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经济论文

掺氢天然气管道输送研究进展和挑战

时间:2021年03月06日 所属分类:经济论文 点击次数:

摘要:风电、光电的波动性是其发展的重要制约因素之一。国际上普遍认为,可再生能源制氢结合在役天然气管网掺氢输送的技术是解决大规模风光电消纳问题的有效途径之一。本文介绍了掺氢天然气管道输送应用示范项目,综述了管材氢相容性、设备掺氢适应性、管道

  摘要:风电、光电的波动性是其发展的重要制约因素之一。国际上普遍认为,可再生能源制氢结合在役天然气管网掺氢输送的技术是解决大规模风光电消纳问题的有效途径之一。本文介绍了掺氢天然气管道输送应用示范项目,综述了管材氢相容性、设备掺氢适应性、管道运行安全保障以及标准体系建设四个方面的研究进展,并指出了目前发展掺氢天然气管道输送面临的问题与挑战。结合我国掺氢天然气管道输送发展现状,建议统筹规划掺氢天然气管道输送网络,因地制宜有序推进掺氢天然气基础设施建设,加强管材氢相容性、管网设备和部件掺氢适应性以及管道运行安全保障技术研究,逐步开展掺氢天然气输送技术应用示范,加快制定掺氢天然气管道输送规范标准,促进氢能产业发展。

  关键词:氢;天然气;安全;高压氢脆;适应性

  在保障能源安全、改善环境质量等因素的共同驱动下,世界各国开始重视可再生能源的发展和利用。其中,风能和太阳能因其清洁无污染、产业链较成熟等特点受到广泛青睐。截至2019年底,国内风电装机容量接近2.10亿千瓦,太阳能发电装机容量2.05亿千瓦,均占全国总装机容量的10%以上[1]。但由于具有间歇性、随机性等特点,大规模利用风电、光电转化的电能难以有效储存,存在“弃风弃光”问题,造成了严重的电力浪费。

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  目前国际上广泛认为,掺氢天然气技术是解决“弃风弃光”问题的有效途径之一[2,3]。该技术将风/光能转化的部分电能用于电解水制氢,并将氢气以一定比例掺入天然气,形成掺氢天然气,再利用新建管网或在役天然气管网输送至用户终端、加气站和储气库等,可起到储能和电力负荷削峰填谷的作用,同时避免了新建输氢管道所需的高昂建造成本。国外研究表明,氢气管道的造价约为天然气管道的2倍多。

  此外,国际能源署研究了各种储能方式的电力成本,研究表明,掺氢天然气技术的电力成本最低。可见,向在役天然气管道掺入氢气能取得较好的经济效益,且大规模电解水制氢成本的降低将大大提高该技术经济性。然而与天然气相比,氢气易导致材料脆化、更易泄漏、具有更宽的爆炸极限,导致掺氢天然气管道输送在材料选择、设计制造、安全保障、法律法规、规范标准等方面与天然气管道输送具有较大差异,需要相应地开展系统的研究,以保障掺氢天然气管道输送安全。

  2016年,笔者所在团队发表了文章《掺氢天然气管道输送安全技术》[4],从材料相容性、完整性管理及风险评估等方面总结讨论了掺氢天然气管道输送的安全问题。近几年,氢能管道发展迅速,在材料氢相容性、风险评估等方面都有了新的重要进展,本文将对掺氢天然气管道输送研究前沿进行介绍,重点对管道氢相容性、设备掺氢适应性、运行安全保障、标准体系等技术研究现状进行深入讨论,并指出目前掺氢天然气管道输送面临的挑战与建议,可为掺氢天然气管道输送系统发展提供一定的参考。

  1应用示范

  迄今为止,荷兰、德国、法国、中国等国家先后开展了多个掺氢天然气管道输送系统应用示范项目。2004年,在欧洲委员会的支持下,国际上首次开展了“NaturalHy”项目,将氢气注入高压输送管线,并通过配送管网输送至最终用户。该项目较为系统地研究了天然气管道掺氢对包括天然气输送、配送及用户终端在内的整个系统的影响[5],为后续的掺氢天然气管道输送系统示范应用项目创造了良好的开端;2007年,在荷兰阿默兰岛上开展了“VG2”项目[6],将氢气掺入当地低热值天然气配送管网供普通家庭使用,积累了电解、混合过程以及掺氢天然气对荷兰管道和传统燃气器具性能影响的经验。

