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天然气管道掺入氢气的影响及技术可行性分析
来源:山西省煤化工发展促进中心
时间:2020/7/31

摘要:氢气的运输成本约占加氢站最终氢气成本的30%~40%。氢气的经济运输是制约氢能产业发展的瓶颈性难题。利用已有相对完善的天然气管道设施,掺入一定比例的氢气进行传输,已成为欧美各国的研究热点,为传统油气行业参与氢能产业、获得效益增长点提供了宝贵机遇。我国在此领域的研究较少,缺少相应的标准规范。综合分析了目前全球这一研究领域的最新研究情况,分别分析了掺氢后对管道材料、压缩机和管件等的影响,以及对居民、燃气轮机和内燃机等下游用户的影响,对管道泄露与运行安全的影响等,并对目前国内外对掺氢比例的要求进行了梳理总结,对我国发展天然气掺氢提出了若干建议。


1  前言

全球交通燃料正在加速向清洁、高效的方向转型,尤其是燃料电池交通和加氢站基础设施发展迅猛。但目前加氢站的氢气价格依然偏高,难以和传统油气燃料竞争,其中一个重要原因是氢气运输成本高。氢气的运输成本约占最终成本的30%甚至更高,使氢气运输成为制约氢能产业发展的瓶颈性难题。各类氢气的运输方式中,管道输送价格最低,对运输距离适应性广,但新建氢气专输管道建设成本高、审批困难。如果能够利用已有成熟的天然气管道设施,在不必对设备设施进行专门处理和改造的前提下注入氢气,有望实现大规模输送氢气,大幅降低氢气输送成本,提高天然气管道经济性,减少开发新的输配基础设施的投资。天然气和氢气同属气体能量载体,物性具有一定的相似性。天然气的压缩、储存、管输、燃烧设施等基础设施对氢气有一定的适应性。历史上相当长一段时期内,城市燃气曾是一氧化碳和氢气组分的合成气,后来才逐渐更换为天然气,配套的下游用户的设备设施也被更新或更换为适用于天然气介质。但天然气与氢气物性又有很多不同,使得这些基础设施对氢气的适应具有一定的范围。天然气掺氢后会对管道及配套设备设施的安全运行,及下游用户带来影响,需要评估影响并确定合理、安全的掺氢比例范围。掺氢天然气既可以直接被利用,也可以把氢与天然气分离后分别单独使用。氢气来源可以来自传统化石燃料制取的氢气或工业副产氢,也可以是可再生能源电解水制取的氢气,详见图1。随着近年来全球可再生能源和生物质气等绿色低碳能源的快速发展,出现了波动性强的大规模可再生能源的消纳、电网削峰填谷和生物质气储运等新的问题和挑战。向天然气管道中掺氢有望提供一种有效的跨区域、跨季节,并充分利用已有成熟天然气基础设施的途径,能够显著降低用户端的碳排放,有利于构建低碳型社会。

图1  向天然气管道掺氢的可能路径

多个欧美国家正在研究在不调整现有天然气管道设施的情况下,向管道中掺入氢气的混输试验和示范。如欧盟NaturalHy项目、荷兰VG2和Sustainable Ameland项目、德国DVG项目,美国能源部国家燃料电池研究中心HIGG研究项目、法国GRHYD项目、英国Hydeploy项目和H21 Leeds City Gate项目等。以2007年在荷兰实施的Sustainable Ameland项目为例,以太阳能电解水制氢为氢源,分别测试了掺氢比例从5%、10%、15%和20%对低压PVC和HDPE天然气管道和居民灶具、热水器的影响。经过4年的实际运行证明,掺氢对低压非金属管道的影响可以忽略不计,对如橡胶密封、阀门、铜管和计量设施的影响很小,用户终端的点火、回火、泄露、火焰稳定等均能满足规范要求,掺氢后能使燃烧产生的碳氧化物和氮氧化物的排放量大幅降低,环保效益明显。可再生能源及谷电的电制气(PTG)并注入天然气管网的方式主要有电制氢(PTH)和电制甲烷(PTM)两种。全球目前有超过130个PTG项目,其中大部分位于德国,其次位于美国、英国、法国和加拿大等发达国家,这些项目中25个(约占19%)是可再生能源PTH后把氢气注入天然气管道,11个项目(约占8%)是PTM后把甲烷注入天然气管道。目前全球最大规模、第一个PTM项目为德国奥迪公司的E-Gas 项目。通过6.3MW的风电电解水装置,制得的氢气再与二氧化碳发生甲烷化反应生成甲烷,然后注入到天然气管道中。德国最大的PTH项目位于美因茨,该项目使用风电和市电电解水制氢,规模为3.75MW,然后把氢气掺入运行压力为0.6~0.8MPa的低压天然气管道,掺氢比例为15%。从欧美天然气管道掺氢(Hydrogen injection into the gas grid ,HIGG)实际项目的运行情况来看,在一定掺氢比例范围内技术上是可行的,但如果基于电解水制氢为氢源,现阶段全生命周期的经济性并不十分乐观。

