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    經濟論文

    摻氫天然氣管道輸送研究進展和挑戰

    時間:2021年03月06日 所屬分類:經濟論文 點擊次數:

    摘要:風電、光電的波動性是其發展的重要制約因素之一。國際上普遍認為,可再生能源制氫結合在役天然氣管網摻氫輸送的技術是解決大規模風光電消納問題的有效途徑之一。本文介紹了摻氫天然氣管道輸送應用示范項目,綜述了管材氫相容性、設備摻氫適應性、管道

      摘要:風電、光電的波動性是其發展的重要制約因素之一。國際上普遍認為,可再生能源制氫結合在役天然氣管網摻氫輸送的技術是解決大規模風光電消納問題的有效途徑之一。本文介紹了摻氫天然氣管道輸送應用示范項目,綜述了管材氫相容性、設備摻氫適應性、管道運行安全保障以及標準體系建設四個方面的研究進展,并指出了目前發展摻氫天然氣管道輸送面臨的問題與挑戰。結合我國摻氫天然氣管道輸送發展現狀,建議統籌規劃摻氫天然氣管道輸送網絡,因地制宜有序推進摻氫天然氣基礎設施建設,加強管材氫相容性、管網設備和部件摻氫適應性以及管道運行安全保障技術研究,逐步開展摻氫天然氣輸送技術應用示范,加快制定摻氫天然氣管道輸送規范標準,促進氫能產業發展。

      關鍵詞:氫;天然氣;安全;高壓氫脆;適應性

      在保障能源安全、改善環境質量等因素的共同驅動下,世界各國開始重視可再生能源的發展和利用。其中,風能和太陽能因其清潔無污染、產業鏈較成熟等特點受到廣泛青睞。截至2019年底,國內風電裝機容量接近2.10億千瓦,太陽能發電裝機容量2.05億千瓦,均占全國總裝機容量的10%以上[1]。但由于具有間歇性、隨機性等特點,大規模利用風電、光電轉化的電能難以有效儲存,存在“棄風棄光”問題,造成了嚴重的電力浪費。

      天然氣評職知識:天然氣管道相關論文文獻

      目前國際上廣泛認為,摻氫天然氣技術是解決“棄風棄光”問題的有效途徑之一[2,3]。該技術將風/光能轉化的部分電能用于電解水制氫,并將氫氣以一定比例摻入天然氣,形成摻氫天然氣,再利用新建管網或在役天然氣管網輸送至用戶終端、加氣站和儲氣庫等,可起到儲能和電力負荷削峰填谷的作用,同時避免了新建輸氫管道所需的高昂建造成本。國外研究表明,氫氣管道的造價約為天然氣管道的2倍多。

      此外,國際能源署研究了各種儲能方式的電力成本,研究表明,摻氫天然氣技術的電力成本最低?梢,向在役天然氣管道摻入氫氣能取得較好的經濟效益,且大規模電解水制氫成本的降低將大大提高該技術經濟性。然而與天然氣相比,氫氣易導致材料脆化、更易泄漏、具有更寬的爆炸極限,導致摻氫天然氣管道輸送在材料選擇、設計制造、安全保障、法律法規、規范標準等方面與天然氣管道輸送具有較大差異,需要相應地開展系統的研究,以保障摻氫天然氣管道輸送安全。

      2016年,筆者所在團隊發表了文章《摻氫天然氣管道輸送安全技術》[4],從材料相容性、完整性管理及風險評估等方面總結討論了摻氫天然氣管道輸送的安全問題。近幾年,氫能管道發展迅速,在材料氫相容性、風險評估等方面都有了新的重要進展,本文將對摻氫天然氣管道輸送研究前沿進行介紹,重點對管道氫相容性、設備摻氫適應性、運行安全保障、標準體系等技術研究現狀進行深入討論,并指出目前摻氫天然氣管道輸送面臨的挑戰與建議,可為摻氫天然氣管道輸送系統發展提供一定的參考。

      1應用示范

      迄今為止,荷蘭、德國、法國、中國等國家先后開展了多個摻氫天然氣管道輸送系統應用示范項目。2004年,在歐洲委員會的支持下,國際上首次開展了“NaturalHy”項目,將氫氣注入高壓輸送管線,并通過配送管網輸送至最終用戶。該項目較為系統地研究了天然氣管道摻氫對包括天然氣輸送、配送及用戶終端在內的整個系統的影響[5],為后續的摻氫天然氣管道輸送系統示范應用項目創造了良好的開端;2007年,在荷蘭阿默蘭島上開展了“VG2”項目[6],將氫氣摻入當地低熱值天然氣配送管網供普通家庭使用,積累了電解、混合過程以及摻氫天然氣對荷蘭管道和傳統燃氣器具性能影響的經驗。

