天然氣摻氫對城市燃氣用戶的影響

1 概述

氫能作為一種清潔、高能的二次能源，可以將氣、電、熱等能源網(wǎng)絡(luò)有機聯(lián)系起來，實現(xiàn)能量的雙向流動

。氫能將成為未來能源體系的重要組成部分，預(yù)計到2050年，氫能在全球終端能源的占比將達到18%，在我國終端能源體系占比將達到10%以上。2019年3月5日，國家發(fā)改委印發(fā)的《綠色產(chǎn)業(yè)指導(dǎo)目錄(2019 年版)》，將“氫摻入天然氣管道等設(shè)施的建設(shè)和運營”列入其中。

第一，興趣激勵法：興趣是最好的老師，要讓學(xué)生產(chǎn)生濃厚的興趣，首先必須讓他們放下沉重的思想包袱，把求知本身變成一個極大的樂趣。

氫氣與天然氣相比，污染更小，不會產(chǎn)生溫室氣體。但目前氫氣儲運設(shè)施不完善，利用天然氣管道混輸氫氣，不僅有利于減少溫室氣體的排放，燃燒產(chǎn)物也更為清潔，在降低天然氣企業(yè)減排成本的同時，還可以實現(xiàn)氫氣的低成本遠距離輸送，增強氫氣生產(chǎn)企業(yè)的調(diào)配效率

。在摻氫比例滿足燃氣互換性的要求下，終端用戶也無需更換燃具燃燒器，不會增加額外的更換成本。然而由于氫氣燃燒性質(zhì)與天然氣不同，氫的摻入會使點火能量和熱值降低，可燃范圍和爆炸極限范圍增大。因此本文主要研究了摻入不同比例氫氣對居民用戶、商業(yè)用戶、供暖用戶、電廠以及一些特殊用戶燃燒器的燃燒性能的影響。

2 燃氣用戶類型

以北京市為例，目前天然氣在能源消費結(jié)構(gòu)中占比為34%，天然氣供暖面積占全市供暖面積的80%以上。

北京市天然氣用戶種類多，目前天然氣燃燒設(shè)備主要包括居民用戶的灶具、供暖熱水爐、熱水器，商業(yè)用戶的大鍋灶，供暖用戶的鍋爐，電廠用戶的燃氣輪機。此外，CNG加氣母站利用壓縮機將管道天然氣加壓后供給用戶；天然氣液化工廠將管道天然氣凈化處理后送至冷箱液化，供給LNG用戶。不同種類用戶對于燃氣的熱值、連續(xù)性以及氫敏感性均有所差異，在進行管道天然氣摻氫時，應(yīng)分別予以考慮。

與此同時，云南電網(wǎng)公司積極配合云南省能源局開展省級充電聯(lián)盟的籌建，并與省能源局簽訂了“加快充電基礎(chǔ)設(shè)施及平臺建設(shè)推動云南新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略合作框架協(xié)議”;積極參與地方政府“十三五”電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展規(guī)劃編制，促進電網(wǎng)規(guī)劃、充電基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃、城市規(guī)劃同步協(xié)調(diào)，并與玉溪、曲靖、普洱等地方政府簽訂了框架合作協(xié)議，合力推進新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展;印發(fā)了《關(guān)于進一步推動電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和服務(wù)工作的通知》，優(yōu)化審批流程，開通充電基礎(chǔ)設(shè)施用電報裝“綠色通道”，全力做好配套電網(wǎng)投資及業(yè)擴報裝用電服務(wù)。

3 天然氣摻氫互換性計算

從圖1、2可以看出，試驗氣滿足12T天然氣高熱值范圍的最大摻氫比例為23%，滿足12T天然氣高華白數(shù)的最大摻氫比例為42%。只有高熱值與高華白數(shù)均滿足要求，才認為試驗氣理論上可與12T天然氣互換。即摻氫比例小于等于23%的試驗氣理論上可與12T天然氣互換。

② 不同燃具類型燃燒器，出現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定的摻氫比例存在差異。在家用燃氣灶、燃氣熱水器、燃氣供暖熱水爐、燃氣大鍋灶中，燃氣大鍋灶對氫最為敏感，出現(xiàn)異響的摻氫比例為16%，出現(xiàn)回火的摻氫比例為17%。

