高度、釋放總熱量、風(fēng)速、允許輻射熱強度、受熱點高度等，本文的計算案例中，泄放量100×104m3/d、火炬的高度30 m、風(fēng)速10 m/s、允許輻射熱強度1.58 kW/m2和受熱點高度1.8 m 均為固定值，僅天然氣摻氫導(dǎo)致的釋放總熱量變化會對輻射熱距離形成較大影響，具體影響情況如圖7所示。

圖7 放空火炬輻射熱

從圖7 可以看出，隨著摻氫比例的提高，放空火炬的輻射熱距離逐漸減小，摻氫比例從0%增至30%，熱輻射距離從58.29 m 減小到46.10 m，減小幅度約為20.9%，所以天然氣摻氫不會導(dǎo)致放空火炬的輻射熱距離增大，摻氫后保持放空火炬周邊現(xiàn)狀即可，不需要采取增高火炬或拆遷建（構(gòu)）筑物的措施。

3 結(jié)論

隨著摻氫比例的增加，安全閥的額定泄放量和系統(tǒng)所需泄放量都減少，額定泄放量始終大于所需泄放量，原安全閥能滿足泄放要求；同時，隨著摻氫比例增大，天然氣摻氫不僅不會導(dǎo)致放空系統(tǒng)運行溫度超出設(shè)計范圍，還對放空管道的低溫工況有明顯的抑制作用；天然氣摻氫會使安全閥背壓輕微減小，不會導(dǎo)致安全閥背壓及放空系統(tǒng)運行壓力超壓；天然氣摻氫會導(dǎo)致放空管道中氣體的流速和臨界流速增大，馬赫數(shù)減小，放空系統(tǒng)管徑均滿足泄放要求；隨著摻氫比例的提高，放空火炬的輻射熱距離逐漸減小，不需要增高火炬或拆遷建（構(gòu)）筑物。