摻氫天然氣的管道輸運特性仿真與分析

封德彬，王文，馬凡華

（1 上海交通大學制冷與低溫技術研究所，上海 200241；2 清華大學車輛與運載學院，北京 100084）

進入21 世紀以來，隨著生態環境問題的日益嚴峻和化石能源的限制使用，利用可再生能源替代化石能源已經是世界能源領域的重要議題，風能、太陽能等新能源的應用規模也逐漸增加。但是風能、太陽能等資源在時空分布不均衡，對于我國而言，風能資源多分布于“三北”地區[1]，太陽能在青藏高原與西北地區的太陽能資源十分豐富[2]，而我國的主要能源消費大都集中于東部沿海區域，資源分布與消費的空間分布極不均勻，因此需要配套的儲能系統進行支撐。氫能作為一種來源豐富的二次能源[3]，具有儲存輸出能量時間長、儲存條件受環境影響較小、儲能轉換方式多樣、能量輸出形式靈活等優點[4]，適合作為規模推廣能源，西部豐富的風能、太陽能資源可以通過電解制氫向東部能源消費區輸送。目前氫氣儲運的主要運輸形式和手段有高壓氣氫、低溫液氫、管道輸氫、化合物儲氫等[5]，對于跨度超過2000km的長距離運輸，管道運輸具有運行成本低、運輸效率高、輸送規模大等一系列優點，但是如果要建立類似西氣東輸規模的氫氣長輸管線，則需要大量的新建投資。而將氫氣按照一定比例摻入天然氣中，則能借助現有的天然氣管道進行氫氣輸送，這也是目前國內外普遍接受的氫能長距離輸送方案之一[6-10]。

由于氫氣特殊的理化性質，氫氣的摻入會對現有的天然氣管道、管道設備以及末端應用設備產生一定的腐蝕作用，即因“氫脆”現象，而導致設備的壽命縮減。因此各國對天然氣中氫氣含量要求較為嚴格，相關標準制定也比較謹慎[11]，目前我國尚無摻氫天然氣的相關標準或規范，僅在《進入天然氣長輸管道的氣體質量要求》GB/T 37124—2018中規定，進入長輸管道的氣體含氫氣的摩爾比應小3%[12]，國外目前已投入運行的摻氫天然氣示范項目摻氫比例在10%～20%[13]。氫氣的物性與天然氣存在較大的差異，氫氣的加入會使得天然氣的密度和黏度以及臨界溫度降低，但會使氣體臨界溫度上升[14]，Li 等[15]基于狀態方程計算發現隨摻氫比的增加，氫氣的焦耳-湯姆遜效應系數近似線性減小，并通過實驗驗證了這一結論。對于管道輸送而言，摻入氫氣會改變輸送特性研究表明，較少的氫氣[體積分數（<5%～15%）]與天然氣混輸有一定可行性，并且不會顯著增加輸運風險，危及現有天然氣管道的耐用性和完整性[6,16-18]。另有研究者通過計算表明，氫氣的摻入會增加節點的體積流量，管道的輸氣效率下降、離心壓縮機的性能降低[6,15-17]，管道內的壓降減少、管輸流量有所增加[15,19-20]；黃明等[20]提出輸氣功率的概念用以反映管道輸送能量的能力，認為氫氣加入后需通過提高輸送壓力來保證管道的輸氣功率不變；Zhang 等[21]通過建立數學模型分析了摻氫對高壓和中壓長距離輸氣管道以及簡單輸氣管網的影響，結果表明中壓輸氣管道的運行特性受摻氫比影響更明顯；王瑋等[22]和朱建魯等[23]分別使用HYSYS 軟件和SPS 軟件研究了氫氣的混入對天然氣管道和壓縮機運行工況的影響，以及摻氫對天然氣管道輸量、壓力以及儲氣調峰等的影響，建立了摻氫天然氣管道動態仿真模型。

