基金项目:国家科学基金资助项目“南海干湿交替中多因素耦合作用下X80管线钢应力腐蚀行为与机理研究”,52274062;辽宁省博士科研启动基金项目“X80管线钢掺氢输送缺陷处脆性开裂行为与机理研究”,2023-BS-198。
● Received: 2024-05-13● Revised: 2024-08-19● Online: 2024-10-12
1.辽宁石油化工大学石油天然气工程学院;2.辽宁省油气储运技术重点实验室;3.新疆油田公司工程技术研究院
1.School of Petroleum and Natural Gas Engineering, Liaoning Petrochemical University; 2.Key Laboratory of Oil and Gas Storage and Transportation Technology in Liaoning Province; 3.Engineering Technology Research Institute, PetroChina Xinjiang Oilfield Company
hydrogen-blended natural gas, pipeline transmission, adaptability, safety
DOI: 10.6047/j.issn.1000-8241.2024.12.002
氢能作为清洁能源,具有储量高、污染小、转换效率大等优点,已受到国内外的广泛关注[1−4]。21世纪以来,全球氢能产业发展迅猛,世界各国纷纷发布了氢能发展战略[5−6]。根据国际氢能委员会的预测,从2030年起,全球将迈入大规模使用氢能的时代;到2040年,氢能将成为全球终端能源消费的重要组成部分,占据全球终端能源消费量的18%;到2050年,氢能的使用可减少全球20%的CO2排放。
纯氢输送的成本较高,无法满足氢能的消费需求与规模化发展。利用天然气管道输送氢能是一种低成本的方式,不仅可以提高能源系统的整体利用率,还能推动氢能的广泛应用。利用现有天然气管网进行掺氢输送具有输送容量大、覆盖范围广、传输距离远、成本较低等诸多优势,可为实现氢能的低成本、规模化供应提供有力支持[7]。目前各国代表性的掺氢输送项目包括英国Hydeploy项目、欧盟Naturalhy项目、荷兰Sustainable Ameland项目等[8],2019年中国首个标志性天然气掺氢项目——朝阳可再生能源掺氢示范项目的第一阶段成功完成[9]。截至目前,全球已有37个天然气掺氢输送示范项目,初步验证了天然气掺氢输送的可行性,有效解决了氢气规模化输送的难题[10]。但天然气管道是在天然气作为运输介质的情况下设计、施工、运行的,氢气与天然气的特性存在差异,掺氢可能会对天然气管网及终端用户设备造成不良影响,甚至带来安全风险[11−13]。因此,从掺氢天然气管道的输送流程研究出发,分析掺氢输送系统中管道、调压设备、储存设备、计量设备及终端应用等方面的研究现状,探讨掺氢对压缩机、储氢瓶、流量计等设备性能的影响,剖析氢脆对配送管道与干线管道的安全风险,以期为天然气管道掺氢输送技术的发展与装备研发水平的提高提供参考。
典型的天然气管道掺氢输送系统包括长输管道、配送管道、调压设备、储存设备4个部分(图1)。配送管道分为民用、工用管道,可采用多种材料制造,如API 5LA、API 5LB、X42、X46等金属材料或聚乙烯、聚氯乙烯等非金属材料[14]。处理后的气源经过调压设备后,一部分通过长输管道运送至城市门站,再经配送管道输送至民用、工用等终端用户;另一部分进入储存设备用于调峰。
图1 典型天然气管道掺氢输送系统组成示意图Fig. 1 Schematic diagram of the composition of a typical hydrogen-blended natural gas pipeline transmission system
