混氫天然氣管道輸送技術研究進展

　　摘要：氫能是公認的清潔能源，將氫氣摻入天然氣管道進行輸送，是大規(guī)模輸送氫氣的有效途徑。氫氣的物性與天然氣差異大，摻入天然氣后天然氣氣質會發(fā)生改變。綜述了世界各國在天然氣管輸系統(tǒng)混氫輸送過程中混氫天然氣的互換性、天然氣管道混氫工藝系統(tǒng)適應性、管道設備安全性等研究進展。結合中國輸氣管網的實際情況，建議：①研究不同地區(qū)、不同類型燃具對混氫天然氣燃氣互換性的要求，評估混氫天然氣作為燃料等對民用/工業(yè)用戶等終端用戶潛在影響;②分析不同輸量、季節(jié)、混氫量下管道運行參數(shù)及不同型號壓縮機工況點變化規(guī)律及燃氣輪機的適應性;③考慮含氫量、氫氣-甲烷分層流等因素，改進氣體組分在線/離線色譜分析系統(tǒng)，結合 CFD 模擬及實驗等方法，開展計量設備修正研究;④揭示混氫天然氣泄漏擴散特性規(guī)律，針對不同泄漏場景優(yōu)化燃氣泄漏檢測設備空間布置及安裝方式，完善應急預案;⑤開展高鋼級管道混氫輸送適應性分析，保障管道本體安全。

　　本文源自油氣儲運 發(fā)表時間：2021-03-02《油氣儲運》(月刊)1977年創(chuàng)刊，本刊是經國家科委和新聞出版署批準出版，由中國石油天然氣股份有限公司管道分公司主辦，向國內外公開發(fā)行的科技期刊，主要刊載石油、天然氣、成品油以及其他介質輸送和儲存工程等方面的科技文章。面向全國的石油、石化系統(tǒng)，國防、民航、鐵路、交通的油氣儲運部門;市政供排水、煤氣、熱力管網等單位以及有關設計，科研院所，大專院校。

　　關鍵詞：混氫天然氣;管網;工藝適應性;安全

　　目前，世界能源形成煤炭、石油、天然氣、新能源“四分天下”的新格局[1]。2019 年，全球生產石油 32%、天然氣 24%、煤炭 28%、新能源 16%。世界對于能源的消費由過去的總量增長逐步向集約化、高效化方向發(fā)展，主體能源結構向多元化、清潔化和低碳化方向轉型，新能源將逐步進入黃金發(fā)展期[2]。未來能源的發(fā)展，將會依靠能源互聯(lián)網在現(xiàn)有能源供給系統(tǒng)上將大量分布式能源的采集、轉換、輸送等有效聯(lián)合起來，形成一體化集成供能系統(tǒng)[3]。在眾多新能源中，氫能可通過風能、光能等可再生能源產生的電能通過電解制氫進行能源的儲存及利用[4-5]，同時，氫氣的燃燒能夠實現(xiàn)碳的零排放。通過電解水制氫能不僅能夠消納大規(guī)模棄用電能，緩解未來能源枯竭狀況，還能實現(xiàn)環(huán)保目的，因而受到全球主要國家的高度重視。在全球氫能應用發(fā)展過程中，氫能利用需解決的主要問題包括：氫能制備、氫能儲運、氫能使用、氫能標準[6]。目前，被認為氫能利用和運輸?shù)挠行緩绞峭ㄟ^可再生能源電解制氫[7-8]，然后將氫氣按照一定比例混入天然氣中，利用現(xiàn)有天然氣管網進行輸送[9-10]。

　　氫氣的主要物性參數(shù)包括分子直徑、密度、黏度、高熱值等，均遠低于甲烷。天然氣中混入氫氣后，將改變管道內原有天然氣的氣質條件，對管道的運行工況、設備性能、安全維護產生影響。為此，綜述了歐盟、美國等主要發(fā)達國家的氫能發(fā)展戰(zhàn)略方針以及各國在氫能利用過程中的重要研究成果及進展，為中國未來天然氣管網混氫輸送發(fā)展提供借鑒。

