趙立前， 黨富華， 張荷枝， 付國(guó)英

(1.中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司， 河北 廊坊 065000； 2.中國(guó)石油管道局工程有限公司國(guó)際事業(yè)部， 河北 廊坊 065000)

1 概述

天然氣摻氫在管道輸送和終端利用具有優(yōu)勢(shì)[1-2]。氫氣對(duì)管道產(chǎn)生的氫損傷程度與氫氣體積分?jǐn)?shù)、輸送壓力、管道材料性能等存在一定聯(lián)系[3-4]。在天然氣摻混氫氣的管道輸送方面，趙永志等[5]認(rèn)為摻入的氫氣對(duì)配送管道的影響較小，對(duì)輸送管道的影響還需進(jìn)一步評(píng)估，隨著摻氫比例提升，風(fēng)險(xiǎn)增大。張小強(qiáng)等[6]分析了天然氣摻混氫氣的管材適用性，認(rèn)為如果管道鋼級(jí)低于或同于X52，則該天然氣管道可用于輸送氫氣體積分?jǐn)?shù)小于10%的混合天然氣。因此，在天然氣管道中添加氫氣進(jìn)行輸送時(shí)，需針對(duì)輸氣工況和管材情況進(jìn)行適應(yīng)性分析，做到具體項(xiàng)目具體分析。國(guó)內(nèi)已開(kāi)展的天然氣摻氫輸送研究較多，主要包括管道輸送摻氫比例、摻氫天然氣對(duì)終端用戶的影響[7-8]、管材適應(yīng)性[6]、泄漏監(jiān)測(cè)[9]、終端氫氣提純[10]等。國(guó)內(nèi)諸多示范項(xiàng)目的開(kāi)展受限于項(xiàng)目的持續(xù)時(shí)間和涉及范圍[11]，仍有許多問(wèn)題待進(jìn)一步研究。本文設(shè)計(jì)摻氫綜合試驗(yàn)平臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱試驗(yàn)平臺(tái))，以研究管材、設(shè)備、閥門(mén)焊縫等在不同摻氫比例下的適應(yīng)性，推動(dòng)我國(guó)摻氫研究成果試驗(yàn)驗(yàn)證，為摻氫的規(guī)模應(yīng)用及工程實(shí)踐提供試驗(yàn)支撐。

2 試驗(yàn)平臺(tái)

2.1 設(shè)計(jì)思路

試驗(yàn)平臺(tái)搭建目標(biāo)為：不同壓力條件下同時(shí)進(jìn)行不同摻氫比例的各種試驗(yàn)。不同壓力通過(guò)壓縮機(jī)加壓以及調(diào)節(jié)閥控制實(shí)現(xiàn)；不同摻氫比例通過(guò)固定氫氣流量、控制天然氣注入流量實(shí)現(xiàn)；同時(shí)進(jìn)行通過(guò)摻氫比例不同的摻混段串聯(lián)安裝，逐次降低摻氫比例并順序通過(guò)試驗(yàn)段實(shí)現(xiàn)；各種試驗(yàn)指驗(yàn)證不同摻氫比例下，現(xiàn)有天然氣管道管材、主要設(shè)備材料(流量計(jì)、過(guò)濾器、閥門(mén))、檢測(cè)儀表以及可燃?xì)怏w探測(cè)器等適應(yīng)性問(wèn)題，現(xiàn)有天然氣管道密封材料、地上及埋地管道焊縫適應(yīng)性問(wèn)題，以及氫脆產(chǎn)生的概率與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等。

2.2 試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

① 總體流程

試驗(yàn)平臺(tái)總體流程見(jiàn)圖1。天然氣和氫氣分別經(jīng)過(guò)濾、計(jì)量、限流、調(diào)壓后進(jìn)入第1級(jí)摻混段，摻混得到摻氫比例25%混合氣，進(jìn)入試驗(yàn)單元1進(jìn)行試驗(yàn)。摻氫比例25%混合氣進(jìn)入第2級(jí)摻混段繼續(xù)與天然氣摻混，得到摻氫比例12%混合氣，進(jìn)入試驗(yàn)單元2進(jìn)行試驗(yàn)。以此類推，分別得到摻氫比例9%混合氣、摻氫比例6%混合氣及進(jìn)行相應(yīng)試驗(yàn)。從試驗(yàn)單元4出來(lái)的摻氫比例6%混合氣進(jìn)入下游城市燃?xì)夤芫W(wǎng)。

