混氢站内天然气掺氢工艺及其安全控制研究.pdf

天然气与石油362023年6 月NATURALGAS ANDOIL混氢站内天然气掺氢工艺及其安全控制研究刘京京何宏凯上海舜华新能源系统有限公司，上海2 0 18 0 6摘要：为了解决制约氢能产业发展的氢气运输成本问题，利用现有较完善的天然气管网，掺入一定比例的氢气进行输送具有较大的工程应用价值，得到了广泛关注。而且一定掺氢比例下的掺氢天然气燃料可以直接应用，有利于提高氢能源消费占比和降低氮氧化物的排放。针对天然气和氢气的掺混工艺设计及掺氢系统运行安全控制展开了重点讨论，研究成果可为天然气掺氢工艺的推广应用提供参考。关键词：氢气运输；掺氢天然气；工艺设计；安全控制D0I:10.3969/j.issn.1006-5539.2023.03.006Research on technology and process safety in control of hydrogen-enrichednatural gas in hydrogen mixing stationLIU Jingjing,HE HongkaiShanghai Sunwise Energy Systems Co.,Ltd.,Shanghai,201806,ChinaAbstract:Hydrogen transportation cost restricts the development of the hydrogen energy industry.Inorder to solve this problem,a certain proportion of hydrogen is injected into the existing,relatively completenatural gas pipeline network for transportation.This approach has great engineering application value andreceived widespread attention.Moreover,Under certain hydrogen-doped ratio of hydrogen-enriched naturalgas can be directly utlized as fuel,which contributes to an increase in the proportion of hydrogen energyutilization and reduce NOx emissions.This paper focuses on the design of natural gas and hydrogen blendingprocess and the process safety in control of hydrogen blending system operation.The research results canprovide reference for the promotion and application of hydrogen-enriched natural gas technology.Keywords:Hydrogen transportation;Hydrogen-enriched natural gas;Process design;Safetyin control当前,实现氢能的大规模、商业化使用仍存在一系0前言随着全球经济的发展，对能源的消耗逐年增加，然而大量使用化石能源给环境带来了巨大压力，世界各国迫切需要一种清洁、低碳、可持续发展的替代能源。氢气具有清洁、无污染、来源广泛等优势，是一种优良的能量载体，逐渐得到了各界关注。列关键技术问题呕需解决，发展安全高效、经济便捷的储运氢技术是实现氢能广泛应用的基础。氢气的储运方式主要有：高压气态储运、液态储运、固态储氢以及天然气掺氢管道输送2-3。其中高压气态氢储运方式最为成熟,短期内仍是主流，但是存在储氢密度低、压缩能耗高等问题；低温液态储氢密度高，但储氢成本高，主要应收稿日期:2 0 2 2-10-31作者简介：刘京京（1990-），女，上海人，工程师，硕士，主要从事氢能领域的技术工作。E-mail:第41卷第3期OIL&GASGATHERING，T RA NSPO RT A T I O NA ND T REA T M ENT I 油气储运与处理用在航空航天领域；固态储氢的储氢容量大，安全经济，具有较大的发展潜力，但对储氢材料的性能要求较高，整体处于研究阶段；天然气管道掺混氢气，输送氢气的成本低，可保证氢气长距离、大规模、连续性的输送，是氢能发展前期解决大规模输送问题的有效方案。氢气与天然气同属气体能量载体，但它们的理化性质有一定的差异，氢气较常规天然气具有体积热值低、最小点火能量低、火焰传播速度快、爆炸极限范围广、扩散系数大等特点，使得适用天然气的基础设施对氢气的适应性有限4。自LynchFE等人5首次提出将掺氢天然气作为内燃机的低碳燃料后，经过多年发展，欧美发达国家提出利用现有天然气输送管网输送掺氢天然气，这一方式避免了高成本的氢气管道铺设，提高了氢气输送效率。对于天然气掺氢，主要以中低压燃气管道为主,国内外、学者针对掺氢天然气的互换性6,及掺氢比例对输送管道材质7-1、配套设备性能12-13的影响进行了分析研究。