張立業(yè) 鄧海濤 孫桂軍 寧 晨 孫 鋼 劉 偉 孫 晨 蘭雪影 魯仰輝 賈冠偉 安永偉 冀守虎 許未晴

*(朝陽燕山湖發(fā)電有限公司，遼寧朝陽122004)

?(國家電投集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100084)

**(河南大學(xué)物理與電子學(xué)院，河南開封 475004)

??(北京航空航天大學(xué)自動化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，北京 100191)

巨量化石燃料燃燒產(chǎn)生巨量溫室氣體，導(dǎo)致全球極端天氣頻繁出現(xiàn)，嚴(yán)重威脅人類的生存安全[1]。改變現(xiàn)有能源組成結(jié)構(gòu)是人類可持續(xù)發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急[2]。氫氣燃燒只產(chǎn)生水，可真正實現(xiàn)零排放，是全球公認(rèn)的清潔能源[3]。大量研究結(jié)果顯示，天然氣摻氫混合氣體的燃燒能夠改善終端設(shè)備的燃燒性能[4]、減少氮氧化物污染和二氧化碳排放[5]。然而，由于我國可再生能源產(chǎn)生區(qū)域（中西部）和用能區(qū)域（東南沿海）的不匹配；同時“三棄”的電量巨大，造成大量電力浪費[6]；現(xiàn)在氫氣的運輸方式和運力有限，一般是高壓儲氣罐運輸，成本高，運輸距離受限，不能長距離運輸。

我國現(xiàn)有天然氣管線具有覆蓋廣、傳輸距離長、輸運量大等特點；截止2019年，我國在役天然氣輸送管道總長度高達(dá)8.7×104km[7]。因此，天然氣中摻入一定比例氫氣后，利用天然氣管道或管網(wǎng)進(jìn)行輸送，是促成氫氣大范圍運送的有效途徑[8]。與高壓或液化氫氣的輸送方式相比，利用管道或管網(wǎng)輸送摻氫天然氣可實現(xiàn)我國現(xiàn)有在役天然氣管道和城市輸配氣管網(wǎng)的充分利用，便于氫氣大范圍、長距離、低成本運送[9]，并且現(xiàn)役輸送管網(wǎng)的改造或維護(hù)費用不高，甚至直接使用[10]。利用天然氣管路安全輸送摻氫天然氣到終端用戶時，摻氫天然氣既可直接作為燃料供給家用燃?xì)饩?、天然氣汽車等，也可將其分離出的氫氣供給加氫站、燃料電池發(fā)電設(shè)施等[11]。

天然氣管網(wǎng)組成非常復(fù)雜，主要部分為供氣站、輸氣管道和住宅終端用戶[12]。天然氣摻氫后對現(xiàn)有天然氣管道輸送系統(tǒng)和終端用氣單位產(chǎn)生不同程度的作用[13]。不同的摻氫比會導(dǎo)致燃?xì)獾娜紵俣?、熱?fù)荷系數(shù)等燃燒指數(shù)以及相對密度、傳熱系數(shù)、黏度等水力指數(shù)均發(fā)生改變，因此對管道輸送工況和終端用戶都有很大影響[14]。如，由于熱值的不同，引起后端用氣設(shè)備的運行狀態(tài)不穩(wěn)定，容易增加氫氣的聚集濃度，增加輸送系統(tǒng)的氫腐蝕風(fēng)險[15]。天然氣流量根據(jù)用戶的需求實時變化，為保持摻氫比的穩(wěn)定，摻氫流量需跟隨天然氣流量變化，因此，隨動摻氫對燃?xì)廨斔偷姆€(wěn)定性和安全性起到關(guān)鍵作用。且隨動流量比例調(diào)節(jié)對摻氫比有較高精度控制，而相關(guān)的項目都是采用該種技術(shù)。但因摻氫天然氣特殊的物理化學(xué)特性[16]，當(dāng)前需要研究天然氣摻氫系統(tǒng)是否適合長期工作于天然氣摻氫環(huán)境。西方主要發(fā)達(dá)國家正在對這方面開展研究，同時歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會也正在有序進(jìn)行天然氣摻氫混合技術(shù)及工藝設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化研究制定[17]。

然而，我國整個天然氣摻氫系統(tǒng)的研究還處于起步階段，研究不多。國家電投朝陽天然氣摻氫示范項目具有典型的實際應(yīng)用，因此，本文在該項目應(yīng)用的基礎(chǔ)上，歸納總結(jié)天然氣隨動摻氫技術(shù)、摻氫原理、摻氫裝置、摻氫比動態(tài)測量技術(shù)及工程實例，為天然氣摻氫技術(shù)的大范圍應(yīng)用提供參考借鑒。

1 天然氣隨動摻氫技術(shù)