  2012年,德国开展了风电制氢-天然气管道掺氢全过程示范项目[7],将法尔肯哈根风电制氢示范项目制取的氢气直接送入天然气管线,进行了掺氢天然气管道输送全过程技术链的示范应用;2014年,法国开始实施“GRHYD”项目[8],开展了为期五年的混氢天然气应用示范。将氢气以6vol%~20vol%的比例注入当地天然气管网,供健康中心和100户居民生活使用。

  2016年,加利福尼亚大学欧文分校和Socal气体公司合作开展了美国首个掺氢天然气示范项目,将电解槽生产的氢气掺入学校内部的天然气管道系统[9]。2017年,英国开展了“HyDeploy”项目[10],向基尔大学专用天然气网络和英国北部天然气网络注入氢气,为住宅、教学楼、企业等供气,探索在不影响终端用户安全或改装设备的情况下,将氢气混合到全国天然气网络中的可行性。

  2019年,意大利Snam公司将氢和天然气混合到国家天然气输送网络中,研究掺氢天然气与发电厂涡轮压缩机、储存场和燃气锅炉等用户设备的兼容性[11]。2020年,澳大利亚开展了“WSGG”项目,利用风/光电来电解水制氢,并将部分氢气注入Jemena公司的新南威尔士州天然气网络,为当地居民供暖[12]。国内掺氢天然气管道输送系统的示范应用较少。2010年,国新能源集团与清华大学及中国氢能协会合作,在山西省河津市开展了掺氢天然气加气站示范项目的建设。2019年,国家电力投资集团公司与浙江大学合作,在辽宁省朝阳市开展了掺氢天然气管道安全关键技术验证示范项目,进行电解水制氢—天然气掺氢—工业级民用用户供能示范,为未来氢气通过管网运输提供经验。

  2技术研究现状

  2.1管材氢相容性

  掺氢天然气会使管道材料的强度、塑性和韧性等力学性能发生劣化,进而影响管网服役的安全性。因此,管材与掺氢天然气的相容性是开展在役天然气管道输送掺氢天然气需要解决的首要问题。近年来,国外众多科研院校围绕管材与掺氢天然气的相容性问题展开了研究,美国国家标准技术局、美国燃气技术研究院等机构研究了X52、X65、X100等管线钢在纯氢环境中的原位力学性能,韩国标准科学研究院、日本九州大学等在纯氢及模拟掺氢天然气(N2与H2的混合气体)环境中开展了管线钢的力学性能测试。

  研究表明,与空气环境相比,材料在含氢环境中的强度变化不大,但延性、疲劳性能和断裂韧性劣化明显[13-15]。管线钢拉伸性能的劣化程度随着加载速率、氢气压力和应力三轴度的增大而增加[17-19]。疲劳性能与氢气压力、应力比、加载频率、微观组织结构等有关,压力升高、应力比增大、加载频率减小都会引起疲劳裂纹扩展速率加快[16-18]。断裂韧性与加载速率、氢气压力、晶粒尺寸、马氏体/奥氏体含量等多种因素有关,加载速率降低、氢气压力升高通常会导致断裂韧性损减[19-21]。

  目前,含氢环境下管线钢的拉伸性能和疲劳性能研究较多,但断裂韧性相关研究成果较少,待进一步研究。同时,国际上对于掺氢天然气与低强度钢配送管材的相容性研究较少。对于非金属配送管道,国际研究表明,聚乙烯、聚氯乙烯、氯丁橡胶、丁苯橡胶、氟橡胶等材料与氢气同样有较好的相容性[22]。

  2.2设备掺氢适应性

  掺氢天然气与设备的适应性面向整个天然气管网系统,包括管道、调压设备、储存设备、用户终端等。各国在对天然气管网输送系统的适应性进行评估时,突出了逐案分析的原则[22,26]。