3.1 熱值與華白數(shù)

1 m

燃氣完全燃燒后，煙氣冷卻到初始溫度時所釋放的熱量為該燃氣的熱值，單位為MJ/m

，熱值分為高熱值和低熱值。實際使用的燃氣通常是含有多種可燃組分的混合氣體，因此燃氣熱值可以通過單一氣體的熱值根據(jù)混合法進行計算，公式為：

(1)

式中

——燃氣的高熱值或低熱值，MJ/m

——燃氣中可燃組分的數(shù)量

式中

——燃氣的高華白數(shù)或低華白數(shù)，MJ/m

——燃氣可燃組分

的體積分?jǐn)?shù)

國家林草局三北防護林建設(shè)局相關(guān)工作人員說，三北防護林建設(shè)初期，種了許多楊樹是有原因的。三北地區(qū)，或是干旱風(fēng)沙區(qū)，或是水土流失地區(qū)，造林的立地條件極差，甚至可以說，種活一棵樹比養(yǎng)活一個孩子還難。楊樹好活，是最皮實的樹。苗木成本也相對較低，大量種楊樹是最經(jīng)濟的選擇。三四十年來，楊樹的生態(tài)功能發(fā)揮到極致——被稱為“小老樹”就是例證。它們在惡劣的自然條件下，抵擋著風(fēng)沙的侵襲，卻委屈了自己。

華白數(shù)是燃氣各組分含量改變時衡量熱負荷變化最重要的參數(shù)，兩種燃氣的華白數(shù)相差不大，是保證燃氣能夠互換的最基本條件。華白數(shù)計算公式為：

(2)

——燃氣可燃組分

的高熱值或低熱值，MJ/m

——燃氣的相對密度

由式(2)可知，燃氣華白數(shù)是由燃氣的參數(shù)決定的，當(dāng)燃具燃燒器結(jié)構(gòu)及噴嘴前壓力沒有變化且改用另一種燃氣時，燃氣組成差異必定導(dǎo)致華白數(shù)變化。

3.2 不同摻氫比例對互換性的影響

根據(jù)GB/T 13611—2018《城鎮(zhèn)燃氣分類和基本特性》，12T天然氣的特性指標(biāo)見表1。本文主要以表2中北京市某門站氣源為基礎(chǔ)氣進行分析和試驗。根據(jù)式(1)、(2)計算得到不同摻氫比例時混合氣的高華白數(shù)和高熱值，根據(jù)計算結(jié)果繪圖得到試驗氣高華白數(shù)和高熱值與摻氫比例的關(guān)系，同時根據(jù)12T天然氣的指標(biāo)范圍，確定可接受的摻氫比例，見圖1、2。圖1、2中紅色虛線框?qū)?yīng)12T天然氣的指標(biāo)范圍。

根據(jù)GB/T 13611—2018《城鎮(zhèn)燃氣分類和基本特性》，主要依據(jù)高華白數(shù)和高熱值對城鎮(zhèn)燃氣進行分類。本文選取北京市某門站氣源作為基礎(chǔ)氣進行互換性計算，以12T天然氣的高華白數(shù)和高熱值范圍作為摻氫后互換性的評判依據(jù)，從而確定天然氣的最大摻氫比例。摻氫比例指混合氣體中氫氣的體積分?jǐn)?shù)。

4 居民用戶及商業(yè)用戶燃燒設(shè)備摻氫比例

早在大唐煤制氣(組成見表3)引入北京時，我們就對大唐煤制氣摻氫對居民用戶和商業(yè)用戶燃燒設(shè)備燃燒性能的影響進行了研究。選取當(dāng)時市場上完全預(yù)混和部分預(yù)混的主流燃燒設(shè)備，試驗測試了不同摻氫比例(氫氣體積分?jǐn)?shù)為0～60%)對燃燒設(shè)備燃燒性能的影響。試驗發(fā)現(xiàn)，居民用戶和商業(yè)用戶燃燒設(shè)備對燃氣熱值及供應(yīng)連續(xù)性要求不高，對氫的敏感性較弱，且摻氫后污染物排放有不同程度的減少。以摻氫比例為5%為例，與不摻氫氣相比，各燃燒設(shè)備污染物排放情況見表4。