典型的天然氣隨動摻氫系統(tǒng)，如圖1所示。主要包括：氫氣輸送系統(tǒng)、天然氣輸送系統(tǒng)、隨動摻氫結(jié)構(gòu)、混合系統(tǒng)、氣體流量測量系統(tǒng)和調(diào)控系統(tǒng)。由于用氣端需要的摻氫天然氣流量波動性大，這就需要供氣端的隨動摻氫裝置具備流量動態(tài)測量和控制能力。兩股或多股氣體混合主要通過分子擴(kuò)散和對流擴(kuò)散兩種形式，后者一般為湍流擴(kuò)散，即氣體流動處于湍流狀態(tài)的對流擴(kuò)散。當(dāng)混合由某股氣體流動主導(dǎo)和驅(qū)動時，工程上也稱為主體擴(kuò)散，主體擴(kuò)散往往需要通過特殊設(shè)計的混合器結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)主流和添加氣流之間的均勻混合。均勻性也是隨動摻氫需要關(guān)注和控制的技術(shù)指標(biāo)。天然氣隨動摻氫屬于一種氣體混合技術(shù)，需要考慮摻氫、管道輸送和終端用戶共三個環(huán)節(jié)，最終確定合適的摻氫體積比，使得天然氣氫氣混合物的體積比在所有環(huán)節(jié)處于穩(wěn)定安全狀態(tài)，達(dá)到摻混氣體減小波動幅度、泄漏的風(fēng)險和提高均勻性、安全性的目的[18]。目前芬蘭、瑞士、奧地利、西班牙等歐洲國家規(guī)定天然氣管道中摻氫體積比上限分別為1%，2%，4%，5%[19]。我國目前僅有摻氫天然氣管道輸送示范項目“朝陽可再生能源摻氫示范項目第一階段工程”的摻氫體積比約為5%[20]。當(dāng)前各國規(guī)定的摻氫比都較低，但多個國家均計劃未來將摻氫體積比上限提高到20%左右[21-23]。

圖1 天然氣隨動摻氫系統(tǒng)Fig.1 System of natural gas follow-up hydrogen mixing

1.1 隨動摻氫結(jié)構(gòu)

目前，隨動摻氫按實現(xiàn)方式可分為機(jī)械式和電氣式。機(jī)械式包括：浮子式、柱塞式、文丘里式和二進(jìn)制式。上述摻氫結(jié)構(gòu)需要搭配控制系統(tǒng)才能保證摻氫比例，以確保用氣端的穩(wěn)定使用。

1 .1.1 電氣式隨動摻氫結(jié)構(gòu)

如圖2所示電氣式隨動摻氫結(jié)構(gòu)由流量計量、信號傳輸反饋、流量控制系統(tǒng)、比例校準(zhǔn)等環(huán)節(jié)構(gòu)成。其原理是根據(jù)采集系統(tǒng)采集的參數(shù)，通過控制系統(tǒng)發(fā)出控制信號，調(diào)節(jié)摻混工藝中流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的單一流體或多種流體混合物的流動。主要包括：流量計、比例式流量閥、混合器、后端采集系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等?；诹髁坑嬃康碾S動摻氫結(jié)構(gòu)主要是以質(zhì)量/體積流量計進(jìn)行氣體的測量，并反饋給各氣體調(diào)控閥控制閥口開度的結(jié)構(gòu)。

圖2 電氣式隨動摻氫結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of gas mixer with electrical control

國家電投朝陽天然氣摻氫示范項目摻混設(shè)備采用的就是電氣式隨動摻氫結(jié)構(gòu)。天然氣作為主氣源，氫氣作為隨動氣源。由天然氣管路流量計和氫氣管路流量計分別檢測出兩路氣體的流量大小，兩路流量信號進(jìn)入PLC（programmable logic controller）控制系統(tǒng)，經(jīng)PLC控制系統(tǒng)運算處理后，輸出控制信號給位于氫氣管路上的調(diào)節(jié)閥，改變調(diào)節(jié)閥的開度大小，從而控制氫氣進(jìn)入混合器的量，對混合氣實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)。該項目氫氣進(jìn)口壓力為15 MPa，摻氫量按照3%～20%設(shè)計，采用階梯過渡的方法，目前已按照10%的摻氫比例安全運行1年。

