天然气掺氢对管输工艺安全影响的探讨

陈俊文 汤晓勇 陈情来 陶科宇 谌贵宇 李天雷

1. 中国石油工程建设有限公司西南分公司, 四川 成都 610041;

2. 中国石油工程建设有限公司工程技术研发中心, 北京 100120;

3. 中国石油西南油气田公司川东北气矿, 重庆 635000

0 前言

近年来,以氢能为代表的新能源逐渐成为世界各国研究的热点[1-3]。大规模运输氢气时,管道输送更加高效、安全。国外已建成氢气管道约6 000 km,但天然气管道掺氢尚未在大型生产项目中实质性推进。在“双碳目标”的发展背景下,中国氢气管道和天然气掺氢管道输送需求日益旺盛,其中在天然气管道中掺入氢气输送是一个较有潜力的发展方向。然而,中国面临着关键问题认识有待加深、实践经验不足、规范标准缺失等情况,因此亟待填补空白。目前,诸多学者在天然气掺氢管道输送工艺[4-6]、末端用户适应性[7-8]、材料评价[9-10]、标准规范应用[11-12]等方面开展了部分工作,取得了一定认识,可对天然气管道掺氢输送提供一定的技术支撑[4-12],同时部分现行有关氢气管道输送[13-14]和氢气站场[15-16]等标准规范及油气行业标准规范[17-20]亦对天然气掺氢输送具有借鉴作用。众所周知,相比甲烷,氢气在空气中具有最小点火能量低、自燃概率高、燃烧速度快、爆炸下限低等特点,其掺入天然气后的高压管道运行安全是不可回避的问题,且掺氢管道的实施需要工程设计先行,但目前鲜有针对天然气掺氢对管道输送工艺安全影响的相关探讨与报道,不利于大规模推动实施天然气管道掺氢输送。为此,有必要结合氢气与含氢天然气的介质特性,基于含氢管道工程设计相关工艺安全需求,开展天然气掺氢管道工程设计相关关键参数变化规律及潜在影响的讨论,结合工程设计关注的相关工艺安全场景,探讨掺氢对工艺安全的定量影响,提出工程设计建议,更好地为天然气掺氢管道工程设计提供借鉴。

1 天然气掺氢后主要物性参数变化规律

对于天然气掺氢,目前从管道输送工艺、材料评价、末端用户适应性等方面开展了研究工作,且以中低压燃气管道研究为主;根据应用场景不同,还应结合具体工程予以探讨；同时,工程设计中应重点考虑掺氢对天然气管道输送工艺安全的影响,分析关键基础参数的变化及其潜在安全影响。

1.1 单位体积高位热值

单位体积高位热值是单位体积气体燃烧后的能量尺度表征参数。混合气体的高位热值是各组分高位热值、各组分体积分数的函数。天然气的主要组分为甲烷,甲烷单位体积高位热值约为37.77 MJ/m3,氢气单位体积高位热值约为12.09 MJ/m3,而对于掺氢10%体积分数的天然气,其单位体积高位热值约为35.1 MJ/m3。由此可见,氢气单位体积高位热值约为甲烷单位体积高位热值的33%,天然气掺氢后的单位体积高位热值低于天然气。以10%氢气掺入为例,掺氢前后的单位体积高位热值降幅约7%。

不少学者就天然气掺氢后对管道输送工艺的影响进行了讨论,主要影响为:若交接计量按照体积热值衡量,掺氢后需提升混合气体的体积流量,以满足交接热值计量的要求;受掺氢后燃料气热值影响,燃驱压缩机效率将降低;对于管道输送工艺安全的影响主要体现在燃烧热辐射上,但需注意的是,虽然混合介质的单位体积高位热值降低,但燃烧热辐射还受到泄放量的影响,定量的影响分析还需基于具体场景进行讨论。