2  天然气管道掺入氢气的影响分析

2.1  对管道的影响

2.1.1  对管道材料的影响

天然气管道掺入氢气后可能会对管道材料产生氢脆、氢鼓泡、脱碳及氢腐蚀等风险,其中氢脆的风险最大、危害最为严重。管道的氢脆是氢气与管道金属或金属中的添加物形成固溶物、氢化物、分子状氢气和气体产物(如甲烷)的复杂过程,可以使金属晶界结合力减弱,致使管材塑性下降而产生脆断或微小裂纹或点蚀。氢气压力、纯净度、环境温度、管道强度水平、变形速率和微观组织等都会影响氢脆的发生,管道中氢气的状态不同,与金属的交互作用也不同,引发氢脆的机理也不同,对应的风险和防治方法也不同。一般来说,管道的压力越高,使用年限越久,氢脆的风险越大。高压长输天然气管道一般选择高钢级钢管,常用直缝埋弧焊管、螺旋缝埋弧焊管、高频电阻焊管及无缝钢管,而钢级强度越高越容易发生氢脆风险,对管道的寿命影响越大。由于高压下氢气物理和化学性质的特殊性,多数研究者不建议向主干的高压长输天然气管道中掺氢,除非是在其设计时就已经充分考虑了氢气的影响。CGA-5.6—2005《Hydrogen Pipeline System》中认为,向天然气管道中掺氢比例≤10%时,不高于X52钢级的管道可以直接输送,高于X52钢级的管道需要进行适应性评估。因此,氢气专输管道多选用较低钢级的碳钢。对于低于1MPa的聚乙烯(PE)天然气管道,虽然不存在氢脆问题,但如果长期暴露在紫外线和空气中会造成腐蚀和老化。除了对管道材料本身的影响外,掺氢对管道的输气能力也有影响。在保持天然气管道压力不变的情况下,无论掺入氢气的体积分数多大,都会使管道的输气能力下降。掺氢对管道的运行压力也有一定影响。理论上当掺氢比例≥10%时,管道操作压力最好不超过5.38MPa;当掺氢比例<10%时,管道操作压力最好不超过7.7MPa。另外,当出现压力变化时,压力每降低1bar,天然气因J-T效应会降温约0.5℃,而氢气因正氢和仲氢的转化会升温约0.035℃,对操作会带来一定影响。在实施天然气管道掺氢之前需要对适应性进行充分论证,根据不同掺氢比例下管道材料的力学性能和劣化规律,对管道的钢级、压力、化学成分、韧性等指标进行全面的分析和评估,必要情况下还应开展相容性试验与实际掺氢试运行评估测试。天然气管道掺氢适应性评估的方法国内尚无规范,国外已经有规范可依。例如,如果掺氢比例≥10%,钢级为X60及以下,则可以依据ASME B31.12-2014 《Hydrogen Piping and Pipelines》对管道材料进行韧性评估以确定掺氢的最高限。

2.1.2  对压缩机、管件等的影响

天然气掺氢除了会对管道材料和输气能力产生影响外,还会对压缩机、管件、阀门、计量等设施产生影响。由于密度差异,管输同样能量氢气的压缩机功耗约是天然气的3.3倍以上,掺氢10%的氢气就会使压缩机能耗增加约12%,使得管输氢气的成本大幅高于管输天然气。掺氢天然气对压缩机的运行也有一定影响。不同于活塞压缩机,离心压缩机的动力机构会和氢气直接接触,运行状态基于气体体积和体积速率,叶轮旋转速度及材料强度受掺氢的影响很大。因此,掺氢天然气的增压优先选择活塞压缩机。对于区域性的中低压天然气管道无需增压站,无需评估对压缩机的影响。在氢气比例较高、压力较高的情况下,球阀和截止阀、凹凸式/榫槽式/梯形槽法兰有利于防止氢气泄露,同时对仪表接点的开孔和焊接也有一定要求。掺氢后对管道的影响主要体现在材料塑性损失、裂纹扩展速率增加等情况。掺氢会影响原天然气计量设施的计量精度,对掺氢比例≥5%时,计量设施就需要更换或改进。