壓力差隨動摻氫結(jié)構(gòu)可以是電氣式或機(jī)械式隨動摻氫結(jié)構(gòu)實現(xiàn)形式。原理基于理想氣體狀態(tài)方程實現(xiàn)氣體摻混。幾種氣體經(jīng)過某一管道后進(jìn)入摻混裝置，僅高精度地控制摻混裝置前部管路中氣體的壓力差，就能實現(xiàn)高精度的氣體摻混。調(diào)控管路的壓力差比可控制多種氣體不同的摻混比例；進(jìn)而調(diào)控閥門孔徑尺寸調(diào)整氣體流通面積，控制氣體的摻混比例。此結(jié)構(gòu)通過實現(xiàn)調(diào)整氣體壓差進(jìn)而完成了對摻混氣體流量的控制，配氣速度較快，混氣阻力低，壓力損失較小，但對于壓力控制要求較高[24]。

Slgas SDI公司的CONSTA-MIX機(jī)械式混氣閥根據(jù)下游反饋的壓力波動控制共軸的兩個錐形體閥門開度，可以實現(xiàn)預(yù)設(shè)的摻氣比[25]?；旌蠚怏w流量通過3個浮動可變孔口實現(xiàn)自動精確調(diào)節(jié)?；旌线^程不需要電子控制裝置的信號回饋，消除失效或需校準(zhǔn)的問題。這種混合器運作簡單而安全，由橫向連接的調(diào)壓器來調(diào)控混合閥兩端閥口的壓力，使其保持平衡。

1 .1.2 機(jī)械式隨動摻氫結(jié)構(gòu)

機(jī)械式隨動摻氫結(jié)構(gòu)是通過機(jī)械式連動控制機(jī)構(gòu)對管道中的閥門開度進(jìn)行控制進(jìn)而實現(xiàn)對氣體體積流量的調(diào)控，即可實現(xiàn)對各氣體相對流量的精確調(diào)控。調(diào)節(jié)裝置通過調(diào)節(jié)閥口開度控制流體流量大小。每一種氣體連續(xù)流動在裝置中的流量均由流量計控制，氣體通過控制閥和流量計后，進(jìn)入低壓回路，連動流量控制機(jī)構(gòu)。主要的實現(xiàn)形式：浮子式、柱塞式、文丘里式和二進(jìn)制式等隨動摻混結(jié)構(gòu)。

（1）浮子式

浮子式氣體隨動摻混結(jié)構(gòu)是氣體混合的常用裝置，主要由校正的浮子或浮球流量計和手動控制閥組成，如圖3所示，其結(jié)構(gòu)簡單、壓力損失小、流量示值直觀、應(yīng)用廣泛且易于維護(hù)。但由于浮子流量計需目測及手動調(diào)整控制閥的人為操作原因，導(dǎo)致其混合氣體的測量精度相對較低[26]。

圖3 浮子式氣體隨動摻混結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of gas mixer with floating ball

（2）柱塞式

柱塞式摻混結(jié)構(gòu)是兩個或多個不同直徑的氣缸柱塞，以設(shè)定氣體流量產(chǎn)生高精度的混合氣體，如圖4所示。在實際的應(yīng)用中，由于氣缸柱塞尺寸的限制，流量小、無法在較長時間內(nèi)獲得連續(xù)且大流量的氣體混合物。

圖4 柱塞式摻混結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of gas mixer with plunger

（3）文丘里式

文丘里式引射隨動摻混結(jié)構(gòu)是一種重要且應(yīng)用廣泛的機(jī)械式隨動摻氫結(jié)構(gòu)實現(xiàn)形式[27]，如圖5所示。由伯努利定律可知，高速流動氣體經(jīng)過縮流截面時，氣體的流速增大而流體壓力減小，產(chǎn)生高速低壓效應(yīng)而制造引射隨動摻氫結(jié)構(gòu)[28]。此結(jié)構(gòu)配氣速度快、流量大。壓力損失在7 kPa左右，損失較小。但對波動適應(yīng)性不夠靈活，僅能混合定值流量比的工作氣體與引射氣體。

圖5 文丘里式引射隨動摻氫結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of gas mixer with Venturi ejection

（4）二進(jìn)制式

基于計算機(jī)的二進(jìn)制邏輯原理和泊肅葉定律，通過兩組不同長度的平行氣體管路，并在公共端口連接二通閥。在氣體流動過程中，壓力與流體的動態(tài)黏度成反比，按二進(jìn)制計數(shù)的順序開閉二通閥門，使一種氣體的流量和增加，而另一種氣體的流量和降低，可以實現(xiàn)不同比例混合氣體的流量[29]，但當(dāng)兩種氣體的入口壓力差異較大時，混合精度對輸出壓力的波動非常敏感，如圖6(a)所示。然而，要實現(xiàn)混合氣體流量的準(zhǔn)確摻混，關(guān)鍵是要實現(xiàn)兩種及以上供氣源壓力相等，保證必須與摻混氣體的比例具有相同黏度[30]，如圖6(b)所示。

圖6 二進(jìn)制摻混結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of gas mixer with binary