      2012年,德國開展了風電制氫-天然氣管道摻氫全過程示范項目[7],將法爾肯哈根風電制氫示范項目制取的氫氣直接送入天然氣管線,進行了摻氫天然氣管道輸送全過程技術鏈的示范應用;2014年,法國開始實施“GRHYD”項目[8],開展了為期五年的混氫天然氣應用示范。將氫氣以6vol%~20vol%的比例注入當地天然氣管網,供健康中心和100戶居民生活使用。

      2016年,加利福尼亞大學歐文分校和Socal氣體公司合作開展了美國首個摻氫天然氣示范項目,將電解槽生產的氫氣摻入學校內部的天然氣管道系統[9]。2017年,英國開展了“HyDeploy”項目[10],向基爾大學專用天然氣網絡和英國北部天然氣網絡注入氫氣,為住宅、教學樓、企業等供氣,探索在不影響終端用戶安全或改裝設備的情況下,將氫氣混合到全國天然氣網絡中的可行性。

      2019年,意大利Snam公司將氫和天然氣混合到國家天然氣輸送網絡中,研究摻氫天然氣與發電廠渦輪壓縮機、儲存場和燃氣鍋爐等用戶設備的兼容性[11]。2020年,澳大利亞開展了“WSGG”項目,利用風/光電來電解水制氫,并將部分氫氣注入Jemena公司的新南威爾士州天然氣網絡,為當地居民供暖[12]。國內摻氫天然氣管道輸送系統的示范應用較少。2010年,國新能源集團與清華大學及中國氫能協會合作,在山西省河津市開展了摻氫天然氣加氣站示范項目的建設。2019年,國家電力投資集團公司與浙江大學合作,在遼寧省朝陽市開展了摻氫天然氣管道安全關鍵技術驗證示范項目,進行電解水制氫—天然氣摻氫—工業級民用用戶供能示范,為未來氫氣通過管網運輸提供經驗。

      2技術研究現狀

      2.1管材氫相容性

      摻氫天然氣會使管道材料的強度、塑性和韌性等力學性能發生劣化,進而影響管網服役的安全性。因此,管材與摻氫天然氣的相容性是開展在役天然氣管道輸送摻氫天然氣需要解決的首要問題。近年來,國外眾多科研院校圍繞管材與摻氫天然氣的相容性問題展開了研究,美國國家標準技術局、美國燃氣技術研究院等機構研究了X52、X65、X100等管線鋼在純氫環境中的原位力學性能,韓國標準科學研究院、日本九州大學等在純氫及模擬摻氫天然氣(N2與H2的混合氣體)環境中開展了管線鋼的力學性能測試。

      研究表明,與空氣環境相比,材料在含氫環境中的強度變化不大,但延性、疲勞性能和斷裂韌性劣化明顯[13-15]。管線鋼拉伸性能的劣化程度隨著加載速率、氫氣壓力和應力三軸度的增大而增加[17-19]。疲勞性能與氫氣壓力、應力比、加載頻率、微觀組織結構等有關,壓力升高、應力比增大、加載頻率減小都會引起疲勞裂紋擴展速率加快[16-18]。斷裂韌性與加載速率、氫氣壓力、晶粒尺寸、馬氏體/奧氏體含量等多種因素有關,加載速率降低、氫氣壓力升高通常會導致斷裂韌性損減[19-21]。

      目前,含氫環境下管線鋼的拉伸性能和疲勞性能研究較多,但斷裂韌性相關研究成果較少,待進一步研究。同時,國際上對于摻氫天然氣與低強度鋼配送管材的相容性研究較少。對于非金屬配送管道,國際研究表明,聚乙烯、聚氯乙烯、氯丁橡膠、丁苯橡膠、氟橡膠等材料與氫氣同樣有較好的相容性[22]。

      2.2設備摻氫適應性

      摻氫天然氣與設備的適應性面向整個天然氣管網系統,包括管道、調壓設備、儲存設備、用戶終端等。各國在對天然氣管網輸送系統的適應性進行評估時,突出了逐案分析的原則[22,26]。

