天然氣摻氫對站場放空系統的影響規律分析

劉 權，徐紅果，劉書文

中國石油工程建設有限公司四川科宏公司，四川成都 610000

近年來，隨著對環境保護提出的更高要求，以及傳統化石能源的衰竭，人們越來越重視對清潔能源的開發利用。氫燃燒只產生水，完全不排放溫室氣體二氧化碳，在“雙碳”背景下，大力發展氫能對推動能源轉型具有重要意義[1-3]。

目前，氫能運輸方式主要有集裝管束運輸、管道運輸及液氫槽車運輸等方式。與集裝管束運輸和液氫槽車運輸相比，管道運輸具有輸送能耗低、效率高、成本較低等優勢，然而新建純氫管道具有成本高、周期長、技術規范不成熟等問題[4]。有國內外的專家學者提出，借助現有的成熟天然氣儲運與銷售管網，在天然氣中摻入一定比例的氫氣，實現摻氫天然氣的運輸，以此達到輸送氫能的目的。利用既有天然氣管網輸送摻氫天然氣，能減少一次性投資、節約工程建設時間，對加快氫能的布局、發展及利用具有重要的促進作用，同時對可再生能源的發展也具有積極的促進作用[5-7]。

根據Irfan 等[8-9]研究，在不更換原天然氣輸送設備，且保持管道平穩運行的摻氫比例（體積比）最高可達17%?？紤]到燃氣的互換性，我國天然氣中摻氫比例不超過20%[10]，現有的摻氫天然氣輸送項目中摻氫比例最高約為5%[11]，某些發達國家已開展的摻氫天然氣管輸項目中氫氣體積分數最高可達20%[12]。本文以此為研究背景，以天然氣最大摻氫比例為20%，利用ASPEN HYSYS 流程模擬軟件，分析天然氣摻氫后對原站場放空系統的影響。

1 計算模型

根據王瑋等[4]的實際計算結果，在摻氫比例不超過30%，壓強在1～3 MPa 時，采用BWRS 狀態方程模擬摻氫天然氣的密度與實際值偏差始終小于0.2%；根據朱建魯等[12]的實際計算結果，在摻氫比例不超過35%，壓強在0～12 MPa時，采用BWRS方程對摻氫天然氣的壓縮因子預測精度較高，最大計算誤差不超過1%。因此本文采用BWRS 狀態方程進行摻氫天然氣模擬計算（天然氣組分如表1所示），建立如圖1所示放空系統模型。

表1 天然氣組分

圖1 放空系統HYSYS模型

2 放空系統影響分析

2.1 基礎數據

某站場放空系統最大放空量為超壓放空，具體參數如表2所示。假設天然氣摻氫后站場運行工況不變，以此分析天然氣摻氫對放空系統的影響。

表2 放空系統基本參數

2.1 泄放量

放空系統中安全閥選型需確保額定泄放量大于所需泄放量，從而保證安全閥能滿足系統超壓時的泄放量需求，避免工藝系統超壓。天然氣摻氫后會導致泄放氣質的物性發生改變，對安全閥額定泄放量和系統所需泄放量的影響如圖2所示。

圖2 安全閥額定泄放量和所需泄放量

從圖2 可知，隨著摻氫比例的增加，安全閥的額定泄放量和系統的所需泄放量都逐漸減少，安全閥額定泄放量從47 000 kg/h降至40 000 kg/h左右，下降約14%，系統的所需泄放量從29 000 kg/h降至24 000 kg/h左右，下降約17%。安全閥的額定泄放量始終大于系統的所需泄放量，安全閥能滿足摻氫后的泄放要求。該現象是由于氫氣的相對分子質量比天然氣小，天然氣摻氫后相對分子質量減小，從而導致相同體積泄放量下的質量泄放量降低。

2.2 運行溫度

安全閥工作原理近似為嘴流，運行過程中會產生節流效應，閥前閥后存在明顯的溫度變化現象，稱為焦耳-湯姆生效應。由于天然氣具有正的焦耳-湯姆生效應，氫氣具有負的焦耳-湯姆生效應，因此天然氣摻氫后焦耳-湯姆生效應會產生明顯的變化，放空管道運行溫度如圖3所示。