因此,天然气掺氢适应性除了需要对管材评估外,也要对压缩机、阀门、法兰、密封件、仪表等的适应性进行系统性评估。

2.2  对气质组成及下游用户的影响

天然气掺入氢气后会使气质的密度、热值等发生变化,影响居民、燃气电厂和工业等下游用户的使用。氢气热值约是天然气热值的30%(低热值)~32%(高热值),如果输送同样的能量,需要输送的氢气体积是天然气的约3倍。尤其在高压下氢气的可压缩性比天然气低得多,因此,需要更高的压力或更高的流量才能维持管道输送的能量强度不变。天然气掺入氢气后也会使灶具、天然气内燃机、锅炉的热负荷下降,且使燃气火焰传播速度快速增大,增大了回火风险。一般认为,掺氢比例<5%则对管道和终端用户的影响有限。

2.2.1  对居民用气的影响

有研究认为应控制天然气中氢气体积分数低于23%~24%,才能使掺混气的华白数、燃烧势等参数与天然气具有可互换性。有人对使用掺氢比例为1%~10%天然气的燃气灶、热水器、壁挂炉的热负荷、污染物排放量、燃烧稳定性进行了实际测量,结果显示3类燃具热负荷均小幅下降,但下降幅度依然能够满足GB 16410-2007《家用燃气灶具》要求;燃气灶、壁挂炉的氮氧化物排放量下降,热水器氮氧化物排放量略有上升;燃烧状态均正常。但当掺氢比例超过20%时,家庭用户需要增加氢气探测器,配套的计量系统也需要更换或改进,将增加额外费用。家庭用气对天然气掺氢后的安全有更高的要求,尤其是受限空间的泄露与爆炸风险。

2.2.2  对燃气轮机和内燃机的影响

天然气除了居民生活使用外,最大的用户是燃气发电和工业领域。有研究显示,掺氢20%的混合天然气进入燃气轮机后,因为氢气的最大层流燃烧速度约是甲烷的77.8倍,会增加10%的层流火焰速度,40%的湍流火焰速度。氢气的最低点火能量约是甲烷的14.5倍,可缩短点火延迟时间约20%。目前运行的大多数燃气轮机要求原料气中氢气的含量≤1%,少量能接受5%。天然气掺氢后会增压天然气内燃机的热效率,但产生的热量总量降低。天然气内燃机对掺氢比例的限制为≤2%,最大可能的比例约为10%。对于其他下游工业用户的影响,目前全球范围内尚没有系统详细的评估结果。综上所述,掺氢后会对天然气管道及配套设施、下游用户等带来一系列影响。在不对原天然气管输系统改造的前提下,掺氢比例上限的确定要取决于系统上对氢气含量容忍度最小的部件。主要设施的氢气含量容忍高限见表1。不同管道、不同用户场景需要根据实际情况进行评估。

表1  不同设施对氢气比例的容忍高限

天然气设施

对氢气比例的

容忍高限/%

计量设施

50

运输设施

20

压缩机

10

地下储气库

2

燃气锅炉

30

居民灶具

30

内燃机

5

燃气轮机

2

2.3  对泄露与安全的影响

2.3.1  泄露、积聚与扩散

氢气的密度约是天然气的12.5%,分子体积较天然气小得多,向空气扩散系数约是天然气的3.81倍,更容易出现泄露和渗漏。渗漏是在管道完整性较好的状态下的必然现象,有理论认为20%掺氢后气体渗漏损失将是原天然气管道渗漏量的2倍,但由于渗漏量相比输送量较小(?~0.0005%),对运行的安全性和经济性影响并不大。对于在管道完整性或接口密封局部失效情况下的泄露,有研究分别对管道输送天然气和氢气的泄露扩散进行分析,认为氢气相比天然气的泄露速度更快,在开放空间里形成的危险云团更集中且迅速上升,不易产生积聚,不存在扩散潜伏期,在近地面区产生的危险后果更小。但如果在民房等受限空间中发生泄露,则掺氢天然气的爆炸风险更高。实际测试中的泄露多发生在管道接头处,与接头处的垫片材料也有很大关系,如天然橡胶和丁苯橡胶相比其他弹性体材料对氢气的密封能力更差。

