辽宁省石油化工规划设计院有限公司 辽宁沈阳 110000
摘要：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。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问题。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，对居民、燃气轮机和内燃机等下游用户的影响，对管道泄漏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。
关键词：天然气管网掺氢；天然气管道
一、对管道的影响及技术可行性分析
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。
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。向天然气管道中掺氢比例为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ASMEB31.12-2014（Hydrogen Piping and Pipelines）对管道材料进行韧性评估以确定掺氢的最高限制。
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/柠槽式/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，对掺氢比例为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。
二、对气质组成和下游用户的影响及技术可行性分析
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。
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GB16410-2007《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.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为1%，少量能接受5%。天然气掺氢后会增加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。
结语
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，但是掺氢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。
参考文献
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