摻氫天然氣的管道輸運特性仿真與分析

封德彬，王文，馬凡華

（1 上海交通大學(xué)制冷與低溫技術(shù)研究所，上海 200241；2 清華大學(xué)車輛與運載學(xué)院，北京 100084）

進入21 世紀(jì)以來，隨著生態(tài)環(huán)境問題的日益嚴(yán)峻和化石能源的限制使用，利用可再生能源替代化石能源已經(jīng)是世界能源領(lǐng)域的重要議題，風(fēng)能、太陽能等新能源的應(yīng)用規(guī)模也逐漸增加。但是風(fēng)能、太陽能等資源在時空分布不均衡，對于我國而言，風(fēng)能資源多分布于“三北”地區(qū)[1]，太陽能在青藏高原與西北地區(qū)的太陽能資源十分豐富[2]，而我國的主要能源消費大都集中于東部沿海區(qū)域，資源分布與消費的空間分布極不均勻，因此需要配套的儲能系統(tǒng)進行支撐。氫能作為一種來源豐富的二次能源[3]，具有儲存輸出能量時間長、儲存條件受環(huán)境影響較小、儲能轉(zhuǎn)換方式多樣、能量輸出形式靈活等優(yōu)點[4]，適合作為規(guī)模推廣能源，西部豐富的風(fēng)能、太陽能資源可以通過電解制氫向東部能源消費區(qū)輸送。目前氫氣儲運的主要運輸形式和手段有高壓氣氫、低溫液氫、管道輸氫、化合物儲氫等[5]，對于跨度超過2000km的長距離運輸，管道運輸具有運行成本低、運輸效率高、輸送規(guī)模大等一系列優(yōu)點，但是如果要建立類似西氣東輸規(guī)模的氫氣長輸管線，則需要大量的新建投資。而將氫氣按照一定比例摻入天然氣中，則能借助現(xiàn)有的天然氣管道進行氫氣輸送，這也是目前國內(nèi)外普遍接受的氫能長距離輸送方案之一[6-10]。

由于氫氣特殊的理化性質(zhì)，氫氣的摻入會對現(xiàn)有的天然氣管道、管道設(shè)備以及末端應(yīng)用設(shè)備產(chǎn)生一定的腐蝕作用，即因“氫脆”現(xiàn)象，而導(dǎo)致設(shè)備的壽命縮減。因此各國對天然氣中氫氣含量要求較為嚴(yán)格，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定也比較謹(jǐn)慎[11]，目前我國尚無摻氫天然氣的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，僅在《進入天然氣長輸管道的氣體質(zhì)量要求》GB/T 37124—2018中規(guī)定，進入長輸管道的氣體含氫氣的摩爾比應(yīng)小3%[12]，國外目前已投入運行的摻氫天然氣示范項目摻氫比例在10%～20%[13]。氫氣的物性與天然氣存在較大的差異，氫氣的加入會使得天然氣的密度和黏度以及臨界溫度降低，但會使氣體臨界溫度上升[14]，Li 等[15]基于狀態(tài)方程計算發(fā)現(xiàn)隨摻氫比的增加，氫氣的焦耳-湯姆遜效應(yīng)系數(shù)近似線性減小，并通過實驗驗證了這一結(jié)論。對于管道輸送而言，摻入氫氣會改變輸送特性研究表明，較少的氫氣[體積分?jǐn)?shù)（<5%～15%）]與天然氣混輸有一定可行性，并且不會顯著增加輸運風(fēng)險，危及現(xiàn)有天然氣管道的耐用性和完整性[6,16-18]。另有研究者通過計算表明，氫氣的摻入會增加節(jié)點的體積流量，管道的輸氣效率下降、離心壓縮機的性能降低[6,15-17]，管道內(nèi)的壓降減少、管輸流量有所增加[15,19-20]；黃明等[20]提出輸氣功率的概念用以反映管道輸送能量的能力，認(rèn)為氫氣加入后需通過提高輸送壓力來保證管道的輸氣功率不變；Zhang 等[21]通過建立數(shù)學(xué)模型分析了摻氫對高壓和中壓長距離輸氣管道以及簡單輸氣管網(wǎng)的影響，結(jié)果表明中壓輸氣管道的運行特性受摻氫比影響更明顯；王瑋等[22]和朱建魯?shù)萚23]分別使用HYSYS 軟件和SPS 軟件研究了氫氣的混入對天然氣管道和壓縮機運行工況的影響，以及摻氫對天然氣管道輸量、壓力以及儲氣調(diào)峰等的影響，建立了摻氫天然氣管道動態(tài)仿真模型。