1.2 气体比重

气体比重又称相对密度,主要表征标准状态下气体与空气的密度比值,在气体流量检测与气体交易中具有重要的作用。

在标准状态下,氢气的密度为0.083 kg/m3(约为甲烷的11%),而空气的密度为1.25 kg/m3。

在天然气掺氢后,混合气体的比重降低,在管道输送工艺上体现为流动能力的提升;在离心增压时,由于比重降低,相同压比下掺氢天然气所需叶轮转速较天然气所需叶轮转速更大。

氢气在空气中具有明显的上浮趋势,这对于泄漏后的扩散具有促进作用。同时,由于气体比重降低,掺氢天然气具有更强的“泄漏逃逸”性能。

1.3 燃烧极限

燃烧下限(Lower Flammable Limit,LFL)和燃烧上限(Upper Flammable Limit,UFL),通常也称爆炸下限和爆炸上限,表征气体混合物在空气中形成燃烧或爆炸环境的浓度范围。

纯甲烷的LFL和UFL分别为4.4%和17.0%,而纯氢的LFL和UFL分别为4.0%和77.0%。氢气与甲烷混合物的LFL和UFL可以使用专业商用软件分别进行计算,10%氢气体积分数的掺氢天然气,其LFL和UFL分别为4.36% 和18.44%。由此可见,天然气掺氢将导致可燃范围扩大。

在安全影响上,不同LFL和UFL最显著的影响体现在危险易燃气体环境的分类。对于中国的危险介质分类,氢气和甲烷同属于甲类介质,因此掺氢后不影响分类。理论上讲,气体混合物的可燃性范围扩大意味着危险区域范围的扩大,即可能形成潜在爆炸性环境的区域范围扩大,实际的危险区域范围还需要综合泄漏量、扩散环境条件等综合判断。

1.4 火焰发射率

氢气火焰的燃烧特性与天然气不同，氢气燃烧所发出的光可见度较低，典型的天然气火焰呈蓝色,火焰尖端有发光的黄色区域。在燃烧过程中存在某些金属或非金属成分的情况下，随着氢浓度的增加,观察到黄色火焰逐渐蔓延。研究表明,当氢含量达到40%时,除了靠近燃烧器的区域仍然呈蓝色外,整个火焰都变成黄色。对于掺氢10%的天然气,可认为火焰发射率与100%天然气的火焰发射率相似。

1.5 焦耳—汤姆逊效应

氢气具有负的焦耳—汤姆逊效应，对于纯氢气,节流降压前后的温度变化较小。与氢气不同,天然气具有正的焦耳—汤姆逊效应。天然气掺氢后,压力降低所引起的温度变化取决于气体的混合比例。

在高压天然气输送系统中,焦耳—汤姆逊效应被视为低温的风险源之一,掺氢对JT效应有缓解作用,定量影响可通过商业软件模拟确定。

1.6 最小点火能

最小点火能(Minimum Ignition Energy,MIE) 是可燃气体和空气的混合物起火所必需的能量临界值。氢气在空气中最小点火能量很低,仅为0.019 mJ,点燃后燃烧速率很快,是燃烧危险性很大的危险化学品;而甲烷的最小点火能相对较高,达到0.274 mJ。MIE随着氢含量的增加成比例降低,天然气掺氢后,混合气体的最小点火能降低,发生着火的概率增加。这种影响主要体现在工程建设的风险评价阶段,应适当考虑天然气掺氢对混合介质点火概率的修正。

2 天然气掺氢后工程设计典型影响

鉴于前述氢气的物性特征,有必要针对工程设计中的典型场景对天然气掺氢后的安全相关特性进行分析与探讨,揭示典型规律,指导工程设计。

2.1 节流后低温影响

在高压天然气管道的设计和运行中,节流效应是工艺安全关注的焦点之一。例如,在管道放空过程中,控制大压差节流引起的低温是指导管道选材、放空系统设计的主要原则。如前所述,氢气具有典型的逆焦汤效应,通过ASPEN HYSYS软件对不同掺氢浓度的氢气—天然气混合介质在相同初始温度(30 ℃)、相同节流压差(节流前10 MPa、节流后0.1 MPa)时的温降进行模拟,结果见图1。