　　1 國內外氫能發(fā)展計劃

　　氫能已成為世界上主要能源轉型國家的戰(zhàn)略選擇，各國針對本國氫能發(fā)展提出了國家氫能發(fā)展戰(zhàn)略。 2014—2020 年，歐盟向歐洲氫氣聯(lián)合企業(yè)(FCH)平均資助 1×108 歐元/年，并通過了清潔能源立法用以支持氫能發(fā)展。2014 年，美國頒布了《全面能源戰(zhàn)略》，預計 2030—2040 年全面實現(xiàn)氫能源經濟。2019 年，韓國實現(xiàn)氫能汽車銷售全球第一(本國 5 000 輛、出口 1 724 輛)、氫能發(fā)電機全球第一、新建加氫站全球第三(中國 30 個、德國 22 個、韓國 18 個)，并于 2020 年通過了全球首部《促進氫經濟和氫安全管理法》以加快氫經濟建設。日本提出了“氫能社會”發(fā)展的藍圖三步走計劃：第一階段，2014—2025 年，擴大氫能使用的范圍，提高燃料電池的裝機量;第二階段，2020 中期—2030 年末，全面發(fā)展氫發(fā)電產業(yè)，建立大規(guī)模氫能供應系統(tǒng)，全面利用海外生產、儲存、運輸氫能;第三階段，2040 年起，建立起 CO2 供氫系統(tǒng)，全面實現(xiàn)零排放制氫、儲氫、運氫。

　　中國也高度重視氫能的發(fā)展。2012 年 6 月 28 日，國務院頒布《節(jié)能與新能源汽車產業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2012-2020)》，指出 2020 中國車用氫能源產業(yè)將與國際同步發(fā)展。2016 年 4 月 7 日，國家發(fā)改委、能源局提出《能源技術革命創(chuàng)新行動計劃(2016-2030 年)》，表明了未來中國氫能戰(zhàn)略發(fā)展方向、中短期創(chuàng)新目標;11 月 29 日，國務院提出《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產業(yè)發(fā)展規(guī)劃》指出，中國將推動車載儲氫系統(tǒng)及氫制備、儲運和加注技術發(fā)展，推進加氫站建設;12 月 29 日，國家發(fā)改委、能源局《能源生產和消費革命改革戰(zhàn)略(2016-2030 年)》要求加快研發(fā)氫能、發(fā)展氫燃料技術。2017 年 1 月 25 日，國家發(fā)改委《戰(zhàn)略性新興產品和服務指導目錄》2016 年版提出氫能、儲氫材料、車用加氫設施收入目錄。2018 年 10 月 30 日，國家發(fā)改委、能源局《清潔能源消納行動計劃(2018-2020 年)》提出開展探索可再生能源富余電力轉化為氫能等能源的進一步研究。2020 年 4 月 10 日，國家能源局關于《中華人民共和國能源法(征求意見稿)》公開征求意見的公告中首次將氫能明確劃入能源種類管理。2020 年 11 月 1 日，習近平在出席金磚國家領導人第十二次會晤時提出中國將力爭于 2030 年前達到二氧化碳峰值，努力爭取 2060 年前實現(xiàn)碳中和。加快氫能利用是保證碳中和目標實現(xiàn)的重要途徑。

　　2 國際天然氣混氫輸送項目

　　在全球范圍內，2000 年之后開始深入研究天然氣混氫相關應用技術。據(jù)國際能源署(IEA)數(shù)據(jù)顯示，截至 2019 年，全球各國針對天然氣網絡摻氫的研究有示范項目 37 個。研究項目中包括通過天然氣管網系統(tǒng)進行摻氫輸送為居民及商業(yè)用戶提供燃氣的可行性研究，測試天然氣摻氫比例對管網系統(tǒng)關鍵設備、管道及終端設備的影響，摻氫后混氫天然氣運輸、儲存技術及安全性影響等(表 1)。