在天然气掺氢输送过程中,必须考虑焦耳-汤姆孙(Joule-Thomson, J-T)效应,Li 等[15]计算了不同掺氢比与热力学条件下天然气/氢气混合物的J-T系数,发现掺氢比达到30%时,掺氢天然气的J-T系数较纯天然气低40%~50%,掺氢天然气的J-T系数随掺氢比的增加而近似线性减小。吴嫦[16]发现当掺氢比为0~25%时混合气的爆炸极限范围比甲烷略大,掺氢降低了燃气使用的安全性。相对于天然气,氢气的低密度、低热量特性进一步影响了混氢天然气(Hydrogen enriched with Compressed Natural Gas, HCNG)的实用性[17]。李明等[18]对掺氢天然气的热值进行了实验研究,使掺氢比从 0 不断增大至30%,发现当掺氢比达到30%时混合气的高位热值下降到 30.67%。随着掺氢比的增大,天然气自身的热值也会下降,而热值降低会导致设备偏离额定工况,影响热效率,使得燃烧不完全,造成污染。
压缩机是天然气管网中重要的增压设备,其运行工况受气体组分影响,对管道的高效安全运行极为重要。在天然气管网中,氢气的压缩系数高于天然气,混合气需要更大的运输空间,从而影响了输气能力,因此需要压缩机的输出功率更高。然而,在保持转速恒定的情况下,压缩机必须通过减少入口流量来适应介质的变化,这种调整导致了压缩机性能曲线下移[19−21],压缩机的性能随着掺氢比的增加而降低。王玮等[22]采用流体力学相似理论研究发现,随着掺氢比的增大,压缩机的平衡工作点向下移动。周静[23]应用Pipeline Studio软件,系统研究了掺氢比为0~30%时压缩机性能的变化:随着掺氢比增大,压缩机性能曲线下移,尤其是在失速边界附近下降趋势最为显著,降低幅度达20.7%。朱建鲁等[24]通过对转速为5 500 r/min的压缩机研究发现,压缩机需降低自身的转速来满足燃气轮机额定输出功率的需求,可能会导致压缩机性能曲线下移。张朝山等[25]研究了掺氢天然气输送的数学模型,发现随着掺氢比增大,离心式压缩机的性能下降。Bainier等[26]借助管网输送模型,发现即使在增压比不变的情况下,随着掺氢比的增大,压缩机的功耗也呈现出逐渐增加的趋势。
当压缩机叶轮与掺氢天然气直接接触时,叶轮的性能可能会受到影响。这种接触可能导致叶轮表面出现腐蚀、磨损或积垢,进而影响叶轮的表面光滑度与几何形状,降低其动力学性能。王春光等[27]深入研究了某合成低压甲醇装置中的离心压缩机,特别关注了一级叶轮的开裂问题,发现当一级叶轮一直处于高压氢环境时,叶轮材料会受到侵蚀,发生脆性断裂。陈柯等[28]以川气东送管道的GEPCL503压缩机为研究对象,通过数值模拟计算,发现掺氢输送后压缩机的稳定工作范围变小;转速一定时,压缩机总压比随掺氢比的增大而大幅度降低。掺氢会导致泄漏涡破碎现象更加严重,破碎轨迹更加贴近主叶片的壁面,严重的泄漏涡破碎使得叶片通道堵塞,阻碍气体的正常流动,对压缩机的性能造成直接影响。
储氢方式多种多样,常见的有高压气态储氢、液态储氢及固态储氢。目前,高压气态储氢技术在中国应用最为广泛,储氢容器以高压储氢瓶为主。常用于制作储氢容器的材料包括Cr-Mo钢、6061铝合金等,其中,ASTM A519 4130X钢是使用较多的Cr-Mo钢材料之一[29]。