  2.2.1储存设备

  天然气管网系统中常见的储存设备主要包括储罐和地下储气库(利用枯竭油气田、地下含水层、含盐岩层或废矿井建造),关于储罐材料与氢的相容性已有较多研究[27],本文不再赘述。针对枯竭油气田和地下含水层的研究表明,此两种地下储气库对氢气的适应性较差,这是由于氢气易破坏地下储气库的多孔地质结构,同时储气库内的微生物代谢反应会严重消耗储存的氢气,如产甲烷菌以H2和CO2为底物转化形成CH4、硫酸盐还原菌将硫酸盐还原成H2S等[28]。

  国际能源署、欧洲燃气研究集团和德国燃料研究所研究认为,当前涉及地下储气库的天然气管道系统不能掺入氢气[3,26]。但也有研究表明,含盐岩层型地下储气库中岩盐床的化学性质较稳定,对氢适应性良好[29],且英国和美国已有多年使用含盐岩层储气库储存纯氢的历史。然而,现有文献中未见我国在地下储气库储存掺氢天然气方面的研究成果。

  2.2.2调压设备

  最初在天然气长输管网上使用的调压设备包括往复式和离心式两种压缩机,但随着技术的发展,离心式压缩机机组呈现出逐步代替往复式压缩机的趋势[30]。往复式压缩机的动力机构是独立于工作介质工作的,无需考虑掺氢对设备带来的影响,而离心式压缩机的叶轮与掺氢天然气接触,材料可能受其影响。

  此外,为满足相同能量需求,在离心式压缩机中压缩氢气的体积是压缩天然气的3倍多,为了获得相同的压缩比,压缩氢气的旋转速度要比天然气高出约1.74倍,对离心式压缩机的组件和密封性能提出了更高要求[31]。为降低氢脆和组件失效风险,氢气压缩机往往是使用价格高昂的高性能材料,一定程度上增加了掺氢天然气技术成本。针对上述问题,或许可以从掺氢比例优化、新型材料、新型压缩技术等方面提出解决方案。来自国际能源署、欧洲燃气研究集团和德国燃料研究所的报告认为,当前涉及离心式压缩机的天然气管道系统不能掺入超过20vol%的氢气[3,26]。驱动离心式压缩机的在役燃气轮机一般要求天然气中H2体积分数不超过1%,但通过采取调整措施和改造升级可以使其掺氢体积分数达到15%[31]。目前关于压缩机的最高容许掺氢比例还未形成定论,新型压缩机用材料与压缩技术报道较少。

  2.2.3用户终端

  掺氢天然气作为燃料实际应用时,用户终端对掺氢天然气的适应性也是需考虑的重要问题。由于氢燃烧速度快,火焰温度高,工业燃气轮机和天然气发动机燃烧掺氢天然气时性能易受影响,NOX的产生量可多达天然气燃烧的近两倍,掺氢比例超过50vol%时发动机爆震的敏感性增加[32]。在役燃气轮机的掺氢分数极限一般为15vol%,而在役天然气发动机一般要求天然气中氢气比例不超过2vol%,对于具有复杂控制系统的专用发动机,掺氢体积分数可以达到10%[31]。家用燃气具对燃气的适应性有两个主要指标,即华白数和层流燃烧速度。

  2.3运行安全保障

  2.3.1混合与计量

  通常,天然气与氢气在预混站内通过科学混合后形成掺氢天然气,再经由管道输送至用户终端。目前氢气和天然气混合工艺主要有定压配比系统和在线混合系统两种[35]。其中,随动流量比例调节对掺氢比精度控制较高,Hydeploy项目、GRHYD项目以及国内朝阳示范项目都是采用该种方法。随动流量混气装置是通过流量计量、信号传输反馈、指挥调节、比例修正等环节实现掺混的目的。设备组件包括流量计、阀门、密封件、混合器、气体成分分析仪、中央控制台等。虽然随动流量混气装置已经成熟应用于天然气、煤制气等领域,但因掺氢天然气物化性质的特殊性,需研究混气装置是否适合长期工作于掺氢天然气环境。