我國天然氣管網管道規模大且分布范圍廣，向已有的天然氣管網摻入氫氣，是一種可行性較高的氫能輸送方案?，F有有關摻氫輸送的研究中，考慮到安全性及現有末端設備對摻氫天然氣的適應性，所涉及的摻氫比一般低于30%，但隨著氫終端分離技術的進步和各摻氫、純氫管道示范項目的開展，摻氫比例范圍比較寬泛，例如英國HyDeploy 項目中向用戶以20%的摻氫比運行仍具有較高安全性，并計劃將金屬管道替換為非金屬管道以適應更高的摻氫比[8]。此外，在管道運行過程中也不可避免一定時段內出現高濃度氫輸送的情況，這些都要求在對混合氣長輸過程中較高摻氫比例下壓力、溫度以及局部物性變化對動態輸運過程有深入認識。

1 摻氫天然氣物性的快速計算

天然氣等氣體在管道中輸送時，其密度（ρ）、黏度（η）等物性參數會隨管道內當地壓力、溫度的變化而改變。BWRS方程在計算非極性或弱極性的輕烴類氣體及其混合物時精度較高[24-25]，因而在天然氣物性計算中經常使用，如式(1)。

式中，p為氣體壓力，kPa；T為氣體溫度，K；ρ為氣體摩爾密度，kmol/m3；R為理想氣體常數；A0、B0、C0、D0、E0、a、b、c、d、α、γ為方程中的參數。

使用BWRS方程進行物性計算時會涉及方程迭代求解[26]，進行管道輸送模擬時，計算程序會頻繁調用物性計算程序，在計算一段劃分為200個微元的管段時，物性模塊調用的次數約在104量級，計算耗時占總計算耗時的20%以上，在進行規模更龐大、精度要求更高的管道計算時，這一數字會呈指數式增加，造成大量的計算資源消耗并導致計算耗時大幅度增加。為了在不損失計算精度的同時提高計算效率，有學者提出了隱式擬合、顯式求解的計算思路[26-29]。假定u為某一物性參數，本文采用如式(2)計算形式的快速計算公式[28]。

式中，a1～a11為待擬合系數；下角標c 表示氣體的臨界參數。對于壓力范圍為0.1～40MPa、溫度范圍為200～300K 的甲烷氣體，見表1，與BWRS方程相比，快速計算公式在計算密度、熱導率、黏度、比定壓熱容時誤差小于1.2%，最大誤差出現在上述溫度、壓力范圍的邊界處，而在壓力范圍為2～10MPa、溫度范圍為220～300K 的天然氣管道輸送參數下計算誤差小于0.5%，計算精度較高，而計算速度可以提高17倍以上。

表1 快速計算公式計算精度與速度對比

選取原始組分如表2所示的天然氣，計算氫氣摻入對天然氣物性的影響。圖1(a)、(b)為10MPa、20℃下天然氣混合物的部分物性隨摻氫比例的變化圖，摻氫比例為0～100%（摩爾分數），由圖1 可知，隨著摻氫比例的增加，混合氣的黏度、密度以及體積熱值下降，與未摻氫時相比，摻氫比例為50%時，混合氣的黏度、密度以及高熱值分別下降了20.6%、54.1%、35.2%；比熱容隨摻氫比例的增加而增加，與未摻氫時相比，摻氫比例為50%時，混合氣的比熱容增加30.8%。圖1(c)為混合氣體壓縮因子（Z）隨摻氫比例的變化圖，隨摻氫比例的增加，混合氣體的壓縮因子增大，更難以被壓縮，摻氫比例超過40%左右后Z>1。

圖1 天然氣部分物性隨摻氫比例的變化曲線

表2 天然氣組成參數

在長距離輸送中，氣體焦耳-湯姆遜效應系數對管道內氣體溫降的影響較大，圖1(d)為10MPa、50℃時摻氫天然氣的焦耳-湯姆遜效應系數μJ-T隨摻氫比例的變化曲線，氫氣的μJ-T為負值，隨著摻氫比例的增加，輸送氣體的焦耳-湯姆遜效應系數也隨之下降，當摻氫比例大于50%左右時，混合氣體的μJ-T變為負值。