圖1 試驗(yàn)平臺(tái)總體流程

② 試驗(yàn)壓力

考慮安全因素以及試驗(yàn)平臺(tái)功能的拓展性，試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)壓力為4.5 MPa。平臺(tái)可以進(jìn)行4.0 MPa、2.5 MPa、1.6 MPa、0.8 MPa及0.4 MPa等不同壓力工況下，針對(duì)不同管材、設(shè)備及缺陷的試驗(yàn)。

③ 摻氫比例

與天然氣相比，氫氣具有密度小、最小點(diǎn)火能量低、爆炸范圍寬、火焰溫度高、擴(kuò)散系數(shù)大等特點(diǎn)[6]。一定濃度的氫氣進(jìn)入天然氣管道后，局部氫濃度飽和時(shí)會(huì)引起材料塑性下降、誘發(fā)裂紋或產(chǎn)生滯后斷裂，發(fā)生氫脆。此外，氫還可能與管線鋼中的碳反應(yīng)生成甲烷，造成鋼脫碳和產(chǎn)生微裂紋，導(dǎo)致鋼的力學(xué)性能不可逆地劣化[12-14]，發(fā)生氫腐蝕，給管道運(yùn)行帶來(lái)較大安全隱患。

試驗(yàn)平臺(tái)的摻氫混合氣最終進(jìn)入下游城市燃?xì)夤芫W(wǎng)。GB/T 37124—2018《進(jìn)入天然氣長(zhǎng)輸管道的氣體質(zhì)量要求》要求，進(jìn)入天然氣長(zhǎng)輸管道的天然氣氫氣摩爾分?jǐn)?shù)≤3%。歐盟經(jīng)驗(yàn)顯示，5%、10%的摻氫比例普遍認(rèn)為沒(méi)問(wèn)題，燃?xì)饣Q性及燃具要求的合理?yè)綒浔壤舷藜s為 20%～27%[15-17]。國(guó)內(nèi)尚無(wú)相關(guān)數(shù)據(jù)積累，結(jié)合國(guó)外經(jīng)驗(yàn)，可將摻氫比例上限確定在20%。作為試驗(yàn)平臺(tái)，我們把試驗(yàn)中摻氫比例上限上調(diào)至25%。其他摻氫比例定為6%、9%、12%。

④ 各摻混段氫氣、天然氣流量

根據(jù)下游天然氣管網(wǎng)接收能力，試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)定近期和遠(yuǎn)期兩個(gè)工況。近遠(yuǎn)期各摻混段氫氣、天然氣注入流量見(jiàn)表1。下文僅針對(duì)近期試驗(yàn)進(jìn)行討論。

表1 各摻混段氫氣、天然氣注入流量

3 摻混流程

第1級(jí)摻混段摻混流程見(jiàn)圖2。圖2中左側(cè)球閥是焊接連接，右側(cè)球閥是法蘭連接。氫氣來(lái)氣壓力為2.0 MPa，經(jīng)過(guò)濾、計(jì)量、限流、調(diào)壓后，壓力控制在1.8 MPa，流量控制在36 m3/h，進(jìn)入第1級(jí)混合器。氫氣過(guò)濾器、質(zhì)量流量計(jì)、流量調(diào)節(jié)閥、調(diào)壓閥串聯(lián)安裝，各設(shè)置2套，1用1備。

圖2 第1級(jí)摻混段摻混流程

天然氣來(lái)氣壓力為2.0 MPa，經(jīng)過(guò)濾、計(jì)量、限流、調(diào)壓后，壓力控制在1.75 MPa，流量控制在108 m3/h，進(jìn)入第1級(jí)混合器與氫氣摻混，摻氫比例為25%。天然氣過(guò)濾器、渦輪流量計(jì)、流量調(diào)節(jié)閥、調(diào)壓閥串聯(lián)安裝，各設(shè)置2套，1用1備。