　　2002 年起，歐盟委員會通過并資助開展了 Naturalhy 項目，該項目認為將氫作為一種現(xiàn)實的能源選擇迫在眉睫，必須在現(xiàn)有廣泛的天然氣系統(tǒng)范圍內采取切實可行的策略。目前的相關報告顯示，在經濟性方面，Naturalhy 評估了通過富氫天然氣撬動氫能產業(yè)鏈的可行性;在技術方面，Naturalhy 主要披露了天然氣管道的修理方法、爆炸情況。2013 年底，德國的能源儲存和清潔燃料公司 ITM Power 宣布，通過其合作伙伴己向德國天然氣分銷網絡注入氫氣，比例低于 2%[11]。2014 年，DVN GL 機構發(fā)起 HYREADY[12]全球聯(lián)合工業(yè)項目，該項目分為傳輸系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)、終端用戶的基礎設施以及氫氣加注設施的設計 4 個部分，考慮天然氣中添加的氫氣比例分別為 2%、5%、10%、20%、30%。2018 年 11 月，英國基爾大學開展了針對英國家用混氫天然氣網絡試驗的示范項目 HyDeploy [13]，該項目于 2019 年開始開展英國首個摻氫比例達到 20%的示范性試驗。荷蘭 VG2 項目[14]通過荷蘭現(xiàn)有的天然氣網絡進行天然氣混氫輸送研究，通過分析輸送管道的泄漏和冷凝以及終端用戶設備的安全和燃燒速度，從而確定可混入天然氣中的氫最大體積百分比。同時，天然氣摻氫標準研究也逐步推進。在歐洲，HyReady 和 HIPS-Net 等技術委員會和行業(yè)組織正在研究摻氫標準，歐盟委員會也在研究氫在天然氣網絡中的作用及相關標準。

　　目前，各國針對氫能利用開展的示范項目研究中混氫量如下(圖 1)，其中，中國開展的大唐煤制氣示范項目氣源混氫量約 3%，德國混氫量為 5%~10%，法國混氫量為 4%，意大利與挪威混氫量為 10%，荷蘭混氫量為 12%，歐盟的示范項目混氫量為 18%，英國正在開展 20%混氫量的研究。

　　3 天然氣混氫輸送工藝適應性

　　在對氫能利用過程中，氫氣是主要的能源載體形式。在未來能源的發(fā)展中，能源互聯(lián)網是發(fā)展趨勢，油氣管網是能源互聯(lián)網中的重要參與者，因此將氫氣混入天然氣管網輸送是國外氫氣輸送的通用做法。為了保障天然氣管道混氫輸送的安全高效，各國針對天然氣混氫后天然氣與氫氣的互換性、管道與設備對氫氣的適應性、安全性及管網水利運行參數(shù)等方面開展了研究。此外，不少學者還對燃氣終端設備灶具進行實驗研究，為天然氣-氫氣混合氣體用于家用灶具燃燒提供操作和理論借鑒。

　　3.1 混氫天然氣的互換性

　　在燃氣工程中，不同燃氣進行互換時需考慮衡量熱流量的特性指數(shù)，目前各國通用的燃氣特性參數(shù)為華白數(shù)(沃泊指數(shù))。而甲烷與氫氣的物性和燃燒特性存在很大區(qū)別，因此氫氣混入天然氣后，將改變天然氣原有燃燒特性，且不同混氫量的天然氣其燃燒速度、熱負荷等燃燒指數(shù)，以及密度、黏度等均不同，導致終端用氣和管道輸送工況受到影響。隨著混合氣體中氫氣體積分數(shù)的增加，燃具的熱負荷下降，混氫天然氣的燃燒速度增大，燃具發(fā)生回火的風險增高[14]。美國亞特蘭大學者研究表明：在美國華白數(shù)為 45.5 MJ/m3 的貧天然氣中注入氫氣后，其華白數(shù)能提高至 48.3 MJ/m3，需要加入一定量氮氣使其華白數(shù)保持在 43.4~44.4 MJ/m3，才能適用于當?shù)氐娜季遊15]。英國使用的多數(shù)天然氣燃氣設備能夠較好地適應混入 10%氫氣的天然氣，家用灶具受華白數(shù)和回火指數(shù)的影響，氫氣的添加量不應超過 23%。比利時學者通過計算華白數(shù)進行判斷得出：在本國天然氣中摻入低于 17%的氫氣后可直接供應于家用、商用灶具[16]。中國目前尚未發(fā)布混氫天然氣輸送和利用的相關標準規(guī)范，在進行天然氣混氫互換性判斷時，可采用德爾布指數(shù)法[17-18] 和韋弗指數(shù)法[19]進行互換性評定。根據(jù) GB-T 13611—2018《城鎮(zhèn)燃氣分類和基本特征》，中國典型燃氣灶使用 12T 天然氣，其高華白數(shù)范圍為 45.67~54.78 MJ/m3。黃明等[20]通過華白數(shù)和燃燒勢判定得出：摻混氣中氫氣體積分數(shù)小于 23%時，摻混氣能互換 12T 天然氣在終端用戶燃具上正常使用。