圖3 氣體溫度分布

從圖3 可以看出，由于氫氣具有與天然氣相反的焦耳-湯姆生效應，因此隨著摻氫比例的增加，放空系統的運行溫度逐漸提高，當摻氫比例為30%時，整個放空系統的運行溫度已經達到0 ℃以上。以安全閥后（放空管道0 m 處）為例，摻氫比例從0%增至30%，溫度從-17.9 ℃上升到0.83 ℃，上升約104.6%。放空系統的設計溫度一般為-19～70 ℃，因此天然氣摻氫不僅不會導致放空系統運行溫度超出設計范圍，還對放空管道的低溫工況有明顯的抑制作用。

2.3 安全閥背壓

根據有關規范要求，為保證彈簧式安全閥正常起跳，安全閥背壓不應超過定壓的10%，因此本案例放空系統背壓不應超過0.8 MPa。天然氣摻氫后放空系統背壓變化如圖4所示。

圖4 安全閥背壓

從圖4 可以看出，當摻氫比例低于5%時，對安全閥背壓無明顯影響；當摻氫比例超過5%后，隨著摻氫比例的提高，安全閥背壓呈下降趨勢，從0.196 MPa 降至0.190 MPa，下降率約為0.31%。因此，天然氣摻氫會使安全閥背壓輕微減小，不會導致安全閥背壓及放空系統運行壓力超壓。

2.4 流速及馬赫數

天然氣摻氫后物性發生變化，氣體在相同狀態下的實際流速和臨界流速都會變化，馬赫數為氣體實際流速與氣體臨界流速（音速）的比值，所以摻氫會導致馬赫數變化。放空系統中氣體流速和馬赫數具體情況如圖5、圖6所示。

圖5 氣體流速分布

圖6 放空系統馬赫數

從圖5 可以看出，放空管道的沿程摩阻導致氣體壓力降低，氣體體積增大，從而導致管道斷面上的流速增大。另外以火炬出口處為例，摻氫比例從0%增至30%，氣體流速從195 m/s增大到224 m/s，增大率約為14.9%，可以得出天然氣摻氫會導致放空管道中氣體的流速增大。

從圖6 可以看出，雖然放空管道中氣體流速隨摻氫比例增加而增大，但是放空管路中氣體的最大馬赫數卻逐漸減小，造成該現象的原因是天然氣摻氫后氣體臨界流速也相應增大：摻氫比例從0%增至30%時，氣體臨界流速從411.3 m/s 增大到500.3 m/s，增大率約為21.6%，而與此同時氣體流速增大率約為14.9%，所以出現氣體流速增大，馬赫數減小的情況。綜上所述，天然氣摻氫使放空管道中馬赫數減小，放空支管、放空主管和放空火炬的管徑均滿足泄放要求。

2.5 火炬輻射熱

影響放空火炬輻射熱距離的主要參數為泄放量、放空火炬高度、釋放總熱量、風速、允許輻射熱強度、受熱點高度等，本文的計算案例中，泄放量100×104m3/d、火炬的高度30 m、風速10 m/s、允許輻射熱強度1.58 kW/m2和受熱點高度1.8 m 均為固定值，僅天然氣摻氫導致的釋放總熱量變化會對輻射熱距離形成較大影響，具體影響情況如圖7所示。

圖7 放空火炬輻射熱

從圖7 可以看出，隨著摻氫比例的提高，放空火炬的輻射熱距離逐漸減小，摻氫比例從0%增至30%，熱輻射距離從58.29 m 減小到46.10 m，減小幅度約為20.9%，所以天然氣摻氫不會導致放空火炬的輻射熱距離增大，摻氫后保持放空火炬周邊現狀即可，不需要采取增高火炬或拆遷建（構）筑物的措施。

3 結論

隨著摻氫比例的增加，安全閥的額定泄放量和系統所需泄放量都減少，額定泄放量始終大于所需泄放量，原安全閥能滿足泄放要求；同時，隨著摻氫比例增大，天然氣摻氫不僅不會導致放空系統運行溫度超出設計范圍，還對放空管道的低溫工況有明顯的抑制作用；天然氣摻氫會使安全閥背壓輕微減小，不會導致安全閥背壓及放空系統運行壓力超壓；天然氣摻氫會導致放空管道中氣體的流速和臨界流速增大，馬赫數減小，放空系統管徑均滿足泄放要求；隨著摻氫比例的提高，放空火炬的輻射熱距離逐漸減小，不需要增高火炬或拆遷建（構）筑物。