第2級(jí)摻混段、第3級(jí)摻混段、第4級(jí)摻混段摻混流程見(jiàn)圖3。從第1級(jí)混合器出來(lái)的摻氫比例25%混合氣進(jìn)入試驗(yàn)單元1，試驗(yàn)后進(jìn)入第2級(jí)摻混段。天然氣經(jīng)過(guò)計(jì)量、限流后，將壓力控制在1.75 MPa、流量控制在156 m3/h，進(jìn)入第2級(jí)混合器，與摻氫比例25%混合氣摻混，摻氫比例12%混合氣進(jìn)入試驗(yàn)單元2。改變天然氣流量重復(fù)上述流程，依次得到摻氫比例9%、6%混合氣，分別進(jìn)入對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)單元進(jìn)行試驗(yàn)。

圖3 第2級(jí)摻混段、第3級(jí)摻混段、第4級(jí)摻混段摻混流程

第2級(jí)摻混段、第3級(jí)摻混段、第4級(jí)摻混段的天然氣注入流程中，均設(shè)計(jì)量、限流功能，不再設(shè)備用管路。當(dāng)某試驗(yàn)單元出現(xiàn)設(shè)備故障維修、更換等情況時(shí)，可通過(guò)開(kāi)啟試驗(yàn)單元前旁通球閥(見(jiàn)圖1)越過(guò)該試驗(yàn)單元，可以保持后續(xù)試驗(yàn)單元正常測(cè)試。

4 試驗(yàn)單元流程

試驗(yàn)單元流程見(jiàn)圖4。各摻氫比例混合氣進(jìn)入試驗(yàn)單元，試驗(yàn)單元內(nèi)串聯(lián)安裝測(cè)試用流量計(jì)，閥門(mén)(球閥、截止閥、調(diào)壓閥、止回閥等)，地上管材、焊縫試驗(yàn)段，埋地管材、焊縫試驗(yàn)段以及靜壓分層試驗(yàn)段，同時(shí)預(yù)留其他設(shè)備和閥門(mén)試驗(yàn)段。試驗(yàn)段各設(shè)備、管段采用法蘭連接，由試驗(yàn)團(tuán)隊(duì)定期將設(shè)備、管段取下進(jìn)行測(cè)試分析。

圖4 試驗(yàn)單元流程

5 基于自動(dòng)化的摻氫比例精確控制

為精確控制摻氫比例，得到較準(zhǔn)確的測(cè)試結(jié)果，應(yīng)預(yù)先根據(jù)天然氣、氫氣及混合氣參數(shù)(流量、壓力、溫度等)設(shè)定流量調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，對(duì)各摻混段混合氣的摻氫比例進(jìn)行檢測(cè)。

① 流量調(diào)節(jié)閥

在氫氣注入管路和摻混段天然氣注入管路各設(shè)置流量調(diào)節(jié)閥1個(gè)。試驗(yàn)平臺(tái)摻混氣體流量調(diào)節(jié)采用電動(dòng)調(diào)節(jié)型球閥，配備調(diào)節(jié)型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，與對(duì)應(yīng)注入路流量計(jì)連鎖，達(dá)到控制流量的目的。

電動(dòng)調(diào)節(jié)型球閥的優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)確限流且產(chǎn)生的壓力降小，可保證下游氣體壓力穩(wěn)定，使用壽命長(zhǎng)，必要時(shí)可作為截?cái)嚅y門(mén)使用。

② 混合器

試驗(yàn)平臺(tái)混合器采用靜態(tài)混合器。

③ 摻氫比例檢測(cè)

試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)置氣體組成分析儀表檢測(cè)摻氫比例。摻氫比例測(cè)定方法一般有色譜法、紅外光譜法、熱導(dǎo)法等。試驗(yàn)平臺(tái)采用基于熱導(dǎo)法的熱導(dǎo)分析儀檢測(cè)摻氫比例。熱導(dǎo)分析儀基于不同氣體具有不同的熱導(dǎo)率，采用敏感元件組成不平衡電橋，其輸出信號(hào)正比于被測(cè)氣體含量。

6 試驗(yàn)平臺(tái)安全保障

6.1 緊急停車(chē)系統(tǒng)