2 摻氫比動態(tài)測量

二元或多元混合氣體流量和濃度的高響應(yīng)和瞬時測量技術(shù)對高效生產(chǎn)和提高精度有著重要的影響。根據(jù)測量流量和濃度的原理不同，可分為直接測量和間接測量。直接測量是傳感器直接識別出氣體的種類，而間接測量是傳感器測量氣體特性進(jìn)而識別并推導(dǎo)出氣體種類。氣體傳感器主要分為紅外吸收型、熱傳導(dǎo)型、半導(dǎo)體型等。

2.1 紅外吸收型

紅外吸收型氣體傳感器基于Lambert–Beer吸收定律，利用不同氣體對特定紅外吸收峰的共振，產(chǎn)生特征吸收光譜，從而精確地測量氣體的濃度。原理如圖7所示，主要由紅外LED （light emitting diode）光源發(fā)生器、紅外探測接收器、光學(xué)檢測氣室等組成?？蓪Χ喾N氣體的濃度進(jìn)行檢測，廣泛應(yīng)用于礦井瓦斯安全、油氣勘探、大氣污染監(jiān)測等方面[31]。一般用于對甲烷，二氧化碳濃度的檢測，對二氧化碳的濃度測量范圍約為0～3%。其克服了傳統(tǒng)傳感器催化及電化學(xué)過程中毒老化導(dǎo)致壽命縮短的缺點，同時具有響應(yīng)快、精度高、氣體選擇性好等優(yōu)點。但其目前制造成本較高，在環(huán)境適應(yīng)性方面也有一定缺陷[32-33]。

圖7 紅外吸收型氣體流量傳感器原理Fig.7 Principle of gas flow sensor with infrared absorption

Zhang等[34]研制了一種基于紅外吸收式氣體傳感器，用于測量二氧化碳濃度。在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下，將濃度為1.54%的二氧化碳持續(xù)注入傳感器中，300 ms后得到二氧化碳的濃度測量范圍為0～3%，穩(wěn)定性為0.7%。同時，采用10種CO2標(biāo)準(zhǔn)氣體測試，得到CO2傳感器的重復(fù)性誤差和精度分別為0.024%和0.026%。隨機(jī)選擇濃度0.5%的CO2，穩(wěn)定后的響應(yīng)時間為2.5 s。傳統(tǒng)CO2氣體傳感器使用采樣泵將氣體收集到空氣室中，不僅增加了傳感器的體積、重量和功耗，而且降低了傳感器的可靠性，而紅外CO2氣體傳感器的優(yōu)勢是頻譜寬、響應(yīng)快、靈敏度高、識別度好。

Zhang等[35]開發(fā)出一種既沒有電路也沒有同步新型紅外二氧化碳?xì)怏w分析儀。輸入?yún)?shù)為傳感器輸出電壓和溫度，采用RBF（radial basis function）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了氣體濃度精度的對應(yīng)關(guān)系，同時分析CO2的濃度。通過調(diào)整網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練參數(shù)，達(dá)到誤差值收斂至預(yù)定閾值，得到網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練偏差為0.018%，而測試偏差為0.023%。在沒有氣體泵的條件下，采用動態(tài)補(bǔ)償過濾器能夠獲得良好的動態(tài)特性。CO2氣體對4.26 μm的紅外能量表現(xiàn)出強(qiáng)烈吸收，對3.9 μm的紅外能量無反應(yīng)，需要透射波長為3.9 μm的濾波器做補(bǔ)償，得出紅外二氧化碳分析儀氣體的濃度測量范圍為0～3%，準(zhǔn)確度為±0.028%，響應(yīng)時間小于215 s（無空氣泵）；此紅外二氧化碳分析儀具有體積小、功耗低、精度高、機(jī)械可靠性高和使用壽命長等優(yōu)點。

2.2 熱傳導(dǎo)型

熱式質(zhì)量流量計的工作原理是在有溫度梯度的溫度場中，介質(zhì)流動時會帶走一定的熱量，且在單位時間內(nèi)帶走的熱量和介質(zhì)的質(zhì)量流量成比例關(guān)系。熱傳導(dǎo)型氣體傳感器檢測氣體種類廣泛、壽命長、適應(yīng)性強(qiáng)，有氧或無氧環(huán)境中都可以實現(xiàn)對氣體的濃度檢測。檢測范圍大，最高檢測濃度可達(dá)100%。裝置結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、使用維護(hù)方便。但在高溫工作條件下其輻射熱過高易造成檢測精度差、響應(yīng)時間慢、溫度漂移大等缺點[36]。一般的熱式質(zhì)量流量計都是基于上述原理制成的，如圖8所示。

