摻氫天然氣輸送管道放空系統(tǒng)適應(yīng)性分析

胡鑫怡，劉洪志

（中國民用航空飛行學(xué)院綿陽分院，四川 綿陽 621000）

氫能是潔凈環(huán)保、可儲存、可再生的“零碳”能源，大力發(fā)展和利用氫能是提高能源安全、促進(jìn)能源革命、引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級、實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展的重要途徑，也是實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”雙碳目標(biāo)[1-2]的關(guān)鍵。目前，常用的液氫槽罐車、高壓氫氣管束拖車等氫運(yùn)輸方式運(yùn)力低、成本高，難以滿足碳中和背景下的大規(guī)模、長距離氫氣儲運(yùn)需求。雖然利用管道可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、長距離的氫氣輸送，卻存在新建管道成本高（每公里約500 萬元以上）的問題。將氫氣摻入天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行輸送，一方面可充分利用四通八達(dá)的既有管網(wǎng)設(shè)施將氫氣直接輸送到各地的終端用戶，另一方面還可以大大節(jié)省管道的設(shè)計(jì)、建設(shè)、征地和運(yùn)行成本。因此，天然氣管道摻氫輸送[3-4]被認(rèn)為是目前最具應(yīng)用前景的大規(guī)模、長距離氫氣輸送技術(shù)，也是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。

表征管網(wǎng)系統(tǒng)安全性的重要參數(shù)是放空時(shí)間、放空溫度壓力等，這些參數(shù)是與輸送氣體的密度、黏度等物理性質(zhì)密切相關(guān)的。然而，氫氣分子直徑、密度等參數(shù)與天然氣相差較大，因此將氫氣摻入到天然氣中必然會改變現(xiàn)有天然氣管網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)。目前對于天然氣放空已做了大量的研究，馮勝[5]等研究放空過程中放空氣量、放空口溫度、管道壓力等參數(shù)的變化規(guī)律；賈保印[6]等研究了放空系統(tǒng)孔板喉徑面積和管線材質(zhì)的選?。焕钣靃7]等對輸氣管道計(jì)劃放空方式進(jìn)行了優(yōu)化。同時(shí)也開展了二氧化碳的泄放研究，如李順麗[8]等研究了超臨界二氧化碳放空管尺寸與放空總時(shí)間、放空速率之間的關(guān)系；李玉星[9]等研究了不同相態(tài)二氧化碳的節(jié)流放空特性。但目前還沒有針對氫氣這種氣質(zhì)進(jìn)行放空模擬研究，只進(jìn)行了一些實(shí)驗(yàn)研究[10-12]。因此，為實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)的安全高效輸送，需要對摻氫天然氣輸送管道放空系統(tǒng)進(jìn)行適應(yīng)性分析，能夠保證輸送系統(tǒng)在服役期間的安全可靠性，對摻氫天然氣相關(guān)設(shè)施建設(shè)具有指導(dǎo)意義。

1 放空動態(tài)模型的建立

某天然氣外輸管線系統(tǒng)準(zhǔn)備在已建輸送系統(tǒng)中注入氫氣，進(jìn)行摻氫輸送，其天然氣組分見表1。待放空輸氣管段為兩閥室之間干線管道，長32 km，管徑1 016 mm，壁厚26.2 mm，設(shè)計(jì)壓力10 MPa，各閥室放空管道和放空立管的直徑均為356 mm。

表1 天然氣組分

1.2 放空模型

原天然氣放空管道流程如圖1 所示。放空作業(yè)開始，首先關(guān)閉截?cái)嚅y1、截?cái)嚅y2，待管道內(nèi)壓力平衡后打開放空閥將管段中的天然氣通過放空管段和放空立管釋放到大氣中。最后，當(dāng)管段內(nèi)摻氫天然氣壓力接近大氣壓力時(shí)，放空過程結(jié)束[13]。