緊急停車(chē)(ESD)系統(tǒng)命令優(yōu)先于任何操作方式。在進(jìn)、出試驗(yàn)平臺(tái)管路上設(shè)置緊急切斷閥，在出試驗(yàn)平臺(tái)管路上設(shè)置緊急放空閥。ESD系統(tǒng)可手動(dòng)或自動(dòng)觸發(fā)。無(wú)論就地或者通過(guò)站控系統(tǒng)操作，ESD控制命令均可直接到達(dá)被控設(shè)備，并使它們按預(yù)定的順序動(dòng)作。所有ESD系統(tǒng)的動(dòng)作將發(fā)出閉鎖信號(hào)，使緊急切斷閥在未接到人工復(fù)位命令前不能再次啟動(dòng)。

緊急切斷閥由電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，試驗(yàn)平臺(tái)或上下游管道發(fā)生事故時(shí)，可關(guān)閉緊急切斷閥，切斷試驗(yàn)平臺(tái)與上、下游管道的聯(lián)系。若緊急切斷閥關(guān)閉，緊急放空閥會(huì)自動(dòng)打開(kāi)，放空試驗(yàn)平臺(tái)的氫氣和天然氣。緊急切斷閥和緊急放空閥采用不間斷電源供電，以保證廠站斷電后閥門(mén)仍可操作。

6.2 可燃?xì)怏w泄漏檢測(cè)系統(tǒng)

在試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)置天然氣泄漏探測(cè)器和氫氣泄漏探測(cè)器。當(dāng)探測(cè)器檢測(cè)到氣體泄漏時(shí)，報(bào)警控制器報(bào)警，報(bào)警信號(hào)上傳至站控制系統(tǒng)及調(diào)度控制中心。站控制系統(tǒng)顯示報(bào)警，并與安全儀表系統(tǒng)連鎖。

① 天然氣泄漏檢測(cè)

天然氣泄漏檢測(cè)可采用紅外點(diǎn)式可燃?xì)怏w探測(cè)器、激光對(duì)射可燃?xì)怏w探測(cè)器、云臺(tái)式激光甲烷探測(cè)器等[18]。本試驗(yàn)平臺(tái)處于室外開(kāi)放空間，紅外點(diǎn)式可燃?xì)怏w探測(cè)器使用效果不佳。激光對(duì)射可燃?xì)怏w探測(cè)器受風(fēng)雨等外界環(huán)境和設(shè)備沉降影響，易出現(xiàn)漏報(bào)或誤報(bào)。經(jīng)分析，采用云臺(tái)式激光甲烷探測(cè)器。

② 氫氣泄漏檢測(cè)

試驗(yàn)平臺(tái)采用超聲波氣體泄漏探測(cè)器對(duì)氫氣泄漏進(jìn)行探測(cè)。

6.3 火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)

試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)置1套火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。在控制室設(shè)置火災(zāi)檢測(cè)儀表，在試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)備區(qū)設(shè)置8臺(tái)火焰探測(cè)器，其中4臺(tái)接入報(bào)警控制器，由報(bào)警控制器將火焰探測(cè)器檢測(cè)信號(hào)上傳至火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)；另外4臺(tái)作為安全檢測(cè)設(shè)備接入安全儀表系統(tǒng)，由安全儀表系統(tǒng)執(zhí)行連鎖命令。

7 試驗(yàn)平臺(tái)的拓展性

① 開(kāi)展更高壓力、更高鋼材等級(jí)管材、更高摻氫比例的試驗(yàn)

試驗(yàn)平臺(tái)遵循試驗(yàn)壓力逐漸增大、最大摻氫比例由25%逐漸增大的原則。前期試驗(yàn)壓力2 MPa以下，后期提高到4 MPa；前期測(cè)試20鋼、L245、L360材質(zhì)的管材，后期測(cè)試高等級(jí)鋼管材；前期摻氫比例為3%～25%，后期將最大摻氫比例由25%提升至40%。

② 先測(cè)試常用設(shè)備材料，后測(cè)試其他設(shè)備材料

試驗(yàn)平臺(tái)前期測(cè)試流量計(jì)、球閥、截止閥、止回閥等常用設(shè)備材料，后期根據(jù)需要測(cè)試天然氣管道上的其他設(shè)備材料。平臺(tái)預(yù)留拓展試驗(yàn)的接口和安裝空間，設(shè)備材料采用法蘭連接，拓展試驗(yàn)時(shí)可直接拆卸、安裝，避免動(dòng)火作業(yè)。