我國天然氣管網(wǎng)管道規(guī)模大且分布范圍廣，向已有的天然氣管網(wǎng)摻入氫氣，是一種可行性較高的氫能輸送方案?，F(xiàn)有有關(guān)摻氫輸送的研究中，考慮到安全性及現(xiàn)有末端設(shè)備對摻氫天然氣的適應(yīng)性，所涉及的摻氫比一般低于30%，但隨著氫終端分離技術(shù)的進步和各摻氫、純氫管道示范項目的開展，摻氫比例范圍比較寬泛，例如英國HyDeploy 項目中向用戶以20%的摻氫比運行仍具有較高安全性，并計劃將金屬管道替換為非金屬管道以適應(yīng)更高的摻氫比[8]。此外，在管道運行過程中也不可避免一定時段內(nèi)出現(xiàn)高濃度氫輸送的情況，這些都要求在對混合氣長輸過程中較高摻氫比例下壓力、溫度以及局部物性變化對動態(tài)輸運過程有深入認(rèn)識。

1 摻氫天然氣物性的快速計算

天然氣等氣體在管道中輸送時，其密度（ρ）、黏度（η）等物性參數(shù)會隨管道內(nèi)當(dāng)?shù)貕毫?、溫度的變化而改變。BWRS方程在計算非極性或弱極性的輕烴類氣體及其混合物時精度較高[24-25]，因而在天然氣物性計算中經(jīng)常使用，如式(1)。

式中，p為氣體壓力，kPa；T為氣體溫度，K；ρ為氣體摩爾密度，kmol/m3；R為理想氣體常數(shù)；A0、B0、C0、D0、E0、a、b、c、d、α、γ為方程中的參數(shù)。

使用BWRS方程進行物性計算時會涉及方程迭代求解[26]，進行管道輸送模擬時，計算程序會頻繁調(diào)用物性計算程序，在計算一段劃分為200個微元的管段時，物性模塊調(diào)用的次數(shù)約在104量級，計算耗時占總計算耗時的20%以上，在進行規(guī)模更龐大、精度要求更高的管道計算時，這一數(shù)字會呈指數(shù)式增加，造成大量的計算資源消耗并導(dǎo)致計算耗時大幅度增加。為了在不損失計算精度的同時提高計算效率，有學(xué)者提出了隱式擬合、顯式求解的計算思路[26-29]。假定u為某一物性參數(shù)，本文采用如式(2)計算形式的快速計算公式[28]。

式中，a1～a11為待擬合系數(shù)；下角標(biāo)c 表示氣體的臨界參數(shù)。對于壓力范圍為0.1～40MPa、溫度范圍為200～300K 的甲烷氣體，見表1，與BWRS方程相比，快速計算公式在計算密度、熱導(dǎo)率、黏度、比定壓熱容時誤差小于1.2%，最大誤差出現(xiàn)在上述溫度、壓力范圍的邊界處，而在壓力范圍為2～10MPa、溫度范圍為220～300K 的天然氣管道輸送參數(shù)下計算誤差小于0.5%，計算精度較高，而計算速度可以提高17倍以上。

表1 快速計算公式計算精度與速度對比

選取原始組分如表2所示的天然氣，計算氫氣摻入對天然氣物性的影響。圖1(a)、(b)為10MPa、20℃下天然氣混合物的部分物性隨摻氫比例的變化圖，摻氫比例為0～100%（摩爾分?jǐn)?shù)），由圖1 可知，隨著摻氫比例的增加，混合氣的黏度、密度以及體積熱值下降，與未摻氫時相比，摻氫比例為50%時，混合氣的黏度、密度以及高熱值分別下降了20.6%、54.1%、35.2%；比熱容隨摻氫比例的增加而增加，與未摻氫時相比，摻氫比例為50%時，混合氣的比熱容增加30.8%。圖1(c)為混合氣體壓縮因子（Z）隨摻氫比例的變化圖，隨摻氫比例的增加，混合氣體的壓縮因子增大，更難以被壓縮，摻氫比例超過40%左右后Z>1。

圖1 天然氣部分物性隨摻氫比例的變化曲線

表2 天然氣組成參數(shù)