圖8 熱傳導(dǎo)型氣體傳感器原理Fig.8 Principle of gas flow sensor with heat conduction

國家電投朝陽天然氣摻氫示范項目在混合氣管路設(shè)置了氫氣分析儀，其屬于熱傳導(dǎo)型傳感器，可以精準(zhǔn)檢測混合氣中氫氣的變化，根據(jù)氫氣分析儀測得的數(shù)據(jù)，來控制氫氣管路上調(diào)節(jié)閥開度，從而控制氫氣流量，達(dá)到天然氣和氫氣的精確配比。該類傳感器內(nèi)有一個微處理器提供信號處理和溫度補(bǔ)償，可以獲得通常的熱傳導(dǎo)傳感器所提供不了的精度和檢測量程，響應(yīng)速度為（T90）20 s，且具有較高的穩(wěn)定性，幾乎或根本不需維護(hù)。

Shinya[37]采用安裝 MEMS（micro-electromechanical system）芯片的熱流量傳感器，控制氣體流量，并通過兩個不同溫度下獲取兩組熱導(dǎo)率值來估算三元氣體中（氮氣、氧氣、氬氣）的氧濃度。當(dāng)氣流平行經(jīng)過傳感器芯片表面時，使上風(fēng)端和下風(fēng)端熱電堆之間的溫差隨氣流強(qiáng)度變化而產(chǎn)生電動勢的變化，進(jìn)而用于氣體流量檢測。在二元體系中，氣體的熱導(dǎo)率僅因與氮氣的混合比而變化，分析了氬含量對氧的濃度檢測影響性很大。當(dāng)氬比升高到7%時，氧濃度誤差約為50%。誤差大的原因是因為氬氧本身的熱導(dǎo)率因氬比的變化而變化。而以三元系統(tǒng)方法計算氧濃度誤差范圍為–3%到±2%，遠(yuǎn)優(yōu)于二元系統(tǒng)。

Hepp等[38]設(shè)計了一種基于熱式流量傳感器的特殊傳感器，實現(xiàn)對二元混合氣體濃度和流量的測量。包括兩個溫度傳感器和一個焦耳加熱器，通過兩種獨立的激勵模式（功率和溫度）實現(xiàn)對二元混合氣體濃度和流量的測量。焦耳加熱器產(chǎn)生熱量，使氣流溫度達(dá)到穩(wěn)定，傳感器測量得到溫度和混合氣體的熱傳導(dǎo)率以獲得混合氣體的濃度。同時，依據(jù)隨流量增加，溫差不斷增大，由上下游的溫差得到流速。測量結(jié)果顯示，氣體濃度的準(zhǔn)確度為5%，流速的準(zhǔn)確度為3.3%。

2.3 半導(dǎo)體型

利用半導(dǎo)體材料的氣敏特性，開發(fā)出了可對氣體進(jìn)行有限檢測的半導(dǎo)體氣敏性材料，實現(xiàn)半導(dǎo)體材料對氣體濃度和流量的測量。半導(dǎo)體氣體傳感器[39]分為電阻型和非電阻型，其中電阻型半導(dǎo)體氣體傳感器具有靈敏度高、體積小、成本低、工作電路簡單等優(yōu)點，其不足之處是工作溫度過高須輔以加熱元件導(dǎo)致工藝難度上升。檢測濃度限度過高，氣體濃度較低時的響應(yīng)較差[40]，長期穩(wěn)定性和選擇性較差。非電阻型半導(dǎo)體氣體傳感器是利用半導(dǎo)體材料的物理特性和器件特性實現(xiàn)對目標(biāo)氣體的檢測，如圖9所示。

圖9 一個典型的半導(dǎo)體氣體傳感器Fig.9 Principle of gas flow sensor with semiconductor

Tetsuya等[41]采用基于SnO2多孔膜的半導(dǎo)體氣體傳感器，通過傳感器表面吸收氣體導(dǎo)致半導(dǎo)體的電阻變化來測量氣體濃度。在半導(dǎo)體傳感器裝置被加熱到250℃～350℃的條件下，將流量120 cm3/min，濃度1‰的H2和CO混合氣體充入半導(dǎo)體傳感器，充入時間為0.3 s。在250℃和350℃時，H2和CO響應(yīng)時間分別為小于1 s和0.5 s；空氣切換為混合氣體的切換時間對響應(yīng)時間影響大。如切換時間0.3 s時，響應(yīng)時間可能小于0.5 s，如果切換氣體的時間減少，響應(yīng)時間可能更短。

