陳俊文 湯曉勇 陳情來 陶科宇 諶貴宇 李天雷

1. 中國石油工程建設有限公司西南分公司, 四川 成都 610041;

2. 中國石油工程建設有限公司工程技術研發(fā)中心, 北京 100120;

3. 中國石油西南油氣田公司川東北氣礦, 重慶 635000

0 前言

近年來,以氫能為代表的新能源逐漸成為世界各國研究的熱點[1-3]。大規(guī)模運輸氫氣時,管道輸送更加高效、安全。國外已建成氫氣管道約6 000 km,但天然氣管道摻氫尚未在大型生產項目中實質性推進。在“雙碳目標”的發(fā)展背景下,中國氫氣管道和天然氣摻氫管道輸送需求日益旺盛,其中在天然氣管道中摻入氫氣輸送是一個較有潛力的發(fā)展方向。然而,中國面臨著關鍵問題認識有待加深、實踐經驗不足、規(guī)范標準缺失等情況,因此亟待填補空白。目前,諸多學者在天然氣摻氫管道輸送工藝[4-6]、末端用戶適應性[7-8]、材料評價[9-10]、標準規(guī)范應用[11-12]等方面開展了部分工作,取得了一定認識,可對天然氣管道摻氫輸送提供一定的技術支撐[4-12],同時部分現行有關氫氣管道輸送[13-14]和氫氣站場[15-16]等標準規(guī)范及油氣行業(yè)標準規(guī)范[17-20]亦對天然氣摻氫輸送具有借鑒作用。眾所周知,相比甲烷,氫氣在空氣中具有最小點火能量低、自燃概率高、燃燒速度快、爆炸下限低等特點,其摻入天然氣后的高壓管道運行安全是不可回避的問題,且摻氫管道的實施需要工程設計先行,但目前鮮有針對天然氣摻氫對管道輸送工藝安全影響的相關探討與報道,不利于大規(guī)模推動實施天然氣管道摻氫輸送。為此,有必要結合氫氣與含氫天然氣的介質特性,基于含氫管道工程設計相關工藝安全需求,開展天然氣摻氫管道工程設計相關關鍵參數變化規(guī)律及潛在影響的討論,結合工程設計關注的相關工藝安全場景,探討摻氫對工藝安全的定量影響,提出工程設計建議,更好地為天然氣摻氫管道工程設計提供借鑒。

1 天然氣摻氫后主要物性參數變化規(guī)律

對于天然氣摻氫,目前從管道輸送工藝、材料評價、末端用戶適應性等方面開展了研究工作,且以中低壓燃氣管道研究為主;根據應用場景不同,還應結合具體工程予以探討；同時,工程設計中應重點考慮摻氫對天然氣管道輸送工藝安全的影響,分析關鍵基礎參數的變化及其潛在安全影響。

1.1 單位體積高位熱值

單位體積高位熱值是單位體積氣體燃燒后的能量尺度表征參數。混合氣體的高位熱值是各組分高位熱值、各組分體積分數的函數。天然氣的主要組分為甲烷,甲烷單位體積高位熱值約為37.77 MJ/m3,氫氣單位體積高位熱值約為12.09 MJ/m3,而對于摻氫10%體積分數的天然氣,其單位體積高位熱值約為35.1 MJ/m3。由此可見,氫氣單位體積高位熱值約為甲烷單位體積高位熱值的33%,天然氣摻氫后的單位體積高位熱值低于天然氣。以10%氫氣摻入為例,摻氫前后的單位體積高位熱值降幅約7%。

不少學者就天然氣摻氫后對管道輸送工藝的影響進行了討論,主要影響為:若交接計量按照體積熱值衡量,摻氫后需提升混合氣體的體積流量,以滿足交接熱值計量的要求;受摻氫后燃料氣熱值影響,燃驅壓縮機效率將降低;對于管道輸送工藝安全的影響主要體現在燃燒熱輻射上,但需注意的是,雖然混合介質的單位體積高位熱值降低,但燃燒熱輻射還受到泄放量的影響,定量的影響分析還需基于具體場景進行討論。