圖1 摻氫天然氣管路放空流程

本文運(yùn)用TGNET 軟件，建立了摻氫天然氣輸送管道放空管路動態(tài)仿真模型[14]，如圖2 所示。在該模型中，首站向擬放空管段補(bǔ)充天然氣；上游截?cái)嚅y和下游截?cái)嚅y代表管段兩端的截?cái)嚅y室；中間干線管道代表放空系統(tǒng)中的待放空管道；通過調(diào)整放空管閥門開度，控制放空流速?；诜趴展芏蝺啥碎y室同時(shí)放空，取放空管段長度的1/2 和一個(gè)放空系統(tǒng)作為放空模擬對象，即管長為16 km。

圖2 摻氫天然氣管路放空流程動態(tài)模擬模型

2 動態(tài)模擬結(jié)果與分析

采用TGNET 軟件建立摻氫天然氣放空仿真模型，通過改變放空方式（緊急放空和計(jì)劃放空）、放空氣質(zhì)（摻氫量）、放空管道的溫度、壓力等條件，進(jìn)行摻氫天然氣放空適應(yīng)性分析，基于此選擇最優(yōu)的放空作業(yè)方式，確定最優(yōu)摻氫量。

2.1 摻氫量對放空過程的影響

2.1.1 緊急放空

在放空管壓力為8.15 MPa、溫度為47.6 ℃下，模擬緊急放空過程中壓力、閥后溫度、泄放流量變化趨勢，結(jié)果如圖3、圖4 和圖5 所示。

由圖3、圖4 和圖5 可知，摻氫量增加，放空過程中的壓力、溫度和泄放流量變化趨勢不變，均隨放空時(shí)間增加而減小；摻氫量的增加對放空過程相關(guān)參數(shù)影響較小，摻氫量每增加5%，放空閥后最大壓降增加 0.45～0.60 MPa，最大溫降增加1.5～2.5 ℃，最大泄放流量差值增加30～40 m3·s-1；緊急放空過程中最低溫度接近-80 ℃，主要是放空閥全開，待放空量較大，放速度過快導(dǎo)致的。

圖3 放空管壓力隨摻氫量的變化規(guī)律

圖4 泄放流量隨摻氫量的變化規(guī)律

圖5 閥前溫度隨摻氫量的變化規(guī)律

2.1.2 計(jì)劃放空

計(jì)劃放空的放空時(shí)間設(shè)置為12 h，放空閥當(dāng)量口徑為90 mm，放空管壓力8.15 MPa，放空溫度47.6 ℃，模擬得到放空過程中壓力、閥后溫度、泄放流量變化趨勢，結(jié)果如圖6、圖7 和圖8 所示。

由圖6、圖7 和圖8 可知，摻氫量的增加對于放空過程中的壓力和泄放流量變化趨勢影響較小，同緊急放空相同；摻氫量每增加5%，放空閥后最大壓降增加0.23～0.38 MPa，最大溫降增加4.2～6.5 ℃，最大泄放流量差值增加1.5～3.2 m3·s-1；摻氫量的增加，對閥后溫度影響較大，摻氫量越高閥后溫度越高，0 摻氫量和30%摻氫量溫度相差達(dá)20 ℃，這主要是由于氫氣的反焦耳-湯姆遜特性引起的。

圖6 放空管壓力隨摻氫量的變化規(guī)律

圖7 泄放流量隨摻氫量的變化規(guī)律

圖8 閥后溫度隨摻氫量的變化規(guī)律

根據(jù)安全閥設(shè)計(jì)要求，其使用溫度最低為-46 ℃，由圖8 可知，只有當(dāng)摻氫量大于等于25%才能滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 管道內(nèi)壓力對放空過程的影響

在不同摻氫量條件下，改變放空管內(nèi)壓力，其余參數(shù)保持不變，模擬不同管內(nèi)壓力對放空過程的影響。通過模擬得到，緊急放空方式下，改變壓力對于放空過程的變化影響較?。辉谟?jì)劃放空方式下，對最低閥后溫度和最大泄放流量有較大影響，結(jié)果如圖9 和圖10 所示。

