天然气掺氢输送与应用安全性研究综述

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　天然气掺氢输送与应用安全性研究综述

　1 1

　概述

　氢气是清洁、高效、零碳的能源载体，具有清洁、高效、可持续的优点，可在供热、交通、工业以及发电等多领域发挥燃料、原料用途。为消纳可再生能源发电过程中产生的剩余电力，可将其用于制氢，并通过现有天然气管网混合输送到下游市场。这是应对目前化石能源危机，作为过渡阶段向氢转型的有效途径。由于氢气与天然气性质差别大，利用现有的天然气输配设施及终端应用设施输送、利用含较高比例氢气的天然气，会带来一系列的适应性问题，增加运输过程的风险，天然气管网掺氢输送的安全性问题有待解决。本文概述了天然气输配系统和终端应用掺氢的安全性，以及目前的相关研究进展。

　2 2

　对既有输配系统的影响

　2.1

　掺氢对管道材料性能的影响

　2.1.1

　掺氢对钢质管道氢脆的影响

　氢脆是指溶于钢中的氢聚合为氢分子，造成应力集中，超过钢的强度极限，在钢内部形成细小裂纹的现象。氢脆是一种长期效应，金属材料长期处于氢环境下，材料的机械性能会下降，从而对氢气储存和输送系统的性能产生巨大影响。影响氢脆的因素有很多，包括氢气浓度、环境压力和温度、暴露时间、应力状态、机械性能、微观结构、表面条件和材料裂纹性质等。向天然气管道中掺入氢气的情况比较复杂，输送管道输气压力较高（约 4~12 MPa，有些达到 14 MPa），使用的钢材强度等级也较高（X52、X56、X60、X65、X70、X80 等）。输配

　管道运行压力通常小于 1 MPa，少部分也高达 4 MPa，使用的钢通常以低强度钢（API 5LA、API 5LB、X42 和 X46）为主，非金属材料以聚乙烯（PE80、PE100）为主，因此需分别进行研究。

　氢气对管线力学性能和断裂性能的影响可以通过各种力学实验，即拉伸实验、断裂韧度和疲劳裂纹扩展来定量测量，也可建立模型进行数值模拟，把模拟数据与实验结果相比较，通过相关风险评估图像进行定性分析。对于临氢管材失效问题的研究有很多。

　Hafsi 等人基于 COMSOL 多物理软件，研究了在单管中流动的纯天然气和运输氢气天然气混合物的单环网络中的材料性能，对 X52 管材的许用应力进行了比较，表明氢气体积分数接近 30%依然是可接受的，不会使管道遭受失效风险。Nguyen 等人在 10 MPa、氢气体积分数 100%和氢气体积分数 1%环境中对 X70 管线钢进行力学性能实验，实验表明 10 MPa、氢气体积分数100%环境中，X70 管线钢的力学性能显著降低。长期暴露于 10 MPa、氢气体积分数 1%环境中 X70 管线钢的力学性能没有受到影响。Meng等人根据美国材料与试验协会标准，对 X80 管线钢在氢气体积分数为0、5.0%、10.0%、20.0%和 50.0%的混合气体中的力学性能进行了试验，试验表明 X80 管线钢在天然气/氢气混合物中易发生氢脆，氢脆敏感性随氢气体积分数的增大而增大，氢脆敏感性还取决于热轧引起的织构组织，加氢使 X80 钢管的疲劳寿命显著降低。

　Witkowski 等人研究了内径分别为 0.15 m 和 1 m 的管道在 H 2 与 CH 4 体积分数比分别为：10/90、25/75、50/50 的情况下，管道的最大安全运输距离，研究表明内径为 0.15 m、工作输送距离为 10 000 m 管道的最大安全