储氢装置一直在高浓度、高压力的氢气环境中运行,容易发生氢脆,存在安全隐患。许彤等[30]采用Fluent、HYSYS软件对0~25%掺氢比下储罐中的气体动态掺混与管道工艺流程进行了分析,得出掺氢比的增大会导致管道输气功率下降、出口热值流量降低,为掺氢天然气管道的运行提供了指导。张鑫[31]在92 MPa的氢气环境下开展了氢脆实验,结果显示, 4130X钢在氢气环境下的断面收缩率明显降低,氢气对材料性能产生了不良影响;与空气相比,45 MPa与70 MPa的高压氢气环境下,4130X钢的断裂临界应力强度因子分别下降了58.4%与74.4%,氢气压力的增加也使存储容器材料的氢致开裂应力强度因子的降幅更加显著。Nguyen等[32]研究了氢气容器的潜在损伤与Cr-Mo钢的力学性能,通过对比10 MPa与99 MPa下Cr-Mo钢拉伸后的电镜图,发现在99 MPa下试样的晶间断裂更明显,脆化指数更高。Hua等[33]研究了92 MPa下4130X钢圆柱形储氢容器的拉伸、疲劳性能,通过观察不同工况下的疲劳裂纹扩展速率、极限抗拉强度等指标,明确了容器外径与初始裂纹尺寸对疲劳寿命的影响,发现随着初始裂纹尺寸的增大,储氢容器的疲劳寿命降低,且氢致疲劳寿命损失加剧。
天然气的输差问题贯穿于天然气输配的全过程,包括管道、计量器、阀门等。在天然气计量中测定各种天然气组分的相对密度与压缩系数具有重要的工业价值[34]。在天然气中加入氢气可以提高燃烧速度,降低最终混合气的相对密度,增大压缩系数。 Deymi-Dashtebayaz等[35]研究了不同掺氢比下气体的相对密度,由于氢气的密度小于天然气,增加天然气中的氢气浓度会导致混合物密度降低,相对密度随着氢气的注入近似线性下降[36],压缩系数随着混合气中氢气浓度的增加而线性增加。天然气组分的变化引起压缩因子发生偏差,从而增加了流量计的计量偏差。压缩因子的变化将引起天然气的输差问题,严重影响其经济性,输差越大,流失的天然气越多,经济效益越低。因此,及时更新天然气组分与相关参数极为必要,可大大减少流量计的附加误差,减少计量纠纷[37]。
掺氢天然气输送管道容易发生管道氢脆、氢腐蚀等损伤。在高压输送管道运行时钢材承受着巨大压力,尽管这些钢材通常强度较高,但操作环境中存在氢气,因此更容易发生氢脆现象。氢气对钢材的影响主要体现在降低了其塑性与韧性,但对屈服强度与抗拉强度的影响较小。
Haeseldonckx等[38]认为掺入氢气后天然气管道的氢脆风险增加,当管道出现微裂纹并经历疲劳损伤时,氢脆的可能性会增加。即使在低掺氢比条件下,管道仍可能在低压输送时因受到外应力而发生氢脆[39]。Atrens等[40]在总压为12 MPa的掺氢混输管道中进行实验,发现X80管材缺口试样的裂纹扩展速率随氢气分压的增大而急剧增加,疲劳寿命降低。Nanninga等[41]研究指出,在相同压力的纯氢环境中,管线钢的强度与氢脆现象之间存在明显关联,通过对比X42、X60、X65、X70、X80管线钢在10 MPa纯氢环境下的力学性能,发现管线钢的强度越高,韧性下降幅度越大;管输压力保持不变时,掺氢比的增大会引起氢气分压的增加。Nguyen等[42]通过研究X70钢,发现在掺氢比为0.7%时,X70管线钢的断裂行为从韧性断裂转变为脆性断裂。Meng等[43]探究了不同掺氢比对X80管线钢力学性能的影响,认为X80管线钢的疲劳裂纹扩展速率随掺氢比增大而显著增加,氢致失效的敏感性提高。Chen等[44]模拟了不同氢覆盖度下的氢原子在Fe(110)中的扩散势垒曲线与差分电荷密度,发现氢覆盖度越大时,氢原子越容易进入Fe(110)结构内部,进而发生氢脆,使得材料的力学性能大幅下降。
在管道工程中,焊接连接处的氢脆问题也是极为重要的研究内容。焊接过程中的热循环会使得焊缝产生微观组织上的变化,这些变化可能会影响氢原子在焊缝中的扩散与富集行为。通常情况下,焊缝区域的微观组织较母材更为复杂,可能导致焊件比母材的氢脆敏感性更高[45−46]。目前,机械损伤、脆性断裂及腐蚀损伤是天然气管道焊缝损伤的主要形式[47]。各种类型的损伤与氢致损伤相互联系、耦合、重叠,使得天然气管道焊缝的损伤机理更加复杂。李云涛等[48]测试了国产X70钢及其焊缝的氢脆敏感性,研究结果表明,焊缝的氢脆敏感性比母材高。Ronevich等[49]研究了X60、X80钢在21 MPa氢气中的抗裂性与屈服强度的关系,发现氢气中焊缝与母材的抗裂性均随着屈服强度的增加而降低;与空气中的补充试验相比,所有焊缝在氢气中的抗裂性均有所降低。