　　綜合考慮燃氣華白數(shù)及燃燒熱值，目前大部分燃氣設備能夠較好適應摻入 10%氫氣的天然氣，而家用燃氣設備能夠適用 23%以下混氫量的天然氣。中國不同地區(qū)、不同類型燃具對混氫天然氣燃氣互換性的要求均不相同，混氫天然氣作為燃料、化工產品對民用/工業(yè)用戶等終端用戶的潛在影響仍有待進一步研究。

　　3.2 壓縮機及燃氣輪機的適應性

　　混氫天然氣的物性參數(shù)與傳統(tǒng)天然氣存在差異，必然會改變輸送管網內部的壓力分布[21]，進而改變壓縮機組及燃氣輪機的工況點。分析混氫天然氣輸送管網內的壓力分布是進一步探究壓縮機組及燃氣輪機適應性的前提。目前，國內外一般通過 SPS、Pipeline Studio 等仿真軟件對管網的運行工況進行模擬，根據(jù)計算結果指出管網運行中可能存在的問題并做出相應的整改，為生產決策部門反饋合理的數(shù)據(jù)，優(yōu)化天然氣管網的調度布置[22]。Guandalini 等[23]通過動態(tài)模擬，指出在管輸天然氣中摻混 5%氫氣會引起管網壓力下降約 0.1%，摻混氣高熱值和華白數(shù)最大波動范圍分別為 3.5%、0.6%，但仍處于燃具穩(wěn)定使用的可接受范圍。Tabkhid 等[24]對天然氣-氫氣管網運輸模擬進行了優(yōu)化，通過降低天然氣添加氫氣后的傳輸能量，將混氫比例提高至 6%。馬向陽等[25]指出氫氣加入天然氣后通過提高輸送壓力可保證管道的輸氣功率不變。

　　離心壓縮機是天然氣管網系統(tǒng)中重要的增壓設備，對管道的高效安全運行影響重大，其運行工況與實際氣體組分相關[26]。氫氣的混入雖能提高管道的輸氣能力，但當管網和壓縮機聯(lián)合運行時其平衡工作點對應的壓力和流量都將減小，反而會降低管道的輸氣能力。計算表明：當輸氣流量為 5 500 m3 /h 時，混氫比由 0 增大至 30%，壓比和軸功率分別下降了 20%、36%;在 15 ℃時，隨著氫氣摻混比由 0 至 30%逐漸增大，管道出站壓力增加了 9.1%，管道的最大輸氣量增加了 14.8%，但輸氣功率降低了 9.2%[27]，為了保證輸氣功率不變，可適當增加管道的運行壓力。

　　燃氣輪機作為驅動壓縮機的重要設備，燃料氣組分改變會對燃氣輪機的運行產生不利影響[28]。除專用可以接受很高氫含量(>50%)和一些特殊的能夠燃燒含 10%氫含量或更高混氫比的燃氣輪機，目前許多燃氣輪機的燃料規(guī)格要求天然氣中氫氣體積分數(shù)應限制在 5%以下。Abbott 等[29]認為燃氣輪機能夠適應的氫氣摻混比需小于 5%，但是經過整改和調整的燃氣輪機能適應的摻氫百分比為 5%~10%。2019 年，意大利 SNAM 公司在進行 10%混氫量的工業(yè)試驗時，專門采用了貝克休斯公司為其制造的新型燃氣輪機，同樣表明一般燃氣輪機能夠適應的天然氣中混氫量低于 10%。