2 摻氫天然氣管道輸送的數學模型

天然氣輸送需滿足質量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程。輸運管道長度的數量級遠高于其直徑，因此天然氣在管內流動過程可簡化為一維流動過程，其控制方程如式(3)[30-31]。

式中，w為管道內氣體流速，m/s；d為管道內徑，mm；θ為管道傾斜角，(°)；λ為摩擦阻力系數；k為總傳熱系數，W/(m2·℃)；T0為環境溫度，K。摩阻系數λ由Colebrook公式計算得出；總傳熱系數考慮了管內和管外對流以及管道徑向導熱影響；氣體相關的物性參數由前文所述的快速計算公式得出。

天然氣在管道中的輸送過程是一個多參數耦合的過程，采用質量、動量守恒方程與能量守恒方程解耦求解方法可以簡化計算過程[32-33]，先求解質量和動量守恒方程，間隔一個時間步求解能量守恒方程，再將求解的熱力學參數插入質量和動量守恒方程進行下一步計算，計算流程如圖2所示。

圖2 控制方程解耦計算流程

對方程組(3)進行線性化處理[31,34-36]，可得到線性化后的控制方程形式，如式(4)。

式中，B、G、F、U表示上一時間層的參數，選取密度、流速作為基礎求解變量[31]求解。對質量和動量守恒方程的非穩態項采用向前差分格式進行離散，對流項采用中心差分法進行離散；對能量方程的非穩態項采用向前差分格式進行離散，對流項則采用一階迎風格式進行離散以避免由于流向引起的能量方程穩定性問題。經過以上處理后，可以避免當前時間步中由未知參數帶來的大量迭代運算，采用BTDMA算法和TDMA算法[37]直接求解。

圖3為此方法計算結果與文獻報道的對比，文獻[38]中天然氣管道長度為18.5km、外徑0.4m，管道入口邊界為變化的壓力邊界，出口為流量邊界，入口壓力計算結果圖3(a)所示；選取文獻[39]中的長輸管道進行長距離輸送驗證，在該計算中管道長度240km、管道外徑為1422mm，沿程壓降對比如圖3(b)所示；此外，圖3(c)對比了文獻[22]中的摻氫天然氣管道壓降數據，其管道長度為61km、外徑0.406m、管道入口壓力2.0MPa、管內流量為50000m3/h，計算結果最大偏差0.8%，平均偏差0.2%。

圖3 計算結果與文獻數據對比

3 管道摻氫輸送的運行特性

選取西氣東輸二線干管管道作為研究對象，長度200km、管道外徑為1219mm、壁厚22mm，材料為X80 鋼[40]，天然氣原組分同表2。管道采用埋地敷設的敷設方法，敷設深度1.5m。

設管道入口壓力10MPa、出口壓力7MPa，管道入口溫度50℃，摻氫比例對管輸流量影響的計算結果如圖4所示。管道的體積流量隨摻氫比例的增加而增加，而質量流量隨摻氫比例的增加而減少，與未摻氫時相比，摻氫比例達到30%時，體積流量增加了23.5%，質量流量減少了30.9%，原因是隨著氫氣的摻入，混合氣的黏度與密度均減小，在同樣的壓降下，管輸體積流量得以增加，而質量流量則隨摻氫比例的增加而減小。

圖4 管輸流量隨摻氫比例變化曲線

由于燃氣終端用戶利用的往往是輸送燃氣中的熱值，而氫氣的加入會使得混合氣的體積熱值降低，管道輸送能量[17,20,41-42]發生變化，管道的能量流量Φ與燃氣熱值和體積流量有關，如式(5)。

Φ=EHHVV? (5)

