天然气加氢对燃具及管道的影响分析
天然气加氢主要目的是基于能源供应安全保障和减少温室气体排放的考虑。氢气具有燃烧速度快，燃烧界限宽，比热值小，淬熄长度长等特点，天然气中掺入氢气可以改变天然气的燃烧特性。掺氢天然气终端用户主要为作为城镇燃气使用，即商业或者民用气燃料，应保证加入氢气后终端用户.0的燃具不改变。
天然气的主要成分甲烷和氢气的理化性质见表1。从这些性质可以看出，甲烷和氢气的理化性质有很大的差别。
表1 甲烷和氢气的物性对比表
注：1.表中参比条件为101.325kPa，15℃；
2.空气的摩尔质量为28.9626kg/kmol
1 基础数据
拟建管道输送的天然气组分见表2。
表2 天然气气体组分表
1.2城镇燃气技术指标
根据天然气终端使用用户的不同，天然气中加入氢气的比例也会不同。城镇燃气用户中，国内广泛使用的燃具均以12T基准气为标准进行设计的，当天然气中加入氢气时，会改变天然气的气质组分发生变化，燃具的燃烧工况将随之改变，进而影响燃具的燃烧性能，严重时将导致燃具无法正常使用。因此，在天然气中加入氢气的比例，应以不改变终端用户燃具为前提，即考虑互换性的问题。
在《城镇燃气设计规范》（GB50028）中规定，城镇燃气偏离基准气的波动范围宜按现行的国家标准《城市燃气分类》（GB/T13611）的规定采用，并应适当留有余地。城镇燃气中12T基准气的性能指标见表3。
表3 12T基准气的性能指标表
注：天然气标准参比条件为101.325kPa，15℃。
2 燃具互换性影响分析
2.1主要参数
衡量燃具互换性的主要参数有天然气热值、华白数和燃烧速度指数。
1）热值
燃气的热值按式1计算：
式中：H为燃气热值（分高热值和低热值），MJ/m3；Hr为燃气中r可燃组分的热值，MJ/m3；fr为燃气中r可燃组分的体积分数，%。
2）华白数
燃气的华白数按式2计算：
式中：Ws为高华白数，MJ/m3；Hs为燃气高热值，MJ/m3；d为燃气相对密度（干空气的相对密度为1）。
3）燃烧速度指数
燃气的燃烧速度指数按式3计算：
式中：SF为燃烧速度指数；fHZ为燃气中氢气体积分数，%；fcmHn为燃气中除甲烷以外的碳氢化合物体积分数，%；fCO为燃气中一氧化碳体积分数，%；fCH4为燃气中甲烷体积分数，%；f0Z为燃气氧体积分数，%。
2.2 计算结果与分析
通过对不同氢气掺比浓度（1%～23%）的天然气进行计算。
①热值
根据公式（1）和天然气的物性参数，计算不同掺氢比例下天然气的热值见图1。
图1 掺氢浓度与天然气热值的关系图
由图1知，在天然气中加入的氢气比例越大，燃气的热值越小。当天然气掺氢比例从1%增加到23%时，燃气的高热值从39.22MJ/m3下降至34.35MJ/m3。但依然在12T基准气热值范围内。高热值达到标准值（37.78）时掺氢浓度为6.5%。
②华白数
根据公式（2）计算不同掺氢比例下天然气的华白数见图2。
图2掺氢浓度与天然气华白数的关系图
国家标准《城市燃气分类》（GB/T13611）中规定的燃气华白数的范围为-10%～+8%，但国家标准《城镇燃气设计规范》（GB50028）中规定，当天然气供给城镇燃气（12T）时燃气华白数的波动范围为-5%～+5%，即50.73（1±0.05）。
由图2知，在天然气中加入的氢气比例越大，燃气的华白数越小。当天然气掺氢比例从1%增加到23%时，燃气的华白数从51.26下降至48.90。但依然在12T基准气华白数范围内。华白数达到标准值（50.73）时掺氢浓度为5.3%。
③燃烧速度指数
根据公式（3）计算不同掺氢比例下天然气的燃烧速度指数见图3。
图3 掺氢浓度与天然气燃烧速度指数的关系图
由图3知，在天然气中加入的氢气比例越大，燃气的燃烧速度指数越大。当天然气掺氢比例从1%增加到23%时，燃气的燃烧速度指数从41.79上升至68.94，均超过标准值（40.3）。但依然在12T基准气燃烧速度指数范围内。
通过计算，可知在天然气中加入氢气的比例在23%以下时，掺氢天然气的高热值、华白数和燃烧速度指数均在城镇燃气分类中12T基准气的相关技术要求范围内。故满足城镇燃气用户燃具互换性的要求。
虽然通过计算，天然气加氢的比例低于23%满足燃具互换性的要求，但依然应该考虑以下几点问题：
①天然气中加氢如果是在长输天然气管道中，建议氢气比例控制在23%，具体也要综合考虑氢分压的问题，氢分压应小于0.1MPa。
②流速的问题，建议最大流速不应大于10m/s。
③材质选用的问题。由于氢气特殊的理化性质，在管材选用时需从管材强度、硬度、化学元素、韧性等方面进行适应性分析。有研究表明，氢含量16.7%，12MPa输送压力下，X70管线钢不会产生氢腐蚀，机械性能也不会发生明显变化；但对于X80管线钢，当氢含量大于2%时，管材的使用寿命和力学性能等均发生了明显的下降。
④安全的问题。氢气活泼的特性增加的管道氢脆风险和氢气渗透风险，也对焊接工艺提出了更高的要求；同时考虑增大安全防护距离、增设安全监测设施（特别是氢气）、加强安全巡检。
⑤规范适用性的问题，目前国内外均没有含氢天然气管道的设计与施工验收规范，同时还需考虑地方政府、安全、环保等验收的问题。
⑥终端用户接受度的问题，由热值降低、安全风险增大等因素可能引起的社会不安定问题也应该提前做好调研和预案。
⑦工程设计投资和运行成本增加。由于国内外现有的氢气对管道输送和使用的影响仍不够全面，所以必须对可能影响工程安全因素的所有风险进行评估，做到具体问题具体分析。
3 结论
本文重点研究了天然气中加入氢气后对终端用户使用的燃具互换性的问题进行的研究，通过对不同加氢比例后天然气的热值、华白数、燃烧速度指数进行了计算，结果显示在天然气中加入的氢气比例小于23%时均满足城镇燃气分类中12T基准气的相关技术要求，即满足燃具互换性。同时对加氢天然气在使用过程中可能存在的问题进行了分析。对天然气加氢应用在城镇燃气中提供了参考。
编辑：陈丹 校对：杨东川 审核：杨东川
来源：《云南化工》，中石化中原石油工程设计有限公司，史世杰，氢云链整理
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