　传输距离为 15 320 m，内径为 1.0 m、工作输送距离为 100 000 m 管道的最大安全传输距离为 130 146 m。

　Liu 等人提出一种 CFD 模型，评价 PR、AGA8、GERG-2008 共 3 种状态方程对天然气掺氢管道减压波速预测的可靠性。3 种状态方程的热力学轨迹（减压路径）基本一致，其中基于 GERG-2008 状态方程的预测结果与实验数据吻合得最好。这将有助于管道的材料设计，以确保裂缝一旦扩展就会被发现。Haeseldonckx 等人在 10 MPa 管网中掺入体积分数 17%的氢气，发现钢管疲劳裂纹扩展速率会增加 1~2 个数量级。

　诸多研究表明，对于所处压力较低、具有较低应力的天然气配送管道，发生氢损伤的风险较低，Castagnet 等人研究了氢对 PE 管道的影响，结果表明，氢气对 PE 管拉伸行为和微观结构变化的影响都不明显。对于球墨铸铁、铜及非金属配送管网，在天然气配送系统的常规工况下不需要关注氢脆问题。对于高压输送管道，钢管在较高操作压力下会产生较大的应力，且钢材强度较高易发生氢脆，氢气的掺入会对管线钢材的断裂和疲劳性能产生显著的影响，使钢的断裂韧性减小，加速裂纹扩展，降低疲劳寿命。由于各国天然气管道情况各不相同，安全掺氢浓度并没有统一标准，现在广泛认为掺入体积分数低于 20%的氢不会对天然气管道造成显著影响，掺入体积分数超过 50%的氢将会在多个方面带来具有挑战性的问题，包括管道材料、安全装置以及终端设备等。

　2.1.2

　掺氢对管道渗透泄漏（渗漏）的影响

　渗漏主要发生在管道壁面和接触密封处，渗漏速度较慢，渗漏气体大部分是通过管道壁面渗透。

　氢在钢管或铸铁管中的渗漏主要发生于

　螺纹或机械接头处，美国燃气技术研究院（GTI）研究表明，氢气的体积渗漏速率约为天然气的 3 倍［1］78 。正常工况下，渗漏主要发生在配气管网，以机械连接接头以及非金属材料中的渗漏为主。

　 有研究者根据荷兰管网的实验数据，计算了氢渗漏的总损失，结果显示，当配气系统中加入体积分数 17%的氢气时，预计每年损失 26×103

　m 3 ，损失量只占所输送氢气量的 0.000 5% ［1］42 ，因此氢渗透造成的气体损失可以忽略不计，不会造成重大问题。

　2.2

　掺氢对天然气管道泄漏后果的影响

　氢气的密度很小，扩散性强，发生泄漏后更易在土壤中扩散。有实验研究了天然气和氢气在沙土中的泄漏扩散速率，结果表明，相比天然气，氢气在距泄漏口较近和较远两处测点的响应时间都明显缩人，说明氢气具有更强的扩散能力。赵博鑫等人基于 PHAST 软件模拟了氢气、天然气管道泄漏，结果表明，同一泄漏源，氢气更易扩散，影响范围更广，可燃范围增大，但浓度相对较低。达到同样火焰热辐射水平时，氢气的热辐射强度分布距离更近，辐射能量相对较强。

　在燃气管道运输过程中最严重的是与燃气喷射火灾或爆炸相关的风险，掺氢增加了火焰速度，进而可能导致剧烈的燃烧甚至发生爆炸。

　Witkowski 等人提出了一种事件树来确定此类危险事件发生的概率，该危险事件是管道中气体不可控释放情况下的影响，假设系统正确运行和安全阀关闭的概率为 0.99，若保护系统发生故障，氢气将从整个管道中流出，事故的几种发展可能包括：释放的气体可能会立即着火并引发喷射火焰；点火也可能延迟并导致爆炸；气体在大气中扩散，不会产生任何危险。

　Middha 等人使用 FLACS 软件对掺氢天然气的火焰传播速度和易燃极限进行了预测，并对私人车库、公共停车场和隧道场景下的气体泄漏爆炸进行模拟。FLACS 预测氢气体积分数为 8%的甲烷氢气混合物层流燃烧速度比纯甲烷增加 10%，氢气体积分数为 20%的甲烷氢气混合物层流燃烧速度比纯甲烷增加 30%。爆炸模拟结果显示，除隧道场景以外，其他场景的掺氢天然气爆炸都比纯甲烷强烈得多，模拟结果仅基于对最坏情况的预测。Emami 等人研