1.2 氣體比重

氣體比重又稱相對密度,主要表征標準狀態(tài)下氣體與空氣的密度比值,在氣體流量檢測與氣體交易中具有重要的作用。

在標準狀態(tài)下,氫氣的密度為0.083 kg/m3(約為甲烷的11%),而空氣的密度為1.25 kg/m3。

在天然氣摻氫后,混合氣體的比重降低,在管道輸送工藝上體現為流動能力的提升;在離心增壓時,由于比重降低,相同壓比下摻氫天然氣所需葉輪轉速較天然氣所需葉輪轉速更大。

氫氣在空氣中具有明顯的上浮趨勢,這對于泄漏后的擴散具有促進作用。同時,由于氣體比重降低,摻氫天然氣具有更強的“泄漏逃逸”性能。

1.3 燃燒極限

燃燒下限(Lower Flammable Limit,LFL)和燃燒上限(Upper Flammable Limit,UFL),通常也稱爆炸下限和爆炸上限,表征氣體混合物在空氣中形成燃燒或爆炸環(huán)境的濃度范圍。

純甲烷的LFL和UFL分別為4.4%和17.0%,而純氫的LFL和UFL分別為4.0%和77.0%。氫氣與甲烷混合物的LFL和UFL可以使用專業(yè)商用軟件分別進行計算,10%氫氣體積分數的摻氫天然氣,其LFL和UFL分別為4.36% 和18.44%。由此可見,天然氣摻氫將導致可燃范圍擴大。

在安全影響上,不同LFL和UFL最顯著的影響體現在危險易燃氣體環(huán)境的分類。對于中國的危險介質分類,氫氣和甲烷同屬于甲類介質,因此摻氫后不影響分類。理論上講,氣體混合物的可燃性范圍擴大意味著危險區(qū)域范圍的擴大,即可能形成潛在爆炸性環(huán)境的區(qū)域范圍擴大,實際的危險區(qū)域范圍還需要綜合泄漏量、擴散環(huán)境條件等綜合判斷。

1.4 火焰發(fā)射率

氫氣火焰的燃燒特性與天然氣不同，氫氣燃燒所發(fā)出的光可見度較低，典型的天然氣火焰呈藍色,火焰尖端有發(fā)光的黃色區(qū)域。在燃燒過程中存在某些金屬或非金屬成分的情況下，隨著氫濃度的增加,觀察到黃色火焰逐漸蔓延。研究表明,當氫含量達到40%時,除了靠近燃燒器的區(qū)域仍然呈藍色外,整個火焰都變成黃色。對于摻氫10%的天然氣,可認為火焰發(fā)射率與100%天然氣的火焰發(fā)射率相似。

1.5 焦耳—湯姆遜效應

氫氣具有負的焦耳—湯姆遜效應，對于純氫氣,節(jié)流降壓前后的溫度變化較小。與氫氣不同,天然氣具有正的焦耳—湯姆遜效應。天然氣摻氫后,壓力降低所引起的溫度變化取決于氣體的混合比例。

在高壓天然氣輸送系統中,焦耳—湯姆遜效應被視為低溫的風險源之一,摻氫對JT效應有緩解作用,定量影響可通過商業(yè)軟件模擬確定。

1.6 最小點火能

最小點火能(Minimum Ignition Energy,MIE) 是可燃氣體和空氣的混合物起火所必需的能量臨界值。氫氣在空氣中最小點火能量很低,僅為0.019 mJ,點燃后燃燒速率很快,是燃燒危險性很大的危險化學品;而甲烷的最小點火能相對較高,達到0.274 mJ。MIE隨著氫含量的增加成比例降低,天然氣摻氫后,混合氣體的最小點火能降低,發(fā)生著火的概率增加。這種影響主要體現在工程建設的風險評價階段,應適當考慮天然氣摻氫對混合介質點火概率的修正。

2 天然氣摻氫后工程設計典型影響

鑒于前述氫氣的物性特征,有必要針對工程設計中的典型場景對天然氣摻氫后的安全相關特性進行分析與探討,揭示典型規(guī)律,指導工程設計。

2.1 節(jié)流后低溫影響

在高壓天然氣管道的設計和運行中,節(jié)流效應是工藝安全關注的焦點之一。例如,在管道放空過程中,控制大壓差節(jié)流引起的低溫是指導管道選材、放空系統設計的主要原則。如前所述,氫氣具有典型的逆焦湯效應,通過ASPEN HYSYS軟件對不同摻氫濃度的氫氣—天然氣混合介質在相同初始溫度(30 ℃)、相同節(jié)流壓差(節(jié)流前10 MPa、節(jié)流后0.1 MPa)時的溫降進行模擬,結果見圖1。