图1 不同浓度氢气—天然气体系节流温降对比图Fig.1 Throttling induced temperature difference comparison for different hydrogen-natural gas concentration system

由图1可见,在相同节流压差与初始温度下,掺氢比例越高,节流温降越小,即掺氢天然气的节流温降小于天然气的节流温降。定量来看,在小体积比例掺混后(掺氢10%),气体介质的节流温降为38.9 ℃,而纯天然气温降为47.5 ℃,降幅较明显,说明掺氢10%～20%的天然气对管道输送系统的节流低温影响具有较明显的抑制作用。

2.2 气体泄漏流量影响

气体泄漏是各类安全问题的关键诱因之一。如前所述,由于氢气的分子量极小,更易泄漏,因此可认为其掺入天然气后,介质具有更强的泄漏趋势。开展了不同掺氢比例的天然气在相同压力下(8 MPa)的多孔径泄漏场景模拟,定量对比结果见图2。

图2 不同浓度氢气—天然气体系泄漏质量流量对比图Fig.2 Mass flowrate comparison for different hydrogen-natural gas concentration system leakage

由图2可见,在相同初始压力和孔径下,掺氢天然气的泄漏质量流量随含氢比例升高而降低,纯甲烷与纯氢气在相同泄漏条件下,泄漏质量流量比可以达到3倍左右。由于氢气密度仅为天然气密度的1/8,氢气的泄漏体积流量明显高于天然气,表明氢气具有更强的泄漏趋势。对不同掺氢比例的天然气泄漏体积流量采用DNV PHAST V8.0进行了模拟,模拟结果见图3。

图3 不同浓度氢气—天然气体系泄漏体积流量对比图Fig.3 Volume flowrate comparison for different hydrogen-natural gas concentration system leakage

由图3可见,在相同泄漏条件下,掺氢天然气的泄漏体积流量随氢气比例升高而逐渐增大;在掺氢比例较低时,泄漏体积流量变化相对平缓,随掺氢比例增大,泄漏体积流量增幅显著,这主要是受泄漏介质分子量随掺氢比例增大而逐渐降低引起的。同时,值得关注的是,在相同泄漏条件下,纯氢气的体积泄漏量约为天然气的3倍,说明氢气也具有更强的泄漏口喷射效应,由于均为超临界泄放,该结论也与“氢气的声速约为天然气声速3倍”的基本规律吻合。

综上,掺氢天然气泄漏场景下,气体泄漏质量流量随掺氢比例升高而降低,气体泄漏体积流量随掺氢比例升高而增加,且掺氢比例越高,单位掺氢比例增幅下的变化幅度越大,这对于泄漏引起的相关安全后果分析提供了基础。需要指出的是,在目前业内推荐的天然气掺氢比例(10%～20%)内,由于掺氢比例都处在相对较低的范围,因此其泄漏流量与纯天然气相比,变化幅度较小。

2.3 气体泄漏后扩散范围影响

可燃气体泄漏后应评估其扩散范围,以采取适当的措施,避免爆炸范围内发生闪火。掺氢天然气的扩散主要受组分、泄漏方向和天气等影响。借助前述方法与认识,开展了相同泄漏条件下(8 MPa,水平泄漏)的掺氢天然气扩散范围模拟,由于不同掺氢比例的天然气具有较明显的密度区别,结合扩散后影响实际特点,选取海拔高度2 m为观测高度,研究50%LFL的扩散半径，模拟结果见图4。

图4 不同浓度氢气—天然气体系泄漏后扩散至50%LFL水平距离对比图Fig.4 Diffusion distance (50% LFL) comparison for different hydrogen-natural gas concentration system leakage