　究了 90°弯管中甲烷、氢、空气混合物在环境压力和温度下的最大压力、升压速率、火焰速度和温度变化，试验表明弯管是管道风险最大的部位，氢气的加入增加了气体爆炸的可能性。Lowesmith 等人对住宅场景掺氢天然气泄漏后果进行模拟，结果显示随着氢含量的增加，气体泄漏速率逐渐加快，但由于氢气扩散速度快，掺氢体积分数达 50%时，气体积聚浓度只是略有增加。

　不同空间内发生的燃烧或爆炸现象造成的影响有很大不同。完全受限空间内可燃气体积聚后容易发生爆炸，产生较大超压，带来巨大危险。部分受限空间爆燃的压力会有很大降低，升压速率会小很多，然而由于通风口的影响，火焰速度会有所提高。开放空间由于氢气扩散速率很快，氢气体积分数低于 30%的混合气产生的超压甚至低于甲烷单独产生的超压。因此对掺氢天然气泄漏后果的影响不能一概而论，需要结合实际情况具体分析。

　3 3

　对天然气终端应用安全性的影响

　3.1

　对民用燃具性能的影响

　任何燃具都是按照一定的燃气组成设计的，由于氢气和天然气特性不同，如火焰速度、绝热火焰温度和稳定极限等的显著差异，氢气天然气混合物的燃烧性能与纯天然气不同。当氢气加入天然气中导致燃气组成改变时，燃烧工况会改变，这将会影响燃具的性能，甚至可能导致燃具无法正常工作，发生回火现象，带来一定的安全问题。

　各种有关终端家用燃具、电气设备掺氢限制的研究见表 1，可掺入氢气的最大体积分数有明显的不同。

　表 1

　 有关家用燃具最大掺氢限制的研究 De Vries 等人将掺氢后华白数、燃烧速度的变化与纯天然气进行比较，提出了 1 种评估加氢后燃烧性能变化的方法：对于富含燃料的预混合式设备（燃气灶、烤箱、热水器等）认为最大掺氢比取决于回火极限。

　Choudhury 等人研究了低 NO x 排放热水器和常规储存热水器掺氢后的燃烧性能和可操作性，结果表明，对于低 NO x 和常规储水式热水器，其可接受的掺氢体积分数均小于 10%。

　美国 UCI 燃烧实验室选择具有代表性的炉顶燃烧器，研究了氢气添加量对炉顶燃烧和蒸煮性能的影响，评估了不同加氢水平下的回火极限、点火时间、火焰特性、烹调性能、燃烧噪声、燃烧器温度等，实验结果表明，含氢量在体积分数 15%左右时，对炉顶燃烧器的燃烧性能没有明显影响，当在燃料中添加体积分数高达20%的氢气时燃烧器仍可以安全有效地运行，说明在现有的炊具上不加任何改造利用氢气是可行的。之后该实

　验室又对住宅商用烤炉燃烧器进行了燃气互换性研究，结果表明，在天然气中加入体积分数不超过 25%的氢气时，不会对燃烧器产生明显的影响，然而，一旦燃料中氢气体积分数超过 25%，点火时就会发生回火，因此，根据测量的回火极限，加氢体积分数的上限约为 25%。

　3.2

　对工业燃烧设备性能的影响

　在工业应用中，由于工业用气具有高度多样性和最优化的特点，因此难以对天然气掺氢带来的影响得出普遍结论，工业燃烧炉及其部件的运行对效率、产品质量和污染物排放都有很高的要求。