在長距離輸送中，氣體焦耳-湯姆遜效應(yīng)系數(shù)對管道內(nèi)氣體溫降的影響較大，圖1(d)為10MPa、50℃時摻氫天然氣的焦耳-湯姆遜效應(yīng)系數(shù)μJ-T隨摻氫比例的變化曲線，氫氣的μJ-T為負(fù)值，隨著摻氫比例的增加，輸送氣體的焦耳-湯姆遜效應(yīng)系數(shù)也隨之下降，當(dāng)摻氫比例大于50%左右時，混合氣體的μJ-T變?yōu)樨?fù)值。

2 摻氫天然氣管道輸送的數(shù)學(xué)模型

天然氣輸送需滿足質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程。輸運管道長度的數(shù)量級遠(yuǎn)高于其直徑，因此天然氣在管內(nèi)流動過程可簡化為一維流動過程，其控制方程如式(3)[30-31]。

式中，w為管道內(nèi)氣體流速，m/s；d為管道內(nèi)徑，mm；θ為管道傾斜角，(°)；λ為摩擦阻力系數(shù)；k為總傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；T0為環(huán)境溫度，K。摩阻系數(shù)λ由Colebrook公式計算得出；總傳熱系數(shù)考慮了管內(nèi)和管外對流以及管道徑向?qū)嵊绊懀粴怏w相關(guān)的物性參數(shù)由前文所述的快速計算公式得出。

天然氣在管道中的輸送過程是一個多參數(shù)耦合的過程，采用質(zhì)量、動量守恒方程與能量守恒方程解耦求解方法可以簡化計算過程[32-33]，先求解質(zhì)量和動量守恒方程，間隔一個時間步求解能量守恒方程，再將求解的熱力學(xué)參數(shù)插入質(zhì)量和動量守恒方程進行下一步計算，計算流程如圖2所示。

圖2 控制方程解耦計算流程

對方程組(3)進行線性化處理[31,34-36]，可得到線性化后的控制方程形式，如式(4)。

式中，B、G、F、U表示上一時間層的參數(shù)，選取密度、流速作為基礎(chǔ)求解變量[31]求解。對質(zhì)量和動量守恒方程的非穩(wěn)態(tài)項采用向前差分格式進行離散，對流項采用中心差分法進行離散；對能量方程的非穩(wěn)態(tài)項采用向前差分格式進行離散，對流項則采用一階迎風(fēng)格式進行離散以避免由于流向引起的能量方程穩(wěn)定性問題。經(jīng)過以上處理后，可以避免當(dāng)前時間步中由未知參數(shù)帶來的大量迭代運算，采用BTDMA算法和TDMA算法[37]直接求解。

圖3為此方法計算結(jié)果與文獻報道的對比，文獻[38]中天然氣管道長度為18.5km、外徑0.4m，管道入口邊界為變化的壓力邊界，出口為流量邊界，入口壓力計算結(jié)果圖3(a)所示；選取文獻[39]中的長輸管道進行長距離輸送驗證，在該計算中管道長度240km、管道外徑為1422mm，沿程壓降對比如圖3(b)所示；此外，圖3(c)對比了文獻[22]中的摻氫天然氣管道壓降數(shù)據(jù)，其管道長度為61km、外徑0.406m、管道入口壓力2.0MPa、管內(nèi)流量為50000m3/h，計算結(jié)果最大偏差0.8%，平均偏差0.2%。

圖3 計算結(jié)果與文獻數(shù)據(jù)對比

3 管道摻氫輸送的運行特性

選取西氣東輸二線干管管道作為研究對象，長度200km、管道外徑為1219mm、壁厚22mm，材料為X80 鋼[40]，天然氣原組分同表2。管道采用埋地敷設(shè)的敷設(shè)方法，敷設(shè)深度1.5m。

設(shè)管道入口壓力10MPa、出口壓力7MPa，管道入口溫度50℃，摻氫比例對管輸流量影響的計算結(jié)果如圖4所示。管道的體積流量隨摻氫比例的增加而增加，而質(zhì)量流量隨摻氫比例的增加而減少，與未摻氫時相比，摻氫比例達(dá)到30%時，體積流量增加了23.5%，質(zhì)量流量減少了30.9%，原因是隨著氫氣的摻入，混合氣的黏度與密度均減小，在同樣的壓降下，管輸體積流量得以增加，而質(zhì)量流量則隨摻氫比例的增加而減小。