　　上述成果表明，混氫天然氣管道的壓縮機和燃氣輪機等運行與非混氫天然氣存在明顯差異，但是國內外對于不同壓縮機和燃氣輪機類型在混氫天然氣輸送過程中工況點和能耗變化規(guī)律的研究剛剛起步。中國天然氣管網系統(tǒng)廣泛配置了英國羅羅、德國曼透平、美國 GE 及國產壓縮機與燃氣輪機組，這些機組對于混氫輸送的適應性仍有待具體分析。

　　3.3 計量設備的適應性

　　流量計量的準確性對于混氫天然氣的計量交接意義重大。由于氫氣和天然氣密度、壓縮因子等物性存在較大差異，且現(xiàn)有流量計一般在工況條件下進行計量，需通過溫度、壓力補償以及壓縮因子修正計算得到標況下流量來進行貿易交接，注入氫氣會改變氣體物性，必然會對計量設備造成一定的影響。

　　目前，國外對混氫天然氣條件下城市管網終端家用燃氣表適應性進行了廣泛的實驗研究。NaturalHy 項目提出，家用燃氣表主要采用膜式燃氣表，其高分子膜對氫氣滲透十分敏感[30]，在計量混氫天然氣時會存在以下 3 方面的問題：①氫氣分子直徑比天然氣小，會導致氣體滲透泄漏，影響計量精度;②由于密封性問題，導致氫氣泄漏至大氣，引發(fā)潛在安全問題;③氫氣會損壞流量計內部部件，影響流量計使用持久性。對此，NaturalHy 項目在設備可靠性板塊(WP 3)研究中，對 3 種分別由 Gallus(法國)、Dresser(意大利)、Elster(德國)制造的高分子膜式燃氣表進行實驗研究，分析了純甲烷與 50%氫氣和 50%甲烷混合氣對計量性能的影響，對比含氫量為 50%混氫天然氣與天然氣計量誤差發(fā)現(xiàn)：Dresser 膜式燃氣表為正偏差， Gallus 和 Elster 膜式燃氣表為負偏差，且偏差均低于 2%，流量越低，偏差越小[31]。Polam 等[32]通過實驗分析了混氫天然氣對橡膠和塑料膜式燃氣表計量精度的影響，測量了流量范圍為 0.13~5 m 3 /h 的天然氣和含氫量為 17%的混氫天然氣，結果表明這兩種材質的燃氣表測量偏差低于 0.1%。考慮到膜式燃氣表校準標準規(guī)定后續(xù)檢定和使用中校驗最大允許誤差可在 4%以內，重復性最大允許誤差可在 0.2%以內，因此該偏差可忽略。Jaworski 等[33]實驗分析了混氫天然氣對膜式燃氣表耐用性的影響，結果表明：氫氣含量為 0~15% 時，并無顯著的計量差異，而燃氣表長時間運行存在顯著的計量差異主要是由燃氣表內部部件的磨損造成的。對于渦輪燃氣表，考慮到氫氣注入天然氣中會降低氣體密度，需要測量渦輪燃氣表的不確定度。法國 GRHYD 項目對渦輪燃氣表進行實驗研究(G4 燃氣表：個人用戶;G65 燃氣表：小型第三產業(yè)用戶)，結果表明天然氣中含氫量達到 20%(體積比)會存在-1%~2.5%的計量誤差(注：這些實驗不是在計量測試平臺上進行的)。CEN CENELEC 歐洲標準制定機構已經驗證了渦輪式燃氣表可用于測量氫含量高達 10%的混氫天然氣。2019 年，國外混氫報告對于超聲波流量計提出，氫氣含量低于 15%其聲波衰減幾乎可忽略不計[34]。

　　對于長輸管道上的計量設備適應性研究目前主要依靠理論分析。Guandalini 等[23]理論分析認為，對于容積式流量計，由于氫氣的體積特性，計量誤差隨壓力和氫氣含量的增大而不斷增大。例如甲烷含量約為 99%天然氣混入 5%的氫氣，在 5 MPa 壓力下體積誤差為 1.5%，在 2.4 MPa 壓力下體積誤差為 0.5%;甲烷含量約為85%天然氣混入5%的氫氣，在5 MPa壓力下體積誤差為1.7%，在2.4 MPa壓力下體積誤差為0.7%，而在 5 MPa 壓力下，天然氣(甲烷含量約 85%)中混入的氫氣含量高達 10%時，體積流量誤差達 3%。IEA Greenhouse R&D 項目提出理想孔板流量計其流量校準系數(shù)是在某一密度下由實驗確定的，密度相對變化 1%會導致體積誤差相對變化 0.5%。