      2.2.1儲存設備

      天然氣管網系統中常見的儲存設備主要包括儲罐和地下儲氣庫(利用枯竭油氣田、地下含水層、含鹽巖層或廢礦井建造),關于儲罐材料與氫的相容性已有較多研究[27],本文不再贅述。針對枯竭油氣田和地下含水層的研究表明,此兩種地下儲氣庫對氫氣的適應性較差,這是由于氫氣易破壞地下儲氣庫的多孔地質結構,同時儲氣庫內的微生物代謝反應會嚴重消耗儲存的氫氣,如產甲烷菌以H2和CO2為底物轉化形成CH4、硫酸鹽還原菌將硫酸鹽還原成H2S等[28]。

      國際能源署、歐洲燃氣研究集團和德國燃料研究所研究認為,當前涉及地下儲氣庫的天然氣管道系統不能摻入氫氣[3,26]。但也有研究表明,含鹽巖層型地下儲氣庫中巖鹽床的化學性質較穩定,對氫適應性良好[29],且英國和美國已有多年使用含鹽巖層儲氣庫儲存純氫的歷史。然而,現有文獻中未見我國在地下儲氣庫儲存摻氫天然氣方面的研究成果。

      2.2.2調壓設備

      最初在天然氣長輸管網上使用的調壓設備包括往復式和離心式兩種壓縮機,但隨著技術的發展,離心式壓縮機機組呈現出逐步代替往復式壓縮機的趨勢[30]。往復式壓縮機的動力機構是獨立于工作介質工作的,無需考慮摻氫對設備帶來的影響,而離心式壓縮機的葉輪與摻氫天然氣接觸,材料可能受其影響。

      此外,為滿足相同能量需求,在離心式壓縮機中壓縮氫氣的體積是壓縮天然氣的3倍多,為了獲得相同的壓縮比,壓縮氫氣的旋轉速度要比天然氣高出約1.74倍,對離心式壓縮機的組件和密封性能提出了更高要求[31]。為降低氫脆和組件失效風險,氫氣壓縮機往往是使用價格高昂的高性能材料,一定程度上增加了摻氫天然氣技術成本。針對上述問題,或許可以從摻氫比例優化、新型材料、新型壓縮技術等方面提出解決方案。來自國際能源署、歐洲燃氣研究集團和德國燃料研究所的報告認為,當前涉及離心式壓縮機的天然氣管道系統不能摻入超過20vol%的氫氣[3,26]。驅動離心式壓縮機的在役燃氣輪機一般要求天然氣中H2體積分數不超過1%,但通過采取調整措施和改造升級可以使其摻氫體積分數達到15%[31]。目前關于壓縮機的最高容許摻氫比例還未形成定論,新型壓縮機用材料與壓縮技術報道較少。

      2.2.3用戶終端

      摻氫天然氣作為燃料實際應用時,用戶終端對摻氫天然氣的適應性也是需考慮的重要問題。由于氫燃燒速度快,火焰溫度高,工業燃氣輪機和天然氣發動機燃燒摻氫天然氣時性能易受影響,NOX的產生量可多達天然氣燃燒的近兩倍,摻氫比例超過50vol%時發動機爆震的敏感性增加[32]。在役燃氣輪機的摻氫分數極限一般為15vol%,而在役天然氣發動機一般要求天然氣中氫氣比例不超過2vol%,對于具有復雜控制系統的專用發動機,摻氫體積分數可以達到10%[31]。家用燃氣具對燃氣的適應性有兩個主要指標,即華白數和層流燃燒速度。

      2.3運行安全保障

      2.3.1混合與計量

      通常,天然氣與氫氣在預混站內通過科學混合后形成摻氫天然氣,再經由管道輸送至用戶終端。目前氫氣和天然氣混合工藝主要有定壓配比系統和在線混合系統兩種[35]。其中,隨動流量比例調節對摻氫比精度控制較高,Hydeploy項目、GRHYD項目以及國內朝陽示范項目都是采用該種方法。隨動流量混氣裝置是通過流量計量、信號傳輸反饋、指揮調節、比例修正等環節實現摻混的目的。設備組件包括流量計、閥門、密封件、混合器、氣體成分分析儀、中央控制臺等。雖然隨動流量混氣裝置已經成熟應用于天然氣、煤制氣等領域,但因摻氫天然氣物化性質的特殊性,需研究混氣裝置是否適合長期工作于摻氫天然氣環境。