由图4可见,在孔径较小的情况下,水平方向上的泄漏介质达到50%LFL的距离呈现随含氢浓度降低而依次减小的趋势。实际上,氢气与天然气的LFL仅相差1%,且氢气具有较强的泄漏后上浮特性,但出现氢气扩散半径大于天然气的现象,主要是由于氢气在泄漏口具有3倍于天然气的瞬时喷射速度,在靠近泄漏口的区域呈现出水平喷射引起的水平扩散效应强于氢气上浮效应的现象;相比之下,在大孔径泄漏时,则出现了天然气扩散半径大于氢气的情况,这主要是受到了氢气上浮效应的影响。

另外,正常情况下出现的法兰、密封等微泄漏问题,可视为极小孔径的泄漏场景,依据前述模拟规律可知,小孔径泄漏场景下,氢气的扩散范围大于天然气,掺氢天然气的扩散范围随掺氢比例升高而增大。在GB 50160—2008《石油化工企业设计防火标准(2018版)》[19]第5.2节条文解释中,认为正常操作时,甲类(包括甲烷)工艺设备周围3 m左右属于可燃气体的微小泄漏扩散范围,同时也进一步指出“氢气的水平扩散距离一般不超过4.5 m”，这也对前述分析进行了佐证。

2.4 泄漏后的热辐射强度范围影响

管道输送站场发生可燃气体泄漏后,若被立即点燃,将出现喷射火现象,因此有必要对不同掺氢比例天然气的喷射火强度规律进行探讨。借助前述场景,对相同泄漏工况下的不同掺氢比例天然气进行水平喷射后热辐射强度范围模拟,结果见图5。

图5 不同浓度氢气—天然气体系泄漏后热辐射范围对比图Fig.5 Thermal radiation distance comparison for different hydrogen-natural gas concentration system leakage

由图5可见,在相同的泄漏孔径下,水平泄漏后热辐射强度范围基本呈现随掺氢比例增大而减小的趋势。结合前文研究结论可知,在相同的泄漏场景下,掺氢比例越大,泄漏的气体体积流量越大,但气体的高位热值逐渐降低,综合作用下,掺氢比例越大,则泄漏介质的热辐射强度越低;同时,由于氢气的气体扩散燃烧系数略小于天然气,这进一步降低了氢气的热辐射强度范围。

综上,由于天然气掺氢后的火灾热辐射强度范围有所降低,运行掺氢天然气的站场或管道可参考天然气站场或管道的相关防火间距。

2.5 潜在影响半径的影响

输气管道发生泄漏事故时可能形成对周边公众安全和财产造成严重影响的区域,该区域范围通过管道潜在影响半径进行表征是行业内公认的做法。现行国家标准GB 32167—2015《油气输送管道完整性管理规范》[20]提出了天然气管道潜在影响半径的定量计算公式,其基本原理考虑埋地输气管道破裂后引发喷射火时,对周围环境的定值热辐射影响范围,规范中的公式,潜在影响半径主要受管径、操作压力等影响,由于该公式仅适用于天然气,因此采用了确定系数表征组分对潜在影响半径的影响。天然气掺氢后,受组分改变的影响,其潜在影响半径将发生变化。基于不同掺氢比例下的混合组分高位热值、密度、绝热系数等基本物性,推导了不同天然气掺氢比例下的管道潜在影响半径公式,以8 MPa、5 MPa运行压力下的DN300管径进行不同天然气掺氢比例的管道潜在影响半径计算,结果见图6。

图6 不同浓度氢气—天然气体系潜在影响半径对比图Fig.6 Potential impact radius comparison for different hydrogen-natural gas concentration system leakage

由图6可见,在相同的操作压力和管径下,天然气掺氢埋地管道的潜在影响半径随掺氢比例升高而减小,这主要是因为天然气掺氢管道在破裂后,氢浓度较高的掺氢天然气,其泄漏体积流量虽然较大,但混合气体的热值较低,综合计算所得的热辐射强度较低。同时,相同管径下,运行压力较低的天然气掺氢管道,其潜在影响半径较低,主要是由于较低的操作压力引起的泄放流量较低。