Utembe等[42]基于三氧化鎢（WO3）開發(fā)出一種新型便攜式半導(dǎo)體傳感器，利用WO3良好的電子特性變化導(dǎo)致電阻的變化來測量臭氧濃度。金屬氧化物對臭氧的敏感性歸因于表面氧空位的存在，臭氧分解所形成的氧空位的填充會捕獲自由載流子，從而導(dǎo)致電阻變化。將傳感器溫度從600℃切換到530℃（測量溫度），恒定臭氧濃度的空氣以3 L/min的流量充入傳感器，臭氧濃度為 13 ppb，27 ppb，35 ppb，45 ppb，56 ppb，68 ppb時，響應(yīng)時間分別約為700 s，380 s，310 s，250 s，230 s，200 s。臭氧濃度越高，電阻變化越大，響應(yīng)時間越短，靈敏度越高；臭氧濃度為43 ppb時，將傳感器溫度從530℃切換到低溫500℃，傳感器靈敏度提升，但響應(yīng)時間從250 s增加至300 s。

2.4 綜合測量型

在實際的應(yīng)用過程中，紅外吸收型適用于低濃度氣體測量；半導(dǎo)體型適用于高濃度氣體測量；熱傳導(dǎo)型檢測范圍大，檢測濃度可達(dá)100%，但其精度、靈敏度等都較差。可結(jié)合現(xiàn)有的摻混結(jié)構(gòu)和檢測設(shè)備，提取出其優(yōu)點進(jìn)行組合設(shè)計出綜合測量系統(tǒng)，在測量精度、響應(yīng)時間等方面進(jìn)一步優(yōu)化。

文獻(xiàn)[43]使用文丘里流量計和層流流量計搭建測量二元氣體混合物中氣體濃度和氣體混合物總流速的系統(tǒng)，能夠瞬時測量混合氣體的流量和濃度。實驗可以同時測量空氣和二氧化碳、空氣和氦氣混合氣體流量、濃度的靜態(tài)、動態(tài)特性。在混合氣體溫度293 K，供氣壓力0.5 MPa，流量 5.00 × 10–4～10.0 × 10–4m3/s的條件下，空氣和二氧化碳的靜態(tài)特性中的流量誤差在–0.6%～1.6%以內(nèi)，濃度的測量誤差在–7.6%～6.3% FS(full scale) 以內(nèi)。同時，空氣和氦氣的靜態(tài)特性中的流量誤差在–2.4%～–0.1%以內(nèi)，濃度的測量誤差在–8.8%～6.7% FS以內(nèi)。實驗測量了空氣和二氧化碳的動態(tài)特性，流量改變的時間在0.3 s以內(nèi)，而濃度的改變時間在0.2 s以內(nèi)，比現(xiàn)有的流量和濃度改變時間有所提高。采用此方法能有效提高混合氣體的測量精度、縮短響應(yīng)時間。

Youn等[44]使用流量計組合（超聲波流量計和文丘里流量計、超聲波流量計和層流流量計），可檢測二元混合氣體的濃度和流量。對氬氣和空氣的混合物進(jìn)行實驗，當(dāng)混合氣體流量采樣時間為1 ms時，測得氬的摩爾分?jǐn)?shù)從0.1變?yōu)?.9?；旌蠚怏w流量為5×10–4m3/s時，文丘里流量計和層流流量計的組合測量誤差超過20%；混合氣體流量為7.5×10–4m3/s時，文丘里流量計和層流流量計的組合測量誤差將近10%。由于評估氣體混合比的方程式的因素，評估混合比顯示出相當(dāng)大的誤差；當(dāng)使用超聲波流量計代替文丘里流量計時，超聲波流量計和層流流量計的誤差小于±4.0%，誤差明顯減小，而流量計精度在讀數(shù)的±2%范圍內(nèi)。

文獻(xiàn)[45]使用小型臨界噴嘴、層流流量計和壓差傳感器構(gòu)建一種用于檢測氣體混合物不同濃度的傳感系統(tǒng)。根據(jù)不同組分的氣體流經(jīng)層流結(jié)構(gòu)兩端產(chǎn)生不同的壓降原理，可以實現(xiàn)CBrF3與N2以及C3HF7與空氣的濃度檢測。實驗時保持通過層流流量計和臨界噴嘴的氣體混合物的溫度恒定，溫度變化不超過0.3℃。在外界環(huán)境為23℃，0.1 MPa的條件下，將系統(tǒng)的溫度保持在70℃，對于CBrF3與N2的氣體混合物，測量制備混合氣濃度0～10%的范圍，精度的絕對誤差小于±0.5%，在較高濃度下絕對誤差為±1.5%，響應(yīng)/恢復(fù)時間分別為0.11/0.15 s；對于C3HF7與空氣的混合物，濃度調(diào)控范圍為0～30%。通過快速切換氣體來測量響應(yīng)/恢復(fù)時間，響應(yīng)時間小于10 ms，檢測器信號可以快速穩(wěn)定。將濃度改變?yōu)?和29.9%，當(dāng)實際濃度達(dá)到測量濃度的90%時，傳感系統(tǒng)響應(yīng)時間和恢復(fù)時間分別為0.21 s和0.26 s。結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有響應(yīng)/恢復(fù)時間快、準(zhǔn)確度高、重復(fù)性好等特點。