      歐洲一些國家正在開展這方面的研究,同時歐洲標準化委員會也正在有序開展摻氫天然氣混合技術及設備的標準化工作。摻氫天然氣計量技術是摻氫天然氣產業規;褪袌龌闹匾A。歐洲已經著手開展相關研究,并制定了“歐洲計量創新和研究計劃”。該計劃側重于非常規氣體(摻氫天然氣、合成氣、生物甲烷等)流量計量標準化所需的計量學研究,確定非常規氣體在典型目標用戶終端中的測量精度、成本和使用壽命。同時,該計劃將開發一種可追蹤的非常規氣體流量計的校準方法。在我國,關于摻氫天然氣計量技術研究工作的報道較少,相關研究成果仍是空白。

      2.4標準體系建設

      目前,國際上仍然缺乏摻氫天然氣輸送管道專用的標準規范,但發布了適用于氫氣輸送管道的相關標準,具有一定的借鑒意義。國外已頒布的氫氣長輸管道標準規范包括美國機械工程師協會的ASMEB31.12-2019、歐洲壓縮氣體協會的CGAG-5.6-2005(Reaffirmed2013)HydrogenPipelineSystems、亞洲工業氣體協會的AIGA033/06-2006HydrogenTransportationPipelines等。

      ASMEB31.12-2019標準包括通用要求、工業管道、管線和附錄4個部分,內容涉及設計、施工、操作和維護等多個方面,適用于將氫氣、氫氣混合物及液氫從制造廠輸送到使用地的長輸管道、分輸管道和服務管線,但不適用于氫氣體積分數小于10%的管道系統。AIGA033/06-2006與CGAG-5.6-2005內容基本一致,兩者適用于氫氣及氫氣混合物的輸送和配送系統,但不適用于氫氣摩爾分數大于10%,或氫氣摩爾分數小于10%且CO含量大于200ppm的管道系統。

      在國內,專用于摻氫天然氣管道的標準規范也尚未頒布,與摻氫天然氣管道有關的標準只有GB/T34542.2-2018《氫氣儲存輸送系統第2部分:金屬材料與氫環境相容性試驗方法》,規定了含氫混合氣環境中材料原位力學性能的測試方法,F有的天然氣及氫氣管道相關標準包括GB50251《輸氣管道工程設計規范》、GB4962《氫氣使用安全技術規程》、GB/T29729《氫系統安全的基本要求》、GB/T34542.1《氫氣儲存輸送系統第1部分:通用要求》、GB/T34542.3《氫氣儲存輸送系統第3部分:金屬材料氫脆敏感度試驗方法》、GB50177《氫氣站設計規范》等,對摻氫天然氣管道相關標準規范的制定具有一定借鑒意義。

      3面臨的挑戰

      我國天然氣管網比較完善,管道規模大,分布范圍廣,向已有的天然氣管道摻入氫氣,有利于實現氫能的大規模輸運。目前我國對摻氫天然氣管道輸送技術的研究多集中于科研院校,相關示范應用項目經驗較少,整體來說,與國際發達國家還有較大差距。結合我國摻氫天然氣管道輸送發展現狀,從基礎設施、管材與裝備、安全保障與標準體系、產業化與市場形成方面提出國內發展摻氫天然氣管道輸送面臨的挑戰與建議。

      4結語

      摻氫天然氣管道輸送是解決風光電消納問題的有效方式之一,也是目前輸送氫氣的有效手段之一。各國學者對摻氫天然氣管道輸送開展了大量的理論和試驗研究,相應的摻氫天然氣管道系統示范應用項目也陸續開展。但摻氫天然氣管道輸送系統涉及的技術及安全等問題具有復雜性和多樣性,存在諸多挑戰。攻克摻氫天然氣管道輸送安全關鍵技術、推動基礎設施建設、積累示范應用經驗、完善相關技術標準體系是推動摻氫天然氣管道輸送規;、產業化、市場化應用的重要基礎。

      參考文獻

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      [4]趙永志,張鑫,鄭津洋等.摻氫天然氣管道輸送安全技術[J].化工機械,2016(1):1-7.

      作者:尚娟1,魯仰輝2,鄭津洋1,孫晨2,花爭立1,于文濤2,張一葦1

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