天然气掺氢对站场放空系统的影响规律分析

刘 权，徐红果，刘书文

中国石油工程建设有限公司四川科宏公司，四川成都 610000

近年来，随着对环境保护提出的更高要求，以及传统化石能源的衰竭，人们越来越重视对清洁能源的开发利用。氢燃烧只产生水，完全不排放温室气体二氧化碳，在“双碳”背景下，大力发展氢能对推动能源转型具有重要意义[1-3]。

目前，氢能运输方式主要有集装管束运输、管道运输及液氢槽车运输等方式。与集装管束运输和液氢槽车运输相比，管道运输具有输送能耗低、效率高、成本较低等优势，然而新建纯氢管道具有成本高、周期长、技术规范不成熟等问题[4]。有国内外的专家学者提出，借助现有的成熟天然气储运与销售管网，在天然气中掺入一定比例的氢气，实现掺氢天然气的运输，以此达到输送氢能的目的。利用既有天然气管网输送掺氢天然气，能减少一次性投资、节约工程建设时间，对加快氢能的布局、发展及利用具有重要的促进作用，同时对可再生能源的发展也具有积极的促进作用[5-7]。

根据Irfan 等[8-9]研究，在不更换原天然气输送设备，且保持管道平稳运行的掺氢比例（体积比）最高可达17%。考虑到燃气的互换性，我国天然气中掺氢比例不超过20%[10]，现有的掺氢天然气输送项目中掺氢比例最高约为5%[11]，某些发达国家已开展的掺氢天然气管输项目中氢气体积分数最高可达20%[12]。本文以此为研究背景，以天然气最大掺氢比例为20%，利用ASPEN HYSYS 流程模拟软件，分析天然气掺氢后对原站场放空系统的影响。

1 计算模型

根据王玮等[4]的实际计算结果，在掺氢比例不超过30%，压强在1～3 MPa 时，采用BWRS 状态方程模拟掺氢天然气的密度与实际值偏差始终小于0.2%；根据朱建鲁等[12]的实际计算结果，在掺氢比例不超过35%，压强在0～12 MPa时，采用BWRS方程对掺氢天然气的压缩因子预测精度较高，最大计算误差不超过1%。因此本文采用BWRS 状态方程进行掺氢天然气模拟计算（天然气组分如表1所示），建立如图1所示放空系统模型。

表1 天然气组分

图1 放空系统HYSYS模型

2 放空系统影响分析

2.1 基础数据

某站场放空系统最大放空量为超压放空，具体参数如表2所示。假设天然气掺氢后站场运行工况不变，以此分析天然气掺氢对放空系统的影响。

表2 放空系统基本参数

2.1 泄放量

放空系统中安全阀选型需确保额定泄放量大于所需泄放量，从而保证安全阀能满足系统超压时的泄放量需求，避免工艺系统超压。天然气掺氢后会导致泄放气质的物性发生改变，对安全阀额定泄放量和系统所需泄放量的影响如图2所示。

图2 安全阀额定泄放量和所需泄放量

从图2 可知，随着掺氢比例的增加，安全阀的额定泄放量和系统的所需泄放量都逐渐减少，安全阀额定泄放量从47 000 kg/h降至40 000 kg/h左右，下降约14%，系统的所需泄放量从29 000 kg/h降至24 000 kg/h左右，下降约17%。安全阀的额定泄放量始终大于系统的所需泄放量，安全阀能满足掺氢后的泄放要求。该现象是由于氢气的相对分子质量比天然气小，天然气掺氢后相对分子质量减小，从而导致相同体积泄放量下的质量泄放量降低。

2.2 运行温度

安全阀工作原理近似为嘴流，运行过程中会产生节流效应，阀前阀后存在明显的温度变化现象，称为焦耳-汤姆生效应。由于天然气具有正的焦耳-汤姆生效应，氢气具有负的焦耳-汤姆生效应，因此天然气掺氢后焦耳-汤姆生效应会产生明显的变化，放空管道运行温度如图3所示。