圖4 管輸流量隨摻氫比例變化曲線

由于燃?xì)饨K端用戶利用的往往是輸送燃?xì)庵械臒嶂?，而氫氣的加入會使得混合氣的體積熱值降低，管道輸送能量[17,20,41-42]發(fā)生變化，管道的能量流量Φ與燃?xì)鉄嶂岛腕w積流量有關(guān)，如式(5)。

Φ=EHHVV? (5)

式中，Φ為管道的能量流量，MJ/h；EHHV為摻氫天然氣的體積高熱值，MJ/m3；V?為摻氫天然氣標(biāo)準(zhǔn)體積流量，m3/h。

從圖5可以看出，在摻氫比例小于85%左右時，管道的輸氣功率隨摻氫比例的增加而減小，而摻氫比例大于85%時，管道的能量流量略有回升，這是由于管道內(nèi)的體積流量迅速增加，如圖4所示，在同樣的管道壓降下，純氫氣的體積流量相比摻氫比例30%的混合氣體積流量增加了50%，但熱值降低了60%，流量的增加無法抵消熱值降低的影響。

圖5 混合氣的能量流量隨摻氫比例的變化曲線

天然氣管道的沿程溫度變化會受摻氫比變化的影響，圖6為管道溫度隨摻氫比例的變化。從圖中可以得知，當(dāng)環(huán)境溫度低于管內(nèi)氣體溫度時，氫氣的加入會使天然氣管道的沿程溫降減小。

圖6 混合氣溫度隨摻氫比例的變化曲線

管道輸氣溫度變化常用舒霍夫公式[43]進行分析，如式(6)。

根據(jù)物性計算結(jié)果，隨著摻氫比的增加，混合氣體的焦耳-湯姆遜效應(yīng)系數(shù)μJ-T減小。圖7比較了分別使用固定值μJ-T=2.5℃/MPa 時獲得的管道出口溫度與使用實際μJ-T值獲得管道出口溫度，以及沿程分布參數(shù)仿真管道出口溫度的計算結(jié)果。因摻氫影響了焦耳-湯姆遜效應(yīng)系數(shù)而導(dǎo)致輸氣管道溫降變化比較明顯，摻氫30%的混合氣相比未摻氫時管道出口處天然氣溫度高5.7℃。由于天然氣的焦耳-湯姆遜效應(yīng)系數(shù)為正值，長距離輸送的混合氣在管道末端溫度可能低于環(huán)境溫度，極端狀態(tài)下會帶來冰堵風(fēng)險；而摻氫輸運則削弱了天然氣的冷卻效應(yīng)。

圖7 不同摻氫比例下的管道出口溫度變化

為比較管道直徑對摻氫輸送的影響，選取4種已在典型場景中有所應(yīng)用的不同管徑管道進行模擬計算，具體參數(shù)見表3。

表3 典型長輸管道參數(shù)

計算結(jié)果如圖8所示。結(jié)果表明，在不同的管徑下，隨著管內(nèi)摻氫比例的增加，管內(nèi)體積流量和出口溫度均隨摻氫比例的增加而增加，這表明在不同的管道直徑下，摻氫對于管道運輸特性的影響規(guī)律相同。在管道壓降一致的情況下，管內(nèi)流量和管道出口溫度隨管徑的增加而增高。

圖8 管徑對摻氫天然氣管道輸送特性的影響

埋在地面以下長輸管道的輸運特性受地面溫度變化可能產(chǎn)生一定影響。圖9(a)、(b)顯示了地面溫度從-30℃變化至50℃對管內(nèi)流量及能量流量的影響，根據(jù)計算結(jié)果，輸運流量變化幅度小于1%，地面溫度對管道內(nèi)的流量影響不明顯，而且對應(yīng)的能量流量受地面溫度的影響也較小。圖9(c)為管道出口溫度受地面溫度變化的影響，在相同的摻氫比例下，地面溫度每升高20℃，管道出口溫度升高約5℃。

圖9 地面溫度對摻氫天然氣管道輸送特性的影響

摻氫比例對管道輸運壓降特性也有影響，在管道入口壓力10MPa、輸送氣體體積流量為2×106m3/h，天然氣摻氫摩爾比0～100%，地面溫度15℃的條件下，管內(nèi)摻氫天然氣的壓降特性曲線如圖10所示。隨著天然氣中摻氫比例的增加，管道內(nèi)的壓降減少，相比于未摻氫時的壓降，摻氫比例為50%時，出口壓力降低了17.6%；輸送純氫時管道的出口壓力降低了36%，主要原因是隨摻氫比例的增加，管內(nèi)平均雷諾數(shù)降低，從而使摩阻系數(shù)λ減小，管內(nèi)混合氣體的壓力損失減少。