　　考慮到混氫天然氣組分改變會對壓縮因子產生影響，氣體組分分析是減少上述計量誤差的有效途徑。目前，氣相色譜儀多采用氦氣作為載氣，主要利用氦氣熱導率與天然氣成分導熱率存在較大差異進行氣體組分分析[35]，但由于氦氣導熱系數(shù)和氫氣相近[氦氣 151 W/(m·K);氫氣 180 W/(m·K)]，Altfeld 等[36-38] 指出現(xiàn)有在線組分分析設備難以進行氫氣的組分分析，會影響天然氣工況下壓縮因子的準確計算。目前， GRTgaz、Teréga 及 GRDF 等公司正計劃升級在線組分分析儀，從而準確分析混氫天然氣中氫氣含量[34]。

　　綜上，含氫量低于 15%的混氫天然氣對家用燃氣表計量偏差以及使用耐久性的影響較小。對于干線輸氣管道，混氫天然氣的計量誤差主要是由于組分變化導致氣體壓縮因子的改變造成的，可通過調整在線分析系統(tǒng)或使用離線分析手段來補充、完善組成分析結果，從而保證計量的準確性。同時，也可通過 CFD 仿真模擬以及實驗手段進行進一步研究完善相關計量結果的修正方式。此外，氫氣在長輸管道輸送過程中可能會出現(xiàn)管道分層流動現(xiàn)象，進而影響以超聲波流量計為主的高精度計量設備的計量準確性，但國內外尚無混氫條件下超聲波流量計計量結果相關研究報道。

　　4 混氫輸送工藝安全分析

　　4.1 混氫天然氣泄漏擴散的安全性

　　氫氣的爆炸極限范圍寬度遠大于甲烷，高壓泄漏情況下易發(fā)生自燃，且氫氣分子直徑比甲烷小 25%，在管道接頭處氫氣的體積滲漏速率高于天然氣 3 倍[12]，因此氫氣泄漏后的爆炸危險也更加突出。氫氣及混氫天然氣的泄漏擴散及爆炸是目前混氫天然氣輸送領域研究的熱點。

　　2019 年 6 月 10 日，挪威奧斯陸郊外一座無人值守的加氫站發(fā)生起火和爆炸;6 月 1 日，美國加州硅谷，某空氣產品公司氫氣配送車發(fā)生爆炸;5 月 23 日，韓國江原道江陵市大田洞科技園區(qū)，一家太陽能制氫公司氫燃料儲存罐發(fā)生爆炸。以上 3 起事故都是由于高壓裝置內氫氣在富氧環(huán)境泄漏后形成的云狀氫氣被點燃造成的。影響混氫天然氣輸送安全的因素眾多，不同的因素導致事故發(fā)生的可能性和帶來的后果都不同。為此，美國天然氣工藝研究院(GTI)、歐盟采用定量風險評估研究了不同因素對天然氣混氫輸送系統(tǒng)風險的影響。

　　GTI 基于美國天然氣供應系統(tǒng)的具體數(shù)據(jù)，對混氫天然氣輸送安全危害性進行了定量風險評估，將數(shù)字風險評估結果進行了量化，將風險等級范圍定為 0~50，其中，危害顯著性等級 10 被描述為“輕微”，30 被描述為“中等”，50 被描述為“嚴重”;研究成果還表明，配氣干線中高濃度的氫氣(高達 50%)會導致總體風險(包括發(fā)生概率和嚴重程度)輕微增加。對于供氣管道，其所處空間較為密閉，泄漏后更容易出現(xiàn)氣體積聚現(xiàn)象，當天然氣中氫氣濃度超過 20%后，其總體風險比配氣干線更大。歐盟 NaturalHy 項目以兩個典型空間進行實驗，檢驗了混氫天然氣氣體積累行為，一個可代表家庭房間，另一個可代表較典型的商業(yè)或工業(yè)建筑;研究發(fā)現(xiàn)混氫天然氣的氣體積累行為類似于純天然氣，但由于泄漏后氫氣擴散速度較快，導致達到爆炸極限的氫氣云團主要集中在泄漏口，增大了泄漏口附近的危險程度，同時減小了混氫天然氣泄漏后的擴散距離[39]。在現(xiàn)有天然氣管道系統(tǒng)中添加 20%及以下的低濃度氫氣會導致輕微的點火風險以及爆炸嚴重程度輕微增加，但當氫氣濃度超過 50%時，爆炸超壓會顯著增加。