圖1 不同濃度氫氣—天然氣體系節(jié)流溫降對比圖Fig.1 Throttling induced temperature difference comparison for different hydrogen-natural gas concentration system

由圖1可見,在相同節(jié)流壓差與初始溫度下,摻氫比例越高,節(jié)流溫降越小,即摻氫天然氣的節(jié)流溫降小于天然氣的節(jié)流溫降。定量來看,在小體積比例摻混后(摻氫10%),氣體介質的節(jié)流溫降為38.9 ℃,而純天然氣溫降為47.5 ℃,降幅較明顯,說明摻氫10%～20%的天然氣對管道輸送系統的節(jié)流低溫影響具有較明顯的抑制作用。

2.2 氣體泄漏流量影響

氣體泄漏是各類安全問題的關鍵誘因之一。如前所述,由于氫氣的分子量極小,更易泄漏,因此可認為其摻入天然氣后,介質具有更強的泄漏趨勢。開展了不同摻氫比例的天然氣在相同壓力下(8 MPa)的多孔徑泄漏場景模擬,定量對比結果見圖2。

圖2 不同濃度氫氣—天然氣體系泄漏質量流量對比圖Fig.2 Mass flowrate comparison for different hydrogen-natural gas concentration system leakage

由圖2可見,在相同初始壓力和孔徑下,摻氫天然氣的泄漏質量流量隨含氫比例升高而降低,純甲烷與純氫氣在相同泄漏條件下,泄漏質量流量比可以達到3倍左右。由于氫氣密度僅為天然氣密度的1/8,氫氣的泄漏體積流量明顯高于天然氣,表明氫氣具有更強的泄漏趨勢。對不同摻氫比例的天然氣泄漏體積流量采用DNV PHAST V8.0進行了模擬,模擬結果見圖3。

圖3 不同濃度氫氣—天然氣體系泄漏體積流量對比圖Fig.3 Volume flowrate comparison for different hydrogen-natural gas concentration system leakage

由圖3可見,在相同泄漏條件下,摻氫天然氣的泄漏體積流量隨氫氣比例升高而逐漸增大;在摻氫比例較低時,泄漏體積流量變化相對平緩,隨摻氫比例增大,泄漏體積流量增幅顯著,這主要是受泄漏介質分子量隨摻氫比例增大而逐漸降低引起的。同時,值得關注的是,在相同泄漏條件下,純氫氣的體積泄漏量約為天然氣的3倍,說明氫氣也具有更強的泄漏口噴射效應,由于均為超臨界泄放,該結論也與“氫氣的聲速約為天然氣聲速3倍”的基本規(guī)律吻合。

綜上,摻氫天然氣泄漏場景下,氣體泄漏質量流量隨摻氫比例升高而降低,氣體泄漏體積流量隨摻氫比例升高而增加,且摻氫比例越高,單位摻氫比例增幅下的變化幅度越大,這對于泄漏引起的相關安全后果分析提供了基礎。需要指出的是,在目前業(yè)內推薦的天然氣摻氫比例(10%～20%)內,由于摻氫比例都處在相對較低的范圍,因此其泄漏流量與純天然氣相比,變化幅度較小。

2.3 氣體泄漏后擴散范圍影響

可燃氣體泄漏后應評估其擴散范圍,以采取適當的措施,避免爆炸范圍內發(fā)生閃火。摻氫天然氣的擴散主要受組分、泄漏方向和天氣等影響。借助前述方法與認識,開展了相同泄漏條件下(8 MPa,水平泄漏)的摻氫天然氣擴散范圍模擬,由于不同摻氫比例的天然氣具有較明顯的密度區(qū)別,結合擴散后影響實際特點,選取海拔高度2 m為觀測高度,研究50%LFL的擴散半徑，模擬結果見圖4。

圖4 不同濃度氫氣—天然氣體系泄漏后擴散至50%LFL水平距離對比圖Fig.4 Diffusion distance (50% LFL) comparison for different hydrogen-natural gas concentration system leakage