对于发动机、燃气轮机和锅炉等终端用气设备，其在实际应用中暂时无法适应纯氢燃料燃烧，将氢气与天然气掺混形成一定掺氢比例的混氢天然气直接燃烧，是当前的研究热点。MezianeS等人14研究了天然气/氢气混合燃料对贫/富燃燃烧器燃烧性能的影响，表明天然气掺混氢气燃烧可有效降低一氧化碳和氮氧化物的排放量。罗子萱等人15研究了天然气掺氢对家用燃具使用安全性和排放性能的影响，得出掺氢比不高于2 0%的情况下,增加氢气含量会降低一氧化碳与氮氧化物排放浓度。因此，使用掺氢天然气作为燃料能够降低碳氧化物和氮氧化物的排放量，推广天然气掺氢技术是有利于摆脱依赖传统碳排放较高的经济发展方式，以及加速氢能产业发展。1天然气掺氢技术的推广应用图1为掺氢天然气的技术路线，氢气可以来自于工业副产氢、化石能源重整制氢、消纳低谷电制氢、可再生能源制氢等。根据终端用户的需求，掺氢天然气可以作为燃料直接使用，也可以在下游管道使用氢气分离技术将氢气和天然气分离后使用。在国外，欧美国家正在开展就保持现有天然气输送管网的情况下，通过向管网中掺入氢气输送的试验和示范项目。具有代表性的有：荷兰的“Sustai nableAmeland”项目，分别测试了5%、10%、15%和2 0%等几个不同掺氢比例对低压天然气管道和居民灶具、热水器的影响16;法国敦刻尔克的“CRHYD项目直接将制得的氢气掺人天然气中输送给超过2 0 0 户居民及掺氢天然气加气站使用，掺氢天然气中氢气的体积分数最高达37工业含氢废气化石能源烃类重整制氢电网低谷电电解水制氢氢气天然气管道工业掺氢天然气氢气分离技术生活天然气交通图1掺氢天然气技术路线图Fig.1 Technical route of hydrogen-enriched natural gas20%17；美国国家可再生能源实验室也积极对天然气掺氢技术进行研究，为后期利用天然气管道输送氢气及在掺氢天然气输气终端萃取氢气的技术发展做铺垫18 1；英国“Hydeploy示范项目在基尔大学现有天然气网络注入体积分数2 0%的氢气，为10 0 户家庭和30 座教学楼供气19。国内也在积极开展天然气掺氢示范项目，国家电投作为清洁能源装机占比最大的能源行业央企，为构建以新能源为主体的电力系统，正在积极布局氢能领域。2018年启动了国内首例天然气掺氢示范项目，将可再生能源电解水制取的绿氢与天然气掺混后供燃气锅炉使用，已按10%的掺氢比例安全运行1年。同年，国家电投中央研究院参与的“天然气掺氢关键技术研发及应用示范 项目在张家口市启动，预计输氢量为440 10*m/a。2天天然气掺氢工艺及安全控制2.1天然气掺氢工艺由于天然气掺氢会对上游输送管道和下游终端用户产生复杂的影响，那么精准掺氢比例的工艺设计是利用掺氢天然气前的重要环节。目前，天然气掺氢方式主要有以下两种。1)定压配比方式，即利用在密闭容器中两种气体的混合体积比是气体分压比的原理进行混合配比。通过天然气瓶组和氢气瓶组向固定容积的气瓶充气，测量每次充气的压力，得到所需体积下的掺氢比例，控制目标体积比，该方式精度差，固定投资大，较适合混合气用量少的试验场景。2)在线混气方式，该方式将天然气作为主动气源，氢气作为随动气源，随动流量混气设备在程序的自动控可再生能源清洁电能或弃电生物质制氢燃料电池光催化制氢氢气天然气与石油382023年6 月NATURALGAS ANDOIL制下，根据天然气的流量和掺氢比例自动计算出当前混气比例所需要的氢气流量，进而控制氢气的输出流量，该方式掺氢比例控制较准确2 0。2.2混氢站内天然气掺氢工艺混氢站的氢气一般通过长管拖车或管道输送进行供应，天然气一般由输气管道或LNG（Liq u e fie d Na t u r a lGas,LNG)气化站供应，基于此气源形式设计天然气掺氢工艺流程见图2。氢气和天然气被输送至混氢站，再被送人氢气和天然气调压撬进行输气压力调节，两者的输送压力根据后端用户的需求设置，为使小流量的氢气掺混到大流量的天然气中，需设定氢气压力高于天然气压力，同时为了减轻掺混时设备及管道的震动和噪音，提高设备的使用安全性，所设置的氢气与天然气的压差不宜过大。氢气和天然气调压撬也配有调压阀、压力测量装置、紧急切断阀等配套部件，以控制氢气正常掺混到天然气中且能够连续运行。当天然气来气压力高于氢气来气压力时，将天然气压力调压至低于氢气来气压力。当天然气来气压力低于氢气来气压力时，此时天然气调压阀全开，氢气调压阀按比例调节。自长管拖车经卸车柱氢气氢气管线调压撬流量调节自氢气管道静态混合器掺氢比例调节自LNG气化站天然气调压撬线流量调自天然气节管道图2 天然气掺氢流程图Fig.2 Schematic diagram of hydrogen-enriched naturalgas technological process压力调节完成后，氢气和天然气经过管线流量调节系统进行流量调节，然后分别进人混合器进行掺混。氢气和天然气管线流量调节系统包含流量计、调节阀、压力和温度传感器等配套部件，掺氢流量控制过程以较稳定的天然气流量作为主参数，工艺控制系统基于设置的掺氢比例及天然气流量计算所需氢气流量，氢气流量作为输入信号调整氢气管线流量调节系统中的调节阀开度，进而控制氢气流量，实现掺氢比例主动控制。氢气和天然气管线流量调节系统中设置的压力和温度传感变气体流向，形成紊流，增加了气体在混合器的停留混合时间，提高了气体混合的均匀程度，气体混合均匀后输送至下游。