翻轉(zhuǎn)課堂起源于國外，國內(nèi)相關(guān)研究起步相對較晚，可以說國外的研究趨勢是國內(nèi)研究的風(fēng)向標(biāo)，了解國外文獻研究方向，對國內(nèi)研究具有重要的指導(dǎo)意義。我們在對翻轉(zhuǎn)課堂進行了深入細致的理論溯源之后，結(jié)合其他國外有關(guān)翻轉(zhuǎn)課堂的研究文獻，尤其是大學(xué)層面的研究，不難發(fā)現(xiàn)已經(jīng)產(chǎn)生了三大主要研究趨勢：

試驗研究得出如下結(jié)果：

3.1.7 其他原因 沒有規(guī)范的液體出入量記錄流程，缺乏相關(guān)人員培訓(xùn)，管理者監(jiān)督不力，夜班護理人員工作負荷較大，身心俱疲，注意力無法集中等都是造成出入量記錄不正確的相關(guān)因素。

① 當(dāng)摻氫比例約為50%時，燃氣燃燒速度有所增大，可克服因天然氣火焰軟而影響熱效率這一缺點，可以提高燃燒器的加熱效率。但是，燃燒噪聲也會變大，甚至發(fā)生回火。

在傳統(tǒng)大學(xué)普通化學(xué)教學(xué)的過程中，教師只是根據(jù)教材內(nèi)容一味地傳授學(xué)生知識，教學(xué)過程是枯燥的。學(xué)生也只能無意識情緒不加區(qū)分地全盤接受，學(xué)習(xí)過程是被動的。在這種狀態(tài)下學(xué)習(xí)，學(xué)生是很難激發(fā)學(xué)習(xí)興趣的，同時也不利于培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維。將多媒體應(yīng)用在大學(xué)教學(xué)中，可以充分發(fā)揮多媒體的作用，既強化了教師與學(xué)生間的互動，又提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，還調(diào)動了學(xué)生的主觀能動性。

③ 隨著摻氫比例不斷增大，主要污染物CO和NO

的體積分?jǐn)?shù)均存在一定程度的降低，有較好的環(huán)境效應(yīng)。

截至2020年底，北京市共運行14座電廠，燃氣輪機主要來自于三菱、西門子、GE公司。西門子的燃氣輪機要求摻氫比例小于1%，三菱和GE的燃氣輪機要求摻氫比例小于3%。當(dāng)摻氫比例過高時，燃氣輪機的非耐火部件會損壞，氫氣燃燒擴散速度快，火焰更靠近燃燒器，容易導(dǎo)致燃燒器超溫、熔損。摻氫比例控制不穩(wěn)定，會引起華白數(shù)頻繁波動，可能引起燃氣輪機燃燒脈動異常，造成燃燒系統(tǒng)部件損壞。但有國外學(xué)者認為，經(jīng)過整改和調(diào)整的燃氣輪機一般能適應(yīng)5%～10%的摻氫比例。

5 供暖用戶燃燒設(shè)備摻氫比例

目前北京市供暖用氣占比較大，供暖用戶是天然氣的重要使用單位，因此天然氣摻氫也需重點考慮供暖用戶的情況。2019年，國家電投集團在朝陽市的摻氫示范項目(摻氫比例為10%)，驗證示范了氫氣“制取—儲運—摻混—綜合利用”產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵技術(shù)，其中重要的一環(huán)就是在鍋爐等終端利用設(shè)備使用。根據(jù)國際能源署(IEA)對天然氣價值鏈各環(huán)節(jié)允許的最大摻氫比例的闡述可知，鍋爐的最大摻氫比例為30%。英國HyDeploy摻氫示范項目的摻氫比例達20%

，測試的設(shè)備包括燃氣鍋爐，測試結(jié)果表明，所測試的各種設(shè)備均能在該摻氫比例下安全運行。

6 燃氣輪機等特殊燃燒設(shè)備摻氫比例

④ 綜合互換性計算與試驗研究結(jié)果可知，16%的摻氫比例不會對目前的居民用戶及商業(yè)用戶燃燒設(shè)備產(chǎn)生顯著影響。

目前，北京市共運行11座CNG加氣母站，主要供氣來源為次高壓管網(wǎng)。根據(jù)文獻[5-6]，壓縮機對氫較為敏感，要求的摻氫比例較小。北京燃氣集團建設(shè)的西集天然氣液化工廠，緊鄰西集門站，為4 MPa高壓氣源，液化工廠的冷箱要求天然氣不能含有氫氣，一旦混入氫氣，無法將其脫除。