文獻(xiàn)[46]設(shè)計了一個由科氏質(zhì)量流量、密度、壓力和熱流量傳感器以及集成MEMS芯片組成的系統(tǒng)，通過這個系統(tǒng)可以測量介質(zhì)的黏度、密度、熱容和流速，根據(jù)測得的介質(zhì)性質(zhì)計算混合氣體組分。將氮氣和氬氣的混合物以恒定流量10 mL/min流入系統(tǒng)，根據(jù)校準(zhǔn)曲線和科里奧利與熱流量傳感器測量的比值，確定混合物的熱容，測量的熱容與實際熱容相差不超過3%。根據(jù)測得的總熱容和已知的氮氣和氬氣的熱容，得出氮氣在氬氣中的比例。這種方法可確定組分在10%以內(nèi)的混合氣體，其精度優(yōu)于10%。通過熱流量傳感器控制氣體流量，以恒定流量1 L/min提供混合氣體，在科里奧利流量傳感器上，流量處于哈根–泊索葉層流狀態(tài)下，壓力和體積流量之間存在線性關(guān)系，根據(jù)已知的密度和熱容，測出體積流量分?jǐn)?shù)，體積流量分?jǐn)?shù)的計算誤差小于1%，響應(yīng)時間在2 s左右。對二元混合物的精度為1%，三元混合物的精度為3%。

Kong等[47]構(gòu)建并仿真了三維螺旋靜態(tài)混合器及實驗，驗證了天然氣摻氫的混合狀態(tài)。重點研究了混合單元數(shù)、扭轉(zhuǎn)角的分布、混合裝置距離、布置方式對混合氣體的變化系數(shù)(coefficient of variation)COV和壓力損失的影響，具體實驗測試系統(tǒng)裝置，如圖10所示。確定了3個混合單元能夠使混合氣體壓力損失最小，為52.8 Pa，COV為1.45%。當(dāng)扭角θ = 120° 時，COVmin為0.66%，壓損為52.26 Pa。對比了三種布置方式，COV能夠從14.68%降至1.45%。為天然氣摻氫混合器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供了依據(jù)。

圖10 實驗測試系統(tǒng)裝置[47]Fig.10 Equipment in experiment and test system[47]

3 工程實例

天然氣摻氫相關(guān)技術(shù)項目逐漸展開，由于各天然氣摻氫項目在具體的實驗場地，技術(shù)實現(xiàn)，具體運行參數(shù)公開較少；同時，關(guān)于結(jié)論方面的信息披露得也較為零散和專業(yè)程度不足。目前，全球天然氣摻氫示范項目有39個，輸送量高達(dá)2 900 t/a[48]。因此，總結(jié)已有項目的研究成效，為天然氣摻氫項目提供技術(shù)支持。

3.1 歐盟 NaturalHy 項目

為了評估摻氫對現(xiàn)有天然氣管網(wǎng)的影響，39個歐盟合作單位于2004年開始建設(shè)NaturalHy項目[49]。從“綠氫”和“輸氫”兩種策略出發(fā)，加速氫經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)型，如圖11所示。

圖11 NaturalHy概念圖[49]Fig.11 Concept map of NaturalHy[49]

該項目在摻氫天然氣研究方面，主要對燃燒特性、管道耐久特性、管道的能量容量特性、氣體泄漏造成的能量損失特性進(jìn)行了研究。開發(fā)了集成管理軟件用以評估管道失效概率。對摻氫天然氣比從100%，70%，50%至20%進(jìn)行了管道斷裂韌性和安全風(fēng)險相關(guān)實驗和研究。得出在沒有額外測量控制設(shè)備增加的現(xiàn)有條件下，管道能安全輸送20%的摻氫天然氣，爆炸風(fēng)險極低。

3.2 英國HyDeploy項目

為了到2050年實現(xiàn)凈零，英國能源供應(yīng)公司于 2017 年開展了“HyDeploy” 天然氣摻氫項目[50]。目前，從第一階段在基爾大學(xué)進(jìn)行安全試驗工作得出的結(jié)論表明，利用現(xiàn)有天然氣管道加入摩爾質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的氫氣是可以安全運行的。項目將繼續(xù)進(jìn)行，最終推動天然氣摻氫的商業(yè)化發(fā)展。其整體結(jié)構(gòu)如圖12所示。圖13展示了12 h內(nèi)的混合氫比例為10%的氫氣需求以及12 h內(nèi)的混合天然氣的需求。