在工程设计中,对于掺氢比例较小的天然气管道,其潜在影响半径沿用天然气的计算方法是保守的。

2.6 调压冲蚀影响

管道系统中常设置调压装置调节管道压力。虽然在相同的操作压力下,氢气密度约为天然气密度的1/8,但由于调压的压损相同,根据流体力学压损关联公式,理论上其通过调压装置时的速度平方与密度乘积基本一致。工程设计中常用的冲蚀分析也采用速度平方与密度乘积表征,故不同浓度的掺氢天然气在通过调压装置时的冲蚀指数基本一致。同时,由于氢气密度较小,在相同的调压压差下,掺氢比例越大的天然气,其流速越快,这对调压前除尘提出了更高的要求。

需要指出的是,前述分析按照不同掺氢比例的天然气是在相同体积流量输送的前提下进行的;若采用等热值交易,掺氢比例越高的天然气,其体积流量越大,则通过调压系统时的冲蚀指数也越高。

2.7 可燃气体浓度检测影响

氢气掺入天然气将改变混合气体的LFL,具体规律见图7。

图7 不同浓度氢气—天然气体系在空气中爆炸下限对比图Fig.7 Lower explosion limits comparison for different hydrogen-natural gas concentration system

由图7可见,天然气的LFL约为5%,氢气的LFL约为4%;天然气掺氢气后,LFL基本呈现随掺氢比例升高而线性下降的趋势。当前中国使用的各类可燃气体浓度检测报警仪器,一般把报警界限浓度规定在该气体LFL浓度的20%或25%;氢气站相关规范要求报警界限的氢气体积分数为0.4%,即LFL的10%;可燃气体的LFL测量范围可以覆盖0～100%。因此,对于掺氢比例较小的天然气,应评估可燃气体探测的适应性,可根据甲烷的分压浓度重新设定各级报警值。需要指出的是,由于掺氢天然气泄漏后上浮速度较快,在容积有限的空间内,短期内难以发生“氢气—天然气”局部分层的现象,一般不考虑气体分层引起的检测浓度二次修正。

3 结论和建议

基于氢气、天然气的物理特性,开展了天然气掺氢管道输送工程设计关键参数确定方法的讨论,结合工程设计场景进行了天然气掺氢对管道输送关键工艺安全影响的探讨,得出了以下几点结论和建议。

1)在天然气掺氢后,混合气体的单位体积高位热值、焦耳—汤姆逊效应、气体比重等呈现随掺氢比例越高而下降的趋势,爆炸下限、火焰发射率等随掺氢比例升高而提升。

2)掺氢天然气的节流后低温影响随氢气浓度增大而降低,为天然气掺氢的放空操作提供了更大可操作性。

3)相同泄放条件下,天然气掺氢后泄漏体积流量随掺氢比例增大而升高;在中小孔径泄漏时,受泄漏瞬时喷射速度影响,扩散范围随掺氢比例增加而增加,但在泄漏孔径较大时,呈现扩散范围随掺氢比例增加而降低的趋势;在泄漏后发生喷射火的场景下,掺氢比例越高,综合计算的热辐射强度范围越低,因此热辐射边界范围越小;对于掺氢天然气的站场设计可参考天然气的相关防火间距。

4)相同操作条件下,天然气掺氢埋地管道的潜在影响半径随掺氢比例增大而降低;对于小比例掺氢的天然气,执行天然气潜在影响半径规定是保守的。

5)天然气掺氢对调压装置冲蚀具有一定影响,必要的前置除尘设施有利于提高调压设施的可靠性;对于掺氢比例较小的天然气,应评估可燃气体探测的适应性,可根据甲烷的分压浓度重新设定各级报警值。