式中，Φ為管道的能量流量，MJ/h；EHHV為摻氫天然氣的體積高熱值，MJ/m3；V?為摻氫天然氣標準體積流量，m3/h。

從圖5可以看出，在摻氫比例小于85%左右時，管道的輸氣功率隨摻氫比例的增加而減小，而摻氫比例大于85%時，管道的能量流量略有回升，這是由于管道內的體積流量迅速增加，如圖4所示，在同樣的管道壓降下，純氫氣的體積流量相比摻氫比例30%的混合氣體積流量增加了50%，但熱值降低了60%，流量的增加無法抵消熱值降低的影響。

圖5 混合氣的能量流量隨摻氫比例的變化曲線

天然氣管道的沿程溫度變化會受摻氫比變化的影響，圖6為管道溫度隨摻氫比例的變化。從圖中可以得知，當環境溫度低于管內氣體溫度時，氫氣的加入會使天然氣管道的沿程溫降減小。

圖6 混合氣溫度隨摻氫比例的變化曲線

管道輸氣溫度變化常用舒霍夫公式[43]進行分析，如式(6)。

根據物性計算結果，隨著摻氫比的增加，混合氣體的焦耳-湯姆遜效應系數μJ-T減小。圖7比較了分別使用固定值μJ-T=2.5℃/MPa 時獲得的管道出口溫度與使用實際μJ-T值獲得管道出口溫度，以及沿程分布參數仿真管道出口溫度的計算結果。因摻氫影響了焦耳-湯姆遜效應系數而導致輸氣管道溫降變化比較明顯，摻氫30%的混合氣相比未摻氫時管道出口處天然氣溫度高5.7℃。由于天然氣的焦耳-湯姆遜效應系數為正值，長距離輸送的混合氣在管道末端溫度可能低于環境溫度，極端狀態下會帶來冰堵風險；而摻氫輸運則削弱了天然氣的冷卻效應。

圖7 不同摻氫比例下的管道出口溫度變化

為比較管道直徑對摻氫輸送的影響，選取4種已在典型場景中有所應用的不同管徑管道進行模擬計算，具體參數見表3。

表3 典型長輸管道參數

計算結果如圖8所示。結果表明，在不同的管徑下，隨著管內摻氫比例的增加，管內體積流量和出口溫度均隨摻氫比例的增加而增加，這表明在不同的管道直徑下，摻氫對于管道運輸特性的影響規律相同。在管道壓降一致的情況下，管內流量和管道出口溫度隨管徑的增加而增高。

圖8 管徑對摻氫天然氣管道輸送特性的影響

埋在地面以下長輸管道的輸運特性受地面溫度變化可能產生一定影響。圖9(a)、(b)顯示了地面溫度從-30℃變化至50℃對管內流量及能量流量的影響，根據計算結果，輸運流量變化幅度小于1%，地面溫度對管道內的流量影響不明顯，而且對應的能量流量受地面溫度的影響也較小。圖9(c)為管道出口溫度受地面溫度變化的影響，在相同的摻氫比例下，地面溫度每升高20℃，管道出口溫度升高約5℃。

圖9 地面溫度對摻氫天然氣管道輸送特性的影響

摻氫比例對管道輸運壓降特性也有影響，在管道入口壓力10MPa、輸送氣體體積流量為2×106m3/h，天然氣摻氫摩爾比0～100%，地面溫度15℃的條件下，管內摻氫天然氣的壓降特性曲線如圖10所示。隨著天然氣中摻氫比例的增加，管道內的壓降減少，相比于未摻氫時的壓降，摻氫比例為50%時，出口壓力降低了17.6%；輸送純氫時管道的出口壓力降低了36%，主要原因是隨摻氫比例的增加，管內平均雷諾數降低，從而使摩阻系數λ減小，管內混合氣體的壓力損失減少。

圖10 恒定體積流量時摻氫天然氣管道的壓降特性

天然氣在進行長距離輸運時，輸氣管道內會存儲一部分氣體，這部分天然氣稱為管道管存，是衡量天然氣管道儲氣能力和調節能力的指標之一，其定義式為Vs=piVZNTN/pNZTi[44]，圖11中，管存隨著摻氫比例的增加而降低，即一定程度降低了管網的調節能力。而當入口壓力提高時，管存會有一定增加，因而可以通過適當提高管道入口壓力的方法抵消摻氫帶來的管存下降問題。