由圖4可見,在孔徑較小的情況下,水平方向上的泄漏介質達到50%LFL的距離呈現隨含氫濃度降低而依次減小的趨勢。實際上,氫氣與天然氣的LFL僅相差1%,且氫氣具有較強的泄漏后上浮特性,但出現氫氣擴散半徑大于天然氣的現象,主要是由于氫氣在泄漏口具有3倍于天然氣的瞬時噴射速度,在靠近泄漏口的區(qū)域呈現出水平噴射引起的水平擴散效應強于氫氣上浮效應的現象;相比之下,在大孔徑泄漏時,則出現了天然氣擴散半徑大于氫氣的情況,這主要是受到了氫氣上浮效應的影響。

另外,正常情況下出現的法蘭、密封等微泄漏問題,可視為極小孔徑的泄漏場景,依據前述模擬規(guī)律可知,小孔徑泄漏場景下,氫氣的擴散范圍大于天然氣,摻氫天然氣的擴散范圍隨摻氫比例升高而增大。在GB 50160—2008《石油化工企業(yè)設計防火標準(2018版)》[19]第5.2節(jié)條文解釋中,認為正常操作時,甲類(包括甲烷)工藝設備周圍3 m左右屬于可燃氣體的微小泄漏擴散范圍,同時也進一步指出“氫氣的水平擴散距離一般不超過4.5 m”，這也對前述分析進行了佐證。

2.4 泄漏后的熱輻射強度范圍影響

管道輸送站場發(fā)生可燃氣體泄漏后,若被立即點燃,將出現噴射火現象,因此有必要對不同摻氫比例天然氣的噴射火強度規(guī)律進行探討。借助前述場景,對相同泄漏工況下的不同摻氫比例天然氣進行水平噴射后熱輻射強度范圍模擬,結果見圖5。

圖5 不同濃度氫氣—天然氣體系泄漏后熱輻射范圍對比圖Fig.5 Thermal radiation distance comparison for different hydrogen-natural gas concentration system leakage

由圖5可見,在相同的泄漏孔徑下,水平泄漏后熱輻射強度范圍基本呈現隨摻氫比例增大而減小的趨勢。結合前文研究結論可知,在相同的泄漏場景下,摻氫比例越大,泄漏的氣體體積流量越大,但氣體的高位熱值逐漸降低,綜合作用下,摻氫比例越大,則泄漏介質的熱輻射強度越低;同時,由于氫氣的氣體擴散燃燒系數略小于天然氣,這進一步降低了氫氣的熱輻射強度范圍。

綜上,由于天然氣摻氫后的火災熱輻射強度范圍有所降低,運行摻氫天然氣的站場或管道可參考天然氣站場或管道的相關防火間距。

2.5 潛在影響半徑的影響

輸氣管道發(fā)生泄漏事故時可能形成對周邊公眾安全和財產造成嚴重影響的區(qū)域,該區(qū)域范圍通過管道潛在影響半徑進行表征是行業(yè)內公認的做法。現行國家標準GB 32167—2015《油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》[20]提出了天然氣管道潛在影響半徑的定量計算公式,其基本原理考慮埋地輸氣管道破裂后引發(fā)噴射火時,對周圍環(huán)境的定值熱輻射影響范圍,規(guī)范中的公式,潛在影響半徑主要受管徑、操作壓力等影響,由于該公式僅適用于天然氣,因此采用了確定系數表征組分對潛在影響半徑的影響。天然氣摻氫后,受組分改變的影響,其潛在影響半徑將發(fā)生變化。基于不同摻氫比例下的混合組分高位熱值、密度、絕熱系數等基本物性,推導了不同天然氣摻氫比例下的管道潛在影響半徑公式,以8 MPa、5 MPa運行壓力下的DN300管徑進行不同天然氣摻氫比例的管道潛在影響半徑計算,結果見圖6。

圖6 不同濃度氫氣—天然氣體系潛在影響半徑對比圖Fig.6 Potential impact radius comparison for different hydrogen-natural gas concentration system leakage

由圖6可見,在相同的操作壓力和管徑下,天然氣摻氫埋地管道的潛在影響半徑隨摻氫比例升高而減小,這主要是因為天然氣摻氫管道在破裂后,氫濃度較高的摻氫天然氣,其泄漏體積流量雖然較大,但混合氣體的熱值較低,綜合計算所得的熱輻射強度較低。同時,相同管徑下,運行壓力較低的天然氣摻氫管道,其潛在影響半徑較低,主要是由于較低的操作壓力引起的泄放流量較低。