2.3.2  爆炸风险

氢气在空气中的最小着火能量和爆炸极限分别为0.019mJ、4.1%~75.9%,而天然气的分别为0.28 mJ、5.3%~15%。氢气发生泄漏后如果能够快速上升和扩散,则爆炸风险相对并不高。但一旦发生燃烧,由于掺氢引起的泄漏速率加快,初始火焰速度增加,使燃烧的可燃范围增大,燃烧速率加快,火焰蔓延风险增加。由于氢气的火焰速度更快,在管道泄露处将可能出现高速喷射火焰,对于高速喷射火焰场景,试验表明掺氢天然气的燃烧辐射场与天然气类似,但火焰高度更小,整体能量更小,风险相对并未增加。如果是开放空间的剧烈燃烧,当掺氢比例≥20%会出现明显的超压,而当掺氢比例≥40%将有较高的爆燃转变为爆轰的风险。如果在受限空间将更加危险,可能导致剧烈的燃烧甚至爆炸。总之,掺氢会使泄漏、燃爆的危险增加,且掺氢比例的增加会增大该影响,一定程度上增加了管网的总体运行风险。

3  国内外对天然气掺氢比例的要求

各国对天然气掺氢比例的研究结论差异较大,从0.1%~30%不等,详见表2,而实际操作中的要求也有很大差别。我国尚未出台对天然气管道掺氢比例的规定。在GB17820-2018《天然气》中对天然气质量要求了高位发热量,GB50494-2009《城镇燃气技术规范》对燃气质量的热值和组分要求了燃气互换性,都并未对具体氢气含量给出限制。而GB∕T 37124-2018《进入天然气长输管道的气体质量要求》、GB∕T 34537-2017《车用压缩氢气天然气混合燃气》、GB∕T33445-2016《煤制合成天然气》都对氢气高限进行了要求,详见表3。

表2  各国对天然气掺氢比例上限的要求

国家

对天然气掺氢比例

上限的要求/%

德国

2

法国

6

奥地利

4

瑞士

2

芬兰

1

日本

0.1

比利时

0.1

英国

0.1

表3  我国相关规范中对天然气中氢气含量高限的要求

标准名称

对天然气中氢气体积分数

高限的要求/%

GB∕T 34537-2017

《车用压缩氢气天然气混合燃气》

25

GB∕T33445-2016

《煤制合成天然气》

3.5(一类气)

5(一类气)

GB∕T 37124-2018

《进入天然气长输管道的气体质量要求》

3

4  结论与建议

向已有的天然气管道设施中掺氢,是氢能发展前期降低氢气运输成本的有效解决方案之一,尤其适用于区域性、点对点的中低压掺输,这也为传统油气公司参与氢能产业、打造新的效益增长点提供了宝贵的战略机遇。如果天然气管道掺氢后,至用氢市场把氢气和天然气分离,最好是分离后的天然气不再重新增压注回管道,这样有望使氢气的运输成本低至2.1~9.1元/kgH2,大大低于高压管束车运输、有机物载体、液氢等运输方式,将大幅提高氢能源的竞争力。如果分离出的天然气需要重新增压注回管道,氢气的运输成本仍会很高,不建议采用这种方式掺输。因此,我们认为天然气管道掺氢有其特殊的适用场景。欧美国家已经开展了实际掺氢的示范项目,而我国对天然气管道掺氢的研究较少,且缺少标准规范、评估方法和实际试验数据。为促进我国这一领域的发展,建议:(1)在保障管道设备设施安全性基础上,在特定区域开展针对不同管道材料、不同掺氢比例的试验性示范项目,积累试验数据,形成标准规范。(2)对于在运行的天然气管道掺氢,不同管道的服役年限、材料等都会对掺氢比例有不同,对已有设施和下游用户的影响也不同,应建立适应不同场景的掺氢可行性的评估标准和评估方法。(3)对于新建的天然气管道,尤其是中低压管道,在设计时可以考虑掺氢。从设计源头就把掺氢的影响考虑在内,比如在管道材料选择时考虑耐氢脆的低合金钢,对掺氢比例耐受范围进行模拟和评估。管道施工过程中加强对管道焊缝、无损检测的管理,适当加大埋深,在穿越公路、 铁路、街道时套管加设排气管。运营时加强对管道泄露的实时在线检测,做好泄漏应急预案。
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