各项研究表明,掺氢比是决定氢致失效的主要影响因素之一。与其他国家相比,中国天然气管道输送标准所规定的掺氢比上限相对保守[50]。因此,有必要开展更深入的理论分析与实验研究,以建立完善的管道输送掺氢比标准及相关规范,确保天然气管道的安全运输与可靠性。
在管输环节中,掺氢天然气不可避免地会出现泄漏。氢气的爆炸极限较甲烷宽,泄漏时容易发生自燃。如果掺氢天然气在泄漏后大量聚集,可能会引起燃烧、爆炸,甚至在有限空间内形成窒息隐患[51−53]。刘延雷等[54]通过详细对比分析了高压氢气与天然气管道的气体泄漏扩散,认为与天然气相比,高压氢气在泄漏初始阶段表现出更快的泄漏速度。这意味着高压氢气可更快地从管道释放到环境中,并且由于高压氢气更容易与周围环境达到压力平衡状态,其泄漏后的扩散范围会更加广泛。Wilkening等[55]对氢气与甲烷管道泄漏进行了模拟,发现掺氢工况的泄漏速度与泄漏量远大于纯甲烷,泄漏后所形成的易燃混合物体积增大。胡玮鹏等[56]通过Fluent仿真模拟研究了影响掺氢/纯氢天然气管道泄漏的不同因素,发现随着掺氢比增大,气体混合物达到爆炸下限的时间缩短,泄漏危险性增大。Zhu等[57]建立了全尺寸实验体系,研究了掺氢比(0、10%、20%、30%)、泄漏压力(4 MPa、5.8 MPa)、泄漏方向等不同泄漏条件下,埋地掺氢天然气管道的泄漏扩散行为与浓度分布,确定了不同掺氢比下管道发生泄漏的特点。Shao等[58]通过模拟公用隧道的氢气管道泄漏,探索氢气管道放置的可行性与安全性,得出现有报警策略尚不完善而亟需改进的结论。吴嫦[16]运用Pipeline Studio水力仿真软件对某一实际案例进行了稳态模拟,发现了一个重要关联:随着掺氢比增大,管道用户节点的压力下降幅度呈逐渐增大的趋势。谢萍等[59]研究指出,将氢气掺入天然气后,会在一定程度上增加天然气管网输送的整体运行风险。建议针对不同的应急情景,优化检测设备的空间布局与安装方式,以提高掺氢天然气泄漏的检测敏感度,从而更迅速、准确地响应现场泄漏事故,降低损失。
配送管道的输送压力一般小于1 MPa。相关研究指出,在氢环境下服役的配送管道,其微观结构与性能均无明显变化[60]。同时,配送管道的材料与氢气的相容性良好,其余非极性气体与氢气之间基本不发生反应[61],因此配送管道具有良好的掺氢适应性,对寿命与性能影响较小。在正常运行的天然气配送管道系统中,管道材料与输送压力较为安全,发生氢损伤的风险较低,通常无需特别关注铁、铜等材质的配送管道是否存在氢损伤问题。
渗透是气体穿过材料所造成的,通常为通过管道壁面的渗透。其包含以下3个阶段:①高压侧的气体溶解后吸附在材料表面上;②在材料内部的气体扩散;③材料解吸出低压侧的气体[62]。由于氢气体积小、扩散不存在潜伏期、渗透速率远高于甲烷,掺氢后配送管道的渗透风险增大。针对这一现象,国际能源署、美国燃气协会及欧洲工业气体协会[63]均提供了不同材料的渗透速率以供参考。Flaconneche等[62]认为扩散系数与气体分子大小相关联,气体分子较小时,可近似认为渗透系数由扩散系数所决定;当分子体积与扩散体系相似时,溶解系数决定渗透系数。Klopffer等[63]研究发现材料中氢气分子由于体积较小而比甲烷的渗透系数大。Gay等[64]基于实验结果计算了中低压下不同气体(氮气、氢气等)穿过高密度聚乙烯(High Density Polyethylene, HDPE)薄膜的渗透系数,发现氢气较氮气的渗透系数大很多。Melaina等[14]研究了掺氢后天然气管道HDPE材料的渗透速率,发现氢气较甲烷的渗漏速率高3~4倍,且其渗透速率与氢气分压无关。当配送管道的掺氢比达到20%时,其泄漏量比输送纯天然气高1倍,将影响配送管道的输送安全,降低经济性。