　　如果混氫天然氣儲運過程發(fā)生意外泄漏，如何對該類事故進行防治以減小事故帶來的危害也是混氫輸送安全的研究重點。泄漏氣體點燃后將產生射流火焰對物體、可燃材料和人員造成輻射和沖擊，特別是在開放空間內，火焰的傳播速度將一直處于上升階段[40]。目前，一般采用實驗測試或 Fluent 等數(shù)值仿真模擬軟件對有毒有害氣體的泄漏擴散進行研究。研究發(fā)現(xiàn)，在氣體火焰的傳播過程中，可燃氣體的燃燒會因為障礙物的阻擋而受到延遲[36]，Robert 等通過實驗驗證了不同位置不同角度的擋墻對噴射火焰的影響[41]。因此，根據(jù)現(xiàn)場具體情況合理設置擋墻，可以有效降低泄漏氣體燃燒產生的噴射火焰而帶來的危害。此外，當混氫天然氣泄漏后，對泄漏在第一時間做出反應是生產運行安全管理的關鍵。但在天然氣中添加氫氣會改變氣體探測器的精度，因此，當天然氣中存在氫氣時，必須重新校準氣體檢測裝置，以確保其在氣體泄漏后能夠及時作出反應[42]。針對混氫天然氣泄漏，采用細水霧和氮氣同時進行稀釋能夠獲得更好的爆炸抑制效果[43]。

　　天然氣摻氫后一定程度上增大了管網輸送總體運行風險，對于家庭及商業(yè)用氣的安全性也有了更高的要求。對不同工況下混氫天然氣泄漏擴散研究成果進行分析，可為混氫天然氣管道輸送安全運行生產提供預警及防護指導。但目前少有針對混氫天然氣泄漏檢測儀器的相關研究，今后可考慮通過提高檢測設備對混氫天然氣的敏感程度及優(yōu)化其空間布置、安裝方式來加快現(xiàn)場對泄漏事故的響應速度。

　　4.2 混氫天然氣材料的適應性

　　金屬材料在氫環(huán)境中可能出現(xiàn)氫脆及氫腐蝕問題，導致管道破裂及系統(tǒng)設備構件失效，從而引發(fā)重大事故。氫環(huán)境中設備腐蝕失效的主要原因包括氫損傷、氫滲透及高溫腐蝕[44]。天然氣混氫后的氫脆問題不僅受到管材自身材質的影響，而且與氫氣濃度、管輸壓力等有關。針對天然氣管道與設備用鋼，目前公認氫氣輸送管道管材硬度不宜超過 22HRC，拉伸強度不宜超過 793 MPa[45]。拉伸強度超過 950 MPa 的 CNG 汽車用鋼管能夠適應的氫氣添加量不能超過 2%，歐洲 CNG 汽車罐使用的 34CrMo4鋼對天然氣中添加的氫氣具有很好的兼容性[46]。當混氫天然氣中氫氣濃度大于等于 10%時，可按照 ASME B31.12-2014《氫氣管道和管線》相關規(guī)定進行分析;當氫氣濃度小于 10%時，可采用 CGA-5.6-2005 R2013《Hydrogen Pipeline System》進行分析[47]。若管道為 X52 鋼，可用于輸送氫氣濃度低于 10%的混氫天然氣;若管道為 X70 鋼，天然氣中混氫比例小于 10%時，需要將最大操作壓力降低至 7 MPa;混氫比例大于等于 10%時，最大操作壓力需降低至 5.38 MPa[31]。針對氫氣對金屬的氫脆作用，可考慮采用聚乙烯管進行混氫天然氣輸送，雖然聚乙烯管存在氫氣滲透現(xiàn)象，但該滲透率相對于年輸送量可不予考慮[48]。因此，為了降低混氫天然氣輸送風險，低壓配氣系統(tǒng)管道輸送混氫天然氣推薦使用 PE 管道，高壓長輸系統(tǒng)管道推薦采用軟鋼管道以降低氫脆發(fā)生的概率。