　加入氢气对扩散火焰的稳定性、火焰长度以及排气系统排放的气体浓度影响的实验研究有很多，El-Ghafour 等人对混合天然气和氢气的湍流扩散火焰进行了实验研究，以研究添加氢气对火焰稳定性和燃烧过程中不同排放物浓度的影响。Yon 等人实验研究了天然气中加氢对分离式喷射燃烧器湍流火焰特性的影响。结果都表明，氢气的加入使火焰稳定性逐渐提高，火焰长度逐渐缩短。

　Lo Basso 等人利用冷凝式锅炉，研究了天然气中氢气体积分数变化对燃烧效率的影响，选择过剩空气系数和相对湿度作为变量来评价它们对冷凝锅炉性能的影响，结果表明：向甲烷中加入氢气，露点温度略有升高，单位体积燃料的有效能量和潜热趋于减少，过量的空气会大大降低露点，从而降低冷凝效率。掺氢体积分数为 30%时，冷凝能量分数增加了 0.9%，在相对湿度为90%时，其最高可上升 4.8%。因此，燃烧试验过程中的相对湿度对冷凝式锅炉的燃烧效率至关重要。

　在燃气轮机燃料中加氢的程度有严格的限制，通常客户会指定特定的燃料，这取决于当地可用的燃料，

　有时甚至取决于工艺气体，以便详细指定和调整燃气轮机燃烧系统以实现最佳运行。目前许多燃气轮机的燃料规格都将天然气中氢体积分数限制在 5%以下。

　德国“氢替代”项目研究了工业燃烧过程在效率、传热敏感性、污染物排放和燃烧稳定性方面对氢的可接受度，详细考察了氢气掺入天然气的效果。分别向天然气中加入体积分数为0、2.5%、5%、7.5%、10%、15%、20%、30%和 50%的氢气，研究发现，如果对天然气中的氢含量进行监测，并对过程进行相应的调整，则可以从效率或污染物排放方面尽量减少掺氢对燃烧过程的影响，另一方面，如果不调整系统，氢气的存在将对工业燃烧过程产生负面影响，使掺氢体积分数被限制在目前设想的 10%以内。

　3.3

　对 G CNG 汽车性能的影响

　目前，化石燃料作为汽车燃料的燃烧所引起的环境问题在世界范围内越来越严重，许多国家正在对替代能源和清洁能源进行研究。近年来，含氢混合气体作为车用燃料已成为一种趋势，其中掺氢天然气（HCNG）作为汽车燃料，有利于氢能源的发展，缓解全球能源短缺的危机，同时提高了 CNG 汽车的稳定性，也可以有效减少硫氧化物的产生和排放，其作为汽车燃料具有良好的应用前景。

　由于氢的体积能量密度很低，含氢气体混合物的体积能量密度会比纯氢更大。HCNG 增加了混合天然气的等熵指数，提高了循环的热效率。氢气的加入降低了混合气体燃料的碳氢比，使燃烧更加充分，从而减少了 NO x 、CO、CH 4和非甲烷碳氢化合物的排放，符合中国的排放标准。HCNG 燃料的能

　量含量较低，比纯氢更安全，氢气的加入也使发动机能在更高的气体混合物压缩比下工作。

　Lather 等人研究了以 HCNG 为燃料的多缸点火发动机的性能，与汽油和 CNG 相比，使用 HCNG 扭矩效益提高 6%，动力效益提高 4%，可有效应用于多缸点火发动机。Korb 等人分别对使用纯天然气、含氢量体积分数 10%和含氢量体积分数 30%天然气的发动机的燃烧特性进行了研究，结果表明，氢气的加入改善了贫燃工况下的燃烧稳定性，减少了点火过程和火焰传播阶段的时间。对燃烧损失的分析表明，氢气的加入减少了不完全燃烧损失和实际燃烧损失，有助于提高效率。

　Mehra 等人研究发现，HCNG 发动机无大量有害气体排放，热效率明显优于 CNG 发动机，但由于燃烧室产生的大量热量，氢气的加入会导致氮氧化物的排放增加。李顺等人在 Kiva-3V 程序平台上建立了一个数值模型，研究了不同掺氢比的 HCNG 发动机缸内的温度分布，并将缸压力实验值和...

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