在工程設計中,對于摻氫比例較小的天然氣管道,其潛在影響半徑沿用天然氣的計算方法是保守的。

2.6 調壓沖蝕影響

管道系統中常設置調壓裝置調節(jié)管道壓力。雖然在相同的操作壓力下,氫氣密度約為天然氣密度的1/8,但由于調壓的壓損相同,根據流體力學壓損關聯公式,理論上其通過調壓裝置時的速度平方與密度乘積基本一致。工程設計中常用的沖蝕分析也采用速度平方與密度乘積表征,故不同濃度的摻氫天然氣在通過調壓裝置時的沖蝕指數基本一致。同時,由于氫氣密度較小,在相同的調壓壓差下,摻氫比例越大的天然氣,其流速越快,這對調壓前除塵提出了更高的要求。

需要指出的是,前述分析按照不同摻氫比例的天然氣是在相同體積流量輸送的前提下進行的;若采用等熱值交易,摻氫比例越高的天然氣,其體積流量越大,則通過調壓系統時的沖蝕指數也越高。

2.7 可燃氣體濃度檢測影響

氫氣摻入天然氣將改變混合氣體的LFL,具體規(guī)律見圖7。

圖7 不同濃度氫氣—天然氣體系在空氣中爆炸下限對比圖Fig.7 Lower explosion limits comparison for different hydrogen-natural gas concentration system

由圖7可見,天然氣的LFL約為5%,氫氣的LFL約為4%;天然氣摻氫氣后,LFL基本呈現隨摻氫比例升高而線性下降的趨勢。當前中國使用的各類可燃氣體濃度檢測報警儀器,一般把報警界限濃度規(guī)定在該氣體LFL濃度的20%或25%;氫氣站相關規(guī)范要求報警界限的氫氣體積分數為0.4%,即LFL的10%;可燃氣體的LFL測量范圍可以覆蓋0～100%。因此,對于摻氫比例較小的天然氣,應評估可燃氣體探測的適應性,可根據甲烷的分壓濃度重新設定各級報警值。需要指出的是,由于摻氫天然氣泄漏后上浮速度較快,在容積有限的空間內,短期內難以發(fā)生“氫氣—天然氣”局部分層的現象,一般不考慮氣體分層引起的檢測濃度二次修正。

3 結論和建議

基于氫氣、天然氣的物理特性,開展了天然氣摻氫管道輸送工程設計關鍵參數確定方法的討論,結合工程設計場景進行了天然氣摻氫對管道輸送關鍵工藝安全影響的探討,得出了以下幾點結論和建議。

1)在天然氣摻氫后,混合氣體的單位體積高位熱值、焦耳—湯姆遜效應、氣體比重等呈現隨摻氫比例越高而下降的趨勢,爆炸下限、火焰發(fā)射率等隨摻氫比例升高而提升。

2)摻氫天然氣的節(jié)流后低溫影響隨氫氣濃度增大而降低,為天然氣摻氫的放空操作提供了更大可操作性。

3)相同泄放條件下,天然氣摻氫后泄漏體積流量隨摻氫比例增大而升高;在中小孔徑泄漏時,受泄漏瞬時噴射速度影響,擴散范圍隨摻氫比例增加而增加,但在泄漏孔徑較大時,呈現擴散范圍隨摻氫比例增加而降低的趨勢;在泄漏后發(fā)生噴射火的場景下,摻氫比例越高,綜合計算的熱輻射強度范圍越低,因此熱輻射邊界范圍越小;對于摻氫天然氣的站場設計可參考天然氣的相關防火間距。

4)相同操作條件下,天然氣摻氫埋地管道的潛在影響半徑隨摻氫比例增大而降低;對于小比例摻氫的天然氣,執(zhí)行天然氣潛在影響半徑規(guī)定是保守的。

5)天然氣摻氫對調壓裝置沖蝕具有一定影響,必要的前置除塵設施有利于提高調壓設施的可靠性;對于摻氫比例較小的天然氣,應評估可燃氣體探測的適應性,可根據甲烷的分壓濃度重新設定各級報警值。