目前相关研究主要针对气体渗透现象,而对渗透后气体积聚行为的关注较少。在含有氢气的狭小空间内,当气体渗透速率较高时,可能导致渗透气体的积聚,随着时间推移,积聚可能会引发火灾、爆炸等严重安全问题。因此,有必要加强对渗透后气体积聚行为的研究,以制定有效的安全措施。
王建[65]研究表明,12T的天然气在掺氢后华白数减少,燃烧势不断增强,热负荷降低,热效率提高。然而,燃气火焰传播速度的急剧上升增加了燃具回火的风险,燃烧过程变得不稳定,需要采取相应措施来确保安全性[66−68]。马向阳等[69]研究发现,符合天然气燃烧发展趋势的最大掺氢比为23%。罗子萱等[70]分别对掺氢比为5%、10%、15%、20%的甲烷气体进行燃烧测试,发现其火焰稳定性均能满足要求。Jones等[19]使用环形燃烧器进行了实验,发现掺氢比为34.7%的掺氢天然气不会发生回火现象。Sun等[71]研究了0、5%、10%、15%、20%的掺氢比对家用煤气灶、燃气热水器等的影响,发现当掺氢比达到20%时,燃气热水器的年CO2减排量可达16.2%,在安全掺氢比范围内,增大掺氢比不仅能够提高燃烧效率,还能降低碳排放。冯帅明等[72]对不同一次空气系数下使用掺氢天然气作为燃料的大气式燃烧器进行了数值模拟,发现随着一次空气系数从0.05增大至0.30,NOx的排放量与温度峰值均呈现先增大后减小的趋势,这表明在一定范围内,调整一次空气系数可以控制NOx排放量与温度的变化。可见,将氢气与天然气混合后燃烧,并不会明显增加NOx的排放量[71,73]。
燃气轮机是一种质量小、功率强、排放少、经济效益高的动力设备[21]。作为驱动压缩机的重要设备,如果燃料组分发生变化,燃气轮机的运行可能会受到影响。在相同容积流量下氢气只能提供甲烷1/3的热量,因此燃气轮机的功率随着掺氢比的增大而降低。但氢气的掺入可改善燃烧条件并减少废气排放[24],当燃气轮机中掺氢比达到10%时,层流、湍流的火焰燃烧速度分别提高5%、10%,进而提升经济效益[25]。Judd等[74]研究发现燃气轮机中的掺氢比可达到10%。崔耀欣等[75]开展了全流量、全压力、全温度工况下的掺氢燃烧,发现掺氢比为10%~20%时的燃烧仍可以满足火焰稳定性要求。李海波等[76]明确指出,要充分利用燃气轮机中的掺氢天然气,需解决回火、燃烧振动等诸多问题,现阶段大部分燃气轮机根据燃料规格型号要求需将氢气的体积分数保持在5%以下。马勤勇等[77]研究发现,提高掺氢比会导致燃气轮机的喘振裕度降低。李祥晟等[78]分析了掺氢比对预混燃烧室燃烧性能与排放的影响,发现当掺氢比过高时可能会导致燃烧室烧毁[79−80]。
天然气管道掺氢输送是中国可再生能源高效安全输送的重要方式,是氢能产业链中至关重要的一环[81]。通过探讨掺氢对天然气输送流程影响的研究现状,得出以下结论及建议:
1)由于掺氢天然气中氢气组分的影响,高强度钢易出现氢脆。为了确定高强度钢在掺氢条件下长期服役的能力,建议使用理论分析与实验测试相结合的方法开展深入研究。
2)掺氢后调压设备中虽然压缩机的性能下降、工业燃气轮机的功率降低,但改善了燃烧条件与废气排放情况。建议研究不同类型的压缩机在不同时间、不同掺氢比时的工作状态与热力学变化;结合掺氢天然气的燃烧热值、华白数等特性,分析天然气掺氢输送过程中燃气轮机的工况变化。
3) 掺氢会使天然气的热值、华白数等降低,火焰燃烧速度加快,燃具使用过程中的回火风险增大。为了评估掺氢对终端用户的潜在影响,应综合研究不同类型、不同地区燃具的掺氢天然气互换性。
4)在掺氢天然气管道安全服役方面,应通过分析各种环境中所发生泄漏、爆炸等事故的特点、规律,总结事故原因,进一步开发在线智能监测系统与应急修复技术以用于掺氢天然气管道泄漏监测,确保安全运行。
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