圖12 HyDeploy項目設(shè)計流程圖[50]Fig.12 Design flowchart of HyDeploy project[50]

圖13 HyDeploy項目天然氣摻氫運行參數(shù)[50]Fig.13 Operation parameters of HyDeploy project gas hydrogen mixing[50]

3.3 國家電投遼寧朝陽天然氣摻氫示范項目

國家電投集團(tuán)燕山湖發(fā)電有限公司聯(lián)合國家電投集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院，于2018年在遼寧朝陽開展國內(nèi)首個天然氣摻氫示范項目研究[51]。利用可再生能源電解堿液產(chǎn)生10 m3/h（氣體標(biāo)準(zhǔn)狀況）的“綠氫”，設(shè)計摻氫比為3%～20%，實際運行以10%的摻氫比例做為燃料使用，其采用電氣式隨動摻氫結(jié)構(gòu)，具體布局及實物結(jié)構(gòu)圖，分別如圖14和圖15所示。主氣源天然氣和隨動氣源氫氣根據(jù)各自的實時流量、溫度、壓力采集數(shù)值，通過PLC控制系統(tǒng)，結(jié)合階梯過渡的算法，控制調(diào)節(jié)裝置開度，對混合氣實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)。同時，混合氣體經(jīng)靜態(tài)混合器中多組渦流發(fā)生器將兩種氣體充分混合，供終端用戶使用。

圖14 朝陽示范項目具體布局示意圖Fig.14 Layout diagram of Chaoyang demonstration project

圖15 朝陽示范項目設(shè)備Fig.15 Equipment of Chaoyang demonstration project

2021年10月，該項目在民用終端應(yīng)用驗證方面取得了新進(jìn)展，成功召開了應(yīng)用成果見證會。圖16展示了2021年6月份朝陽示范項目6天的運行數(shù)據(jù)，雖然天然氣的用氣量在71.37～126.36 m3（氣體標(biāo)準(zhǔn)狀況）之間波動，但其隨動摻氫比例一直穩(wěn)定在8.81%～8.84%，展現(xiàn)了精準(zhǔn)的摻氫性能。此項目已安全運行了1年，在此過程中，探索了天然氣摻氫工藝、輸送過程、摻氫比對管道的腐蝕作用、安全監(jiān)測以及使用過程的整體流程研究。鑒于此項目的理論和實踐積累，編制了“天然氣摻氫混氣站技術(shù)規(guī)程”團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)意見稿。為我國天然氣摻氫輸送技術(shù)發(fā)展提供了整體設(shè)計和工程實現(xiàn)的理論依據(jù)和實踐經(jīng)驗。

圖16 朝陽示范項目運行數(shù)據(jù)Fig.16 Operation parameters of Chaoyang demonstration project

4 展望

為保障“雙碳”任務(wù)的完成，從2020年以來，國家能源局發(fā)布《中華人民共和國能源法》、國務(wù)院辦公廳正式發(fā)布《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021—2035年）》、中國氫能聯(lián)盟正式發(fā)布實施《低碳?xì)洹⑶鍧崥渑c可再生能源氫的標(biāo)準(zhǔn)與評價》等一系列政策和法規(guī)，大力促進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)的健康快速發(fā)展。

本文針對天然氣隨動摻氫的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，如下。

（1）基于氣體低密度、低黏度的特點，介紹了氣–氣摻混原理及主要分類方式。結(jié)合分子、湍流和對流擴(kuò)散的多種作用才能更好地提升摻混速度和均勻度。

（2）天然氣摻氫實現(xiàn)的重要組成部分是隨動摻氫結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)，綜述了電氣式、機(jī)械式隨動摻氫結(jié)構(gòu)；根據(jù)不同的應(yīng)用需求，選擇不同的摻氫結(jié)構(gòu)，為隨動摻氫結(jié)構(gòu)的發(fā)展提供了參考。

（3）摻氫比的動態(tài)測量是實現(xiàn)摻混精度和調(diào)控的重要依據(jù)，綜述了紅外吸收型、熱傳導(dǎo)型、半導(dǎo)體型氣體濃度傳感器的響應(yīng)時間和精度；同時，對同時能測量流量和精度的綜合測量型系統(tǒng)進(jìn)行總結(jié)；精度小于±0.5%，響應(yīng)時間小于1 s的流量和濃度測量的目標(biāo)，為摻氫比動態(tài)調(diào)整提供了測量依據(jù)。

（4）綜述了3個重要在役天然氣摻氫項目，介紹了其系統(tǒng)組成和運行結(jié)果。運行結(jié)果表明該系統(tǒng)可在摻氫比為3%～20%的范圍內(nèi)安全運行，為大規(guī)模天然氣摻氫項目的進(jìn)展提供實踐依據(jù)和工程經(jīng)驗。