由圖9 和圖10 可知，當(dāng)放空管內(nèi)壓力一定時(shí)，放空閥后最低溫度隨摻氫量的增大而升高，泄放流量隨摻氫量的增大而升高，摻氫量每增加5%閥后最低溫度升高2～3 ℃，最大泄放流量增加5 m3·s-1；當(dāng)摻氫量一定時(shí)，放空閥后最低溫度隨壓力升高而降低，且摻氫量越大其隨壓力的變化量越小，泄放流量隨壓力升高而升高，壓力每增加1 MPa，閥后最低溫度降低8 ℃，最大泄放流量約增加20 m3·s-1。

圖9 管道內(nèi)壓力對閥后最低溫度的影響

圖10 管道內(nèi)壓力對最大泄放流量的影響

2.3 管道內(nèi)溫度對放空過程的影響

在不同摻氫量條件下，改變放空管內(nèi)溫度，其余參數(shù)保持不變，模擬不同管內(nèi)溫度對放空過程的影響。通過模擬得到，緊急放空方式下，改變溫度對于放空過程的變化影響較??；在計(jì)劃放空方式下，主要影響最低閥后溫度和最大泄放流量，結(jié)果如圖11 和圖12 所示。

由圖11 和圖12 可知，當(dāng)放空管內(nèi)溫度一定時(shí)，放空閥后最低溫度隨摻氫量的增大而升高，泄放流量隨摻氫量的增大而升高，摻氫量每增加5%溫度升高3～5℃，最大泄放流量約增加5 m3·s-1；當(dāng)摻氫量一定時(shí)，閥后溫度隨管內(nèi)溫度升高而升高，泄放流量隨溫度升高而降低，在摻氫量為20%時(shí)最大泄放流量會突然升高。放空溫度每增加10 ℃，閥后最低溫度升高15 ℃，最大泄放流量降低5～10 m3·s-1。

圖11 管道內(nèi)溫度對閥后最低溫度影響

圖12 管道內(nèi)溫度對最大泄放流量的影響

綜上可知，摻氫量的增加、管內(nèi)溫度升高、壓力降低都會導(dǎo)致閥后溫度的增加。為了滿足安全閥設(shè)計(jì)要求，如果氣體溫度不變，則應(yīng)該保障放空管壓力處于7 MPa 以下，如果放過管壓力處于8 MPa不變，則放空氣體溫度應(yīng)處于30 ℃以上。

3 結(jié) 論

本文通過TGNET 軟件對摻氫天然氣輸送管道不同放空方式進(jìn)行了模擬研究，分析摻氫天然氣對放空過程中放空壓力、溫度、泄放流量等參數(shù)的影響，得到以下結(jié)論：

1）不同摻氫量，對在不同放空方式的摻氫天然氣輸送放空過程中整個(gè)管道沿線的溫度、壓力和泄放量變化并無較大差異。其中在計(jì)劃放空方式下，天然氣的摻氫量對于閥后溫度影響較大，摻氫量越大閥后溫度升高，0 摻氫量和30%摻氫量溫度相差達(dá)20 ℃。

2）在不改變其他條件的前提下，合理控制放空管壓力和溫度，能夠保障不同摻氫條件放空系統(tǒng)正常進(jìn)行，無需調(diào)整放空系統(tǒng)。不同摻氫量，放空管壓力應(yīng)控制在7 MPa 以下。若壓力較大，可采取節(jié)流放空方式，以滿足放空要求。當(dāng)摻氫量為0～20%時(shí)，放空管溫度應(yīng)控制在30 ℃以上，當(dāng)摻氫量為20%～30%時(shí)，放空管溫度應(yīng)控制在20 ℃以上。若溫度較低時(shí)，可采取放空前加熱方式，以滿足放空要求。

3）摻氫量的升高、管內(nèi)溫度降低、壓力升高都會導(dǎo)致泄放流量的增加，為了減少噪聲危害，可以在放空前進(jìn)行升溫，同時(shí)也降低了閥后溫度，但摻氫量最好控制在20%以下。