图3 气体温度分布

从图3 可以看出，由于氢气具有与天然气相反的焦耳-汤姆生效应，因此随着掺氢比例的增加，放空系统的运行温度逐渐提高，当掺氢比例为30%时，整个放空系统的运行温度已经达到0 ℃以上。以安全阀后（放空管道0 m 处）为例，掺氢比例从0%增至30%，温度从-17.9 ℃上升到0.83 ℃，上升约104.6%。放空系统的设计温度一般为-19～70 ℃，因此天然气掺氢不仅不会导致放空系统运行温度超出设计范围，还对放空管道的低温工况有明显的抑制作用。

2.3 安全阀背压

根据有关规范要求，为保证弹簧式安全阀正常起跳，安全阀背压不应超过定压的10%，因此本案例放空系统背压不应超过0.8 MPa。天然气掺氢后放空系统背压变化如图4所示。

图4 安全阀背压

从图4 可以看出，当掺氢比例低于5%时，对安全阀背压无明显影响；当掺氢比例超过5%后，随着掺氢比例的提高，安全阀背压呈下降趋势，从0.196 MPa 降至0.190 MPa，下降率约为0.31%。因此，天然气掺氢会使安全阀背压轻微减小，不会导致安全阀背压及放空系统运行压力超压。

2.4 流速及马赫数

天然气掺氢后物性发生变化，气体在相同状态下的实际流速和临界流速都会变化，马赫数为气体实际流速与气体临界流速（音速）的比值，所以掺氢会导致马赫数变化。放空系统中气体流速和马赫数具体情况如图5、图6所示。

图5 气体流速分布

图6 放空系统马赫数

从图5 可以看出，放空管道的沿程摩阻导致气体压力降低，气体体积增大，从而导致管道断面上的流速增大。另外以火炬出口处为例，掺氢比例从0%增至30%，气体流速从195 m/s增大到224 m/s，增大率约为14.9%，可以得出天然气掺氢会导致放空管道中气体的流速增大。

从图6 可以看出，虽然放空管道中气体流速随掺氢比例增加而增大，但是放空管路中气体的最大马赫数却逐渐减小，造成该现象的原因是天然气掺氢后气体临界流速也相应增大：掺氢比例从0%增至30%时，气体临界流速从411.3 m/s 增大到500.3 m/s，增大率约为21.6%，而与此同时气体流速增大率约为14.9%，所以出现气体流速增大，马赫数减小的情况。综上所述，天然气掺氢使放空管道中马赫数减小，放空支管、放空主管和放空火炬的管径均满足泄放要求。

2.5 火炬辐射热

影响放空火炬辐射热距离的主要参数为泄放量、放空火炬高度、释放总热量、风速、允许辐射热强度、受热点高度等，本文的计算案例中，泄放量100×104m3/d、火炬的高度30 m、风速10 m/s、允许辐射热强度1.58 kW/m2和受热点高度1.8 m 均为固定值，仅天然气掺氢导致的释放总热量变化会对辐射热距离形成较大影响，具体影响情况如图7所示。

图7 放空火炬辐射热

从图7 可以看出，随着掺氢比例的提高，放空火炬的辐射热距离逐渐减小，掺氢比例从0%增至30%，热辐射距离从58.29 m 减小到46.10 m，减小幅度约为20.9%，所以天然气掺氢不会导致放空火炬的辐射热距离增大，掺氢后保持放空火炬周边现状即可，不需要采取增高火炬或拆迁建（构）筑物的措施。

3 结论

随着掺氢比例的增加，安全阀的额定泄放量和系统所需泄放量都减少，额定泄放量始终大于所需泄放量，原安全阀能满足泄放要求；同时，随着掺氢比例增大，天然气掺氢不仅不会导致放空系统运行温度超出设计范围，还对放空管道的低温工况有明显的抑制作用；天然气掺氢会使安全阀背压轻微减小，不会导致安全阀背压及放空系统运行压力超压；天然气掺氢会导致放空管道中气体的流速和临界流速增大，马赫数减小，放空系统管径均满足泄放要求；随着掺氢比例的提高，放空火炬的辐射热距离逐渐减小，不需要增高火炬或拆迁建（构）筑物。