　　綜上可知，氫氣對于低強度管材的影響不大，對于高強度管材氫脆影響更大。中國西氣東輸管道等大型輸氣管網建設工程中大多采用 X70、X80 高等級鋼，且管網輸送壓力要求高，相應的氫氣分壓更高。在管道長期服役條件下，高鋼級管道的材料安全性能仍有待評估。

　　5 結論與建議

　　目前，國內外已開展混氫天然氣研究及工業(yè)化試驗中氫氣的體積分數(shù)為 20%，對于混氫輸送適應性及安全性的研究是目前國內外研究的熱點。結合中國天然氣管網“全國一張網”戰(zhàn)略，主要建議如下：

　　(1)天然氣摻氫后將降低氣體的熱值及華白數(shù)等參數(shù)，增大火焰燃燒速率，導致終端民用/工業(yè)燃具及天然氣燃氣輪機熱負荷下降，增大燃具使用過程的回火風險。建議全面研究不同地區(qū)、不同類型燃具對混氫天然氣燃氣互換性的要求，評估混氫天然氣作為燃料、化工產品對民用/工業(yè)用戶等終端用戶的潛在影響。

　　(2)天然氣中摻入氫氣會提高管道的輸氣能力，但當管網和壓縮機聯(lián)合運行時其平衡工作點對應的壓力和流量都將減小，反而會降低管道的輸氣能力。建議全面研究不同類型壓縮機在不同輸量、不同季節(jié)、不同混氫量條件下管道水力熱力參數(shù)分布以及壓縮機工況點的變化規(guī)律;結合混氫天然氣燃燒熱值、華白指數(shù)和燃燒勢等特性，分析混氫天然氣輸送過程中燃氣輪機的工況變化。

　　(3)天然氣摻氫后氣體壓縮因子等物性發(fā)生改變，致使不同流量計精度出現(xiàn)不同程度的偏差，但低含量的氫氣對計量精度的影響較小，可通過調整在線分析系統(tǒng)或使用離線分析手段進行組分分析，確保計量的準確性。對于超聲波流量計在天然氣貿易交接的主導地位，可以考慮含氫量、氣體分層流等因素，采用理論分析、CFD 模擬及實驗等手段對超聲波流量計計量精度進行研究。

　　(4)氫氣與天然氣氣體性質差異較大，天然氣摻氫后會在一定程度上增大天然氣管網輸送的總體運行風險，同時對于家庭及商業(yè)用氣的安全性也有了更高要求。為了保證運行能夠對混氫天然氣的泄漏及時做出反應，建議結合混氫天然氣泄漏擴散特性規(guī)律，研究不同應急預防措施的適應性，同時針對不同場景優(yōu)化檢測設備空間布置、安裝方式，及提高檢測設備對混氫天然氣的敏感程度，從而加快現(xiàn)場對泄漏事故響應速度，保證生產安全。

　　(5)混氫天然氣氫氣組分對高強度鋼影響大于低強度鋼，主要表現(xiàn)為氫脆及氫腐蝕問題。建議采用實驗測試、理論分析等方法，開展高鋼級管道在混氫條件下的長期服役能力研究，評估高鋼級管道輸送天然氣的安全混氫比。

　　(6)中國天然氣干線管網已基本形成了互聯(lián)互通的格局，在全國管網中進行混氫輸送將面臨較大的工藝安全風險。因此，可考慮選擇單一管道或局部管網先進行混氫輸送先導試驗，積累混氫輸送經驗，最終形成可靠的適于中國混氫輸送管道的評價方法及評價標準。