綜合分析，建議在不進行改造的情況下，供給電廠、CNG加氣母站、天然氣液化工廠的天然氣避免摻氫。

7 結(jié)論

① 只有高熱值與高華白數(shù)均滿足12T天然氣的指標(biāo)范圍，才認為試驗氣(摻氫后的天然氣)理論上可與12T天然氣互換。計算得出，摻氫比例小于等于23%的試驗氣理論上可與12T天然氣互換。

由于各國之間的經(jīng)濟政策各不相同，導(dǎo)致各國的經(jīng)濟體制也存在一定的差異。中國作為發(fā)展中的大國，雖然人口眾多，但單純就經(jīng)濟的發(fā)現(xiàn)現(xiàn)狀來分析，中國經(jīng)濟發(fā)展仍然處于初級階段。在改革開放之后，我國政府部門對我國的經(jīng)濟進行了調(diào)整，包括出口關(guān)稅、出口政策、出口商品等方面。隨著國際貿(mào)易的發(fā)展，我國逐漸與周邊國家形成友好的合作關(guān)系。但在經(jīng)濟貿(mào)易往來中，仍然會存在一些問題阻礙我國經(jīng)濟的發(fā)展。近年來，經(jīng)濟環(huán)境在不斷變化，我國經(jīng)濟始終處于動蕩時期，我國大部分企業(yè)的資金比較緊張，在流動資金方面進行控制，導(dǎo)致我國企業(yè)的可流動資金過少，給企業(yè)發(fā)展帶來了危機[3]。

② 綜合互換性計算與試驗研究結(jié)果及示范項目可知，10%的摻氫比例不會對居民用戶燃燒設(shè)備產(chǎn)生顯著影響。隨著摻氫比例不斷增大，主要污染物排放均存在一定程度的降低。

③ 城市燃氣用戶中供暖用戶用氣量占比較大，且居民用戶、商業(yè)用戶燃燒設(shè)備更新?lián)Q代快，建議對摻氫對這些用戶燃燒設(shè)備燃燒性能的影響進行系統(tǒng)性研究。

目前，陽圩農(nóng)場芒果種植面積達1.03萬畝，投產(chǎn)面積0.79萬畝，年產(chǎn)量0.77萬噸，產(chǎn)值3846.82萬元。在此基礎(chǔ)上，農(nóng)場進一步加強管理監(jiān)督，探索現(xiàn)代農(nóng)業(yè)新技術(shù)，加強服務(wù)引導(dǎo)，樹立品牌意識，努力培育地方名牌產(chǎn)品，還帶動周邊農(nóng)民種植芒果3萬多畝，為地方農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展注入了強勁動力。

④ 電廠的燃氣輪機、CNG加氣母站的壓縮機、天然氣液化工廠的冷箱對氫敏感性強，目前可接受的摻氫比例較低，建議避免向此類用戶的氣源摻氫。隨著技術(shù)的發(fā)展以及工藝的改進，未來也存在向此類用戶摻氫的可能性。

[1] 國家發(fā)展改革委. 關(guān)于印發(fā)《綠色產(chǎn)業(yè)指導(dǎo)目錄(2019 年版)》的通知[EB/OL]. [2019-02-14]. https://www.ndrc.gov.cn/fggz/hjyzy/stwmjs/201903/t20190305_ 1220 625.html.

[2] 謝萍,伍奕,李長俊,等. 混氫天然氣管道輸送技術(shù)研究進展[J]. 油氣儲運,2021(4):361-370.

[3] 陳石義,龍海洋,李天雷,等. 天然氣管道摻氫探討[J]. 天然氣與石油,2020(6):22-26.

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[6] 曹志柱,劉安,宇波,等. 天然氣管道典型離心壓縮機性能預(yù)測研究[J]. 北京石油化工學(xué)院學(xué)報，2018(3)：14-20.