为了监控天然气和氢气是否充分混合，在混合器下游的气体出口管道上设置在线检测式甲烷分析仪、氢气分析仪、温度和压力测量装置等配套部件，掺混后的氢气浓度、天然气浓度信号作为负反馈再作用于混合器进气管路上的比例调节阀，进而调节气体的输人流量。此方式适用于天然气管网对掺氢天然气大流量输送或供应至终端用户直接使用的场景。放空口A放空口B绕流元件天然气混合气进口进口排污口氢气进口图3混合器结构图Fig.3Diagram of mixer2.3天然气掺氢安全控制站内的天然气掺氢安全控制系统主要由设备工艺控制系统、气体和火焰检测报警系统及紧急切断系统组成,统一由 PLC（Pr o g r a m m a b l e Lo g i c Co n t r o l l e r,PLC）控制,控制系统构成见图4。设备工艺控制系统对现场的掺氢运行设备及仪表进行数据显示、设备控制、运行参数调混合气出混合气口管路氢分仪天然气管节及报警信息记录等，实现对现场设备的集中监视管理和自动控制功能。同时工艺控制系统设置安全放散功能，若系统超压，超压气体将通过安全阀放散泄压，保证系统安全。当系统需停机检修时，可通过放散阀门进行可燃气体放散，再利用氮气系统进行吹扫置换，然后进行停机检修。PLC控制急停按钮紧急切断阀紧急切断系统气体、火焰检测报警系统可燃气体火焰报警报警主机氢气调压主机混氢撬模块天然气稳压模块设备工艺控制系统区域声光报警器可燃气体火焰探头探头1器的测量数据反馈给气体流量计，用于流量计量精度的1图4天然气掺氢控制系统构成图温压补偿，减少计量精度的误差。Fig.4 Control system of hydrogen-enriched natural gas混合器结构见图3，其内部具有多个绕流元件，扰流元件上设置有多个异向扰流器，天然气和氢气分别进入混合器内部后，在绕流元件上的异向扰流器作用下，改紧急切断系统（Emergency Shutdown Device,ESD)由紧急停车按钮、紧急切断阀组成，当混氢站遇到紧急情第41卷第3期OIL&GASGATHERING，T RA NSPO RT A T I O NA ND T REA T M ENT I 油气储运与处理况时，按下现场设置的紧急停车按钮，第一时间使各紧5 LYNCH F E,MARMARO R W.Special purpose blends of急切断阀工作，连锁切断动力电源，站控系统进入ESDhydrogen and natural gas:US05139002 AP.1992-08-18.工作状态。气体和火焰检测报警系统主要由报警主机、6王秋岩.混氢天然气燃气互换性研究J内蒙古石油化可燃气体（氢气、天然气)探头、火焰探头组成，并将探头工,2 0 2 0,46(1):2 9-30.WANG Qiuyan.Research on the interchangeability of mixed布置在混氢站内重点区域，任何一种气体出现泄漏或探测到火焰信号时，气体和火焰检测报警系统启动声光报警装置,触发紧急切断系统，切断站内所有氢气管线阀门，停止所有设备运行，确保站场人员和设备安全。另外，为了避免掺氢浓度异常而出现事故，如果混合气体浓度超出设定值时，触发氢气管路气动切断阀关闭，保证工艺设备系统运行安全。3结论混氢站内的天然气掺氢工艺：根据掺氢比例需求，以经过温压精度补偿的天然气流量主动控制掺混所需的氢气输人流量，然后在混合器出口管路设置气体浓度分析仪，将监测数据作为反馈信号调控掺混前的天然气和氢气输入流量，可以较为精确地控制和调整掺氢比例。适用于大规模天然气掺氢输送或将混合气直接供用户使用。掺氢过程的安全控制：在设备工艺控制系统对现场设备进行集中监控和自动控制的基础上，设置可燃气体泄漏检测、火焰风险检测以及紧急切断系统，是监控运行风险、确保站场人员和设备安全运行的重要保证措施。参考文献：1麻冬，李昕利用天然气管网混输氢气的可行性初探J.化工管理,2 0 15,2 2(31)：16 8.MA Dong,LI Xin.A preliminary study on the feasibility ofmixing hydrogen using natural gas pipeline network J.Chemical Enterprise Management,2015,22(31):168.2殷卓成，杨高，刘怀，等氢能储运关键技术研究现状及前景分析J.现代化工，2 0 2 1，41（11）：53-57.YIN Zhuocheng,YANG Gao,LIU Huai,et al.Researchstatus and prospect analysis of key technologies for hydrogenenergy storage and transportation J.Modern ChemicalIndustry,2021,41(11):53-57.3】姜召，徐杰，方涛新型有机液体储氢技术现状与展望J化工进展，2 0 12，31（增刊1）：315-32 2.JIANG Zhao,XU Jie,FANG Tao.Current situation andprospect for hydrogen storage technology 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