圖11 摻氫比例對管存的影響

天然氣摻氫后混合氣體熱值會發生改變，當下游對熱值的需求量為Φ=100×106MJ/h時，管輸流量隨摻氫比例的變化如圖12(a)所示，管道出口壓力隨摻氫比例的變化曲線如圖12(b)所示。當摻氫比小于85%左右時，管道的出口壓力隨摻氫比例的增加而減小，當摻氫比例大于85%時，管道出口壓力略有回升。要確保下游用戶對能量的需求，摻氫天然氣應需要適當提高管道輸氣壓力，避免末端用戶供氣壓力不足。

圖12 輸氣功率不變時天然氣管道輸送特性

4 結論

本文針對摻氫天然氣長輸管線輸運特征進行了建模計算和分析，結論如下。

（1）氫氣的加入會使天然氣的物性發生明顯變化，隨著摻氫比的增加，天然氣的黏度、密度以及體積熱值下降，比熱容及壓縮因子隨之增加；在計算中使用快速計算公式代替BWRS公式進行物性計算，可以避免大量迭代計算造成的計算性能損失。

（2）在管道壓降不變的情況下，隨著天然氣中摻氫比例的增加，天然氣的管輸體積流量增加、質量流量減小，管道的輸氣功率隨摻氫比例的增加先減小，在高摻氫比則略有增加；在入口壓力和管內流量確定時，隨摻氫比例增加，管道內壓降減少，管道的管存降低，使管道的調節能力有所下降。

（3）摻氫天然氣管道溫降主要是由于管道壓降引發的焦耳-湯姆遜效應，氫氣的加入削弱了天然氣的冷卻效應，使管道的沿程溫降減小，降低了天然氣在閥門處因降溫形成阻塞風險。隨著氫氣比例的增加，摻氫天然氣混合物的焦耳-湯姆遜效應系數下降，在摻氫天然氣溫降計算中，考慮實際焦耳-湯姆遜效應系數變化能更加準確獲得溫度變化特征。

（4）地面溫度對不同摻氫比例的天然氣管道帶來的溫度影響規律基本一致，在摻氫比例相同的條件下，地面溫度每升高20℃，管道出口溫度升高約5℃；地面溫度對于管輸流量和能量流量影響較小。

（5）氫氣的加入會使摻氫天然氣混合氣的熱值降低，在保證管輸能量流量的情況下，管道出口壓力會出現下降，為確保下游用戶對燃氣能量的需求，摻氫天然氣應適當提高管道輸氣壓力，保證下游用戶對用氣壓力的需求。

符號說明

cp—— 定壓比熱容，kJ/(kg·℃)

d—— 管道內徑，mm

EHHV—— 燃氣體積高位熱值，MJ/m3

H—— 管道埋深，m

k—— 總傳熱系數，W/(m2·℃)

Ke—— 管壁粗糙度，μm

L—— 管道長度，km

m? —— 質量流量，kg/s

p—— 氣體壓力，MPa（BWRS方程中單位為kPa）

R—— 理想氣體常數，8.314kJ/(kmol·℃)

Re—— 雷諾數

T—— 溫度，℃（BWRS方程中單位為K）

t—— 時間，s

V?—— 體積流量，m3/h

w—— 流速，m/s

α—— 對流傳熱系數，W/(m2·℃)

δ—— 管壁厚度，mm

η—— 黏度，μPa·s

θ—— 管道傾角，rad

λ—— 熱導率，W/(m·℃)

μJ-T—— 焦耳-湯姆遜效應系數，℃/MPa

Φ—— 能量流量，MJ/h

ρ—— 密度，kg/m3（BWRS方程中單位為kmol/m3）

下角標

0 —— 環境參數

c —— 臨界點參數

in —— 管道入口

N —— 標準狀態，0.1013MPa，20℃

out —— 管道出口