  欧洲一些国家正在开展这方面的研究,同时欧洲标准化委员会也正在有序开展掺氢天然气混合技术及设备的标准化工作。掺氢天然气计量技术是掺氢天然气产业规模化和市场化的重要基础。欧洲已经着手开展相关研究,并制定了“欧洲计量创新和研究计划”。该计划侧重于非常规气体(掺氢天然气、合成气、生物甲烷等)流量计量标准化所需的计量学研究,确定非常规气体在典型目标用户终端中的测量精度、成本和使用寿命。同时,该计划将开发一种可追踪的非常规气体流量计的校准方法。在我国,关于掺氢天然气计量技术研究工作的报道较少,相关研究成果仍是空白。

  2.4标准体系建设

  目前,国际上仍然缺乏掺氢天然气输送管道专用的标准规范,但发布了适用于氢气输送管道的相关标准,具有一定的借鉴意义。国外已颁布的氢气长输管道标准规范包括美国机械工程师协会的ASMEB31.12-2019、欧洲压缩气体协会的CGAG-5.6-2005(Reaffirmed2013)HydrogenPipelineSystems、亚洲工业气体协会的AIGA033/06-2006HydrogenTransportationPipelines等。

  ASMEB31.12-2019标准包括通用要求、工业管道、管线和附录4个部分,内容涉及设计、施工、操作和维护等多个方面,适用于将氢气、氢气混合物及液氢从制造厂输送到使用地的长输管道、分输管道和服务管线,但不适用于氢气体积分数小于10%的管道系统。AIGA033/06-2006与CGAG-5.6-2005内容基本一致,两者适用于氢气及氢气混合物的输送和配送系统,但不适用于氢气摩尔分数大于10%,或氢气摩尔分数小于10%且CO含量大于200ppm的管道系统。

  在国内,专用于掺氢天然气管道的标准规范也尚未颁布,与掺氢天然气管道有关的标准只有GB/T34542.2-2018《氢气储存输送系统第2部分:金属材料与氢环境相容性试验方法》,规定了含氢混合气环境中材料原位力学性能的测试方法。现有的天然气及氢气管道相关标准包括GB50251《输气管道工程设计规范》、GB4962《氢气使用安全技术规程》、GB/T29729《氢系统安全的基本要求》、GB/T34542.1《氢气储存输送系统第1部分:通用要求》、GB/T34542.3《氢气储存输送系统第3部分:金属材料氢脆敏感度试验方法》、GB50177《氢气站设计规范》等,对掺氢天然气管道相关标准规范的制定具有一定借鉴意义。

  3面临的挑战

  我国天然气管网比较完善,管道规模大,分布范围广,向已有的天然气管道掺入氢气,有利于实现氢能的大规模输运。目前我国对掺氢天然气管道输送技术的研究多集中于科研院校,相关示范应用项目经验较少,整体来说,与国际发达国家还有较大差距。结合我国掺氢天然气管道输送发展现状,从基础设施、管材与装备、安全保障与标准体系、产业化与市场形成方面提出国内发展掺氢天然气管道输送面临的挑战与建议。

  4结语

  掺氢天然气管道输送是解决风光电消纳问题的有效方式之一,也是目前输送氢气的有效手段之一。各国学者对掺氢天然气管道输送开展了大量的理论和试验研究,相应的掺氢天然气管道系统示范应用项目也陆续开展。但掺氢天然气管道输送系统涉及的技术及安全等问题具有复杂性和多样性,存在诸多挑战。攻克掺氢天然气管道输送安全关键技术、推动基础设施建设、积累示范应用经验、完善相关技术标准体系是推动掺氢天然气管道输送规模化、产业化、市场化应用的重要基础。

  参考文献

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  [4]赵永志,张鑫,郑津洋等.掺氢天然气管道输送安全技术[J].化工机械,2016(1):1-7.

  作者:尚娟1,鲁仰辉2,郑津洋1,孙晨2,花争立1,于文涛2,张一苇1