圖10 恒定體積流量時摻氫天然氣管道的壓降特性

天然氣在進行長距離輸運時，輸氣管道內(nèi)會存儲一部分氣體，這部分天然氣稱為管道管存，是衡量天然氣管道儲氣能力和調(diào)節(jié)能力的指標(biāo)之一，其定義式為Vs=piVZNTN/pNZTi[44]，圖11中，管存隨著摻氫比例的增加而降低，即一定程度降低了管網(wǎng)的調(diào)節(jié)能力。而當(dāng)入口壓力提高時，管存會有一定增加，因而可以通過適當(dāng)提高管道入口壓力的方法抵消摻氫帶來的管存下降問題。

圖11 摻氫比例對管存的影響

天然氣摻氫后混合氣體熱值會發(fā)生改變，當(dāng)下游對熱值的需求量為Φ=100×106MJ/h時，管輸流量隨摻氫比例的變化如圖12(a)所示，管道出口壓力隨摻氫比例的變化曲線如圖12(b)所示。當(dāng)摻氫比小于85%左右時，管道的出口壓力隨摻氫比例的增加而減小，當(dāng)摻氫比例大于85%時，管道出口壓力略有回升。要確保下游用戶對能量的需求，摻氫天然氣應(yīng)需要適當(dāng)提高管道輸氣壓力，避免末端用戶供氣壓力不足。

圖12 輸氣功率不變時天然氣管道輸送特性

4 結(jié)論

本文針對摻氫天然氣長輸管線輸運特征進行了建模計算和分析，結(jié)論如下。

（1）氫氣的加入會使天然氣的物性發(fā)生明顯變化，隨著摻氫比的增加，天然氣的黏度、密度以及體積熱值下降，比熱容及壓縮因子隨之增加；在計算中使用快速計算公式代替BWRS公式進行物性計算，可以避免大量迭代計算造成的計算性能損失。

（2）在管道壓降不變的情況下，隨著天然氣中摻氫比例的增加，天然氣的管輸體積流量增加、質(zhì)量流量減小，管道的輸氣功率隨摻氫比例的增加先減小，在高摻氫比則略有增加；在入口壓力和管內(nèi)流量確定時，隨摻氫比例增加，管道內(nèi)壓降減少，管道的管存降低，使管道的調(diào)節(jié)能力有所下降。

（3）摻氫天然氣管道溫降主要是由于管道壓降引發(fā)的焦耳-湯姆遜效應(yīng)，氫氣的加入削弱了天然氣的冷卻效應(yīng)，使管道的沿程溫降減小，降低了天然氣在閥門處因降溫形成阻塞風(fēng)險。隨著氫氣比例的增加，摻氫天然氣混合物的焦耳-湯姆遜效應(yīng)系數(shù)下降，在摻氫天然氣溫降計算中，考慮實際焦耳-湯姆遜效應(yīng)系數(shù)變化能更加準(zhǔn)確獲得溫度變化特征。

（4）地面溫度對不同摻氫比例的天然氣管道帶來的溫度影響規(guī)律基本一致，在摻氫比例相同的條件下，地面溫度每升高20℃，管道出口溫度升高約5℃；地面溫度對于管輸流量和能量流量影響較小。

（5）氫氣的加入會使摻氫天然氣混合氣的熱值降低，在保證管輸能量流量的情況下，管道出口壓力會出現(xiàn)下降，為確保下游用戶對燃?xì)饽芰康男枨螅瑩綒涮烊粴鈶?yīng)適當(dāng)提高管道輸氣壓力，保證下游用戶對用氣壓力的需求。

符號說明

cp—— 定壓比熱容，kJ/(kg·℃)

d—— 管道內(nèi)徑，mm

EHHV—— 燃?xì)怏w積高位熱值，MJ/m3

H—— 管道埋深，m

k—— 總傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)

Ke—— 管壁粗糙度，μm

L—— 管道長度，km

m? —— 質(zhì)量流量，kg/s

p—— 氣體壓力，MPa（BWRS方程中單位為kPa）

R—— 理想氣體常數(shù)，8.314kJ/(kmol·℃)

Re—— 雷諾數(shù)

T—— 溫度，℃（BWRS方程中單位為K）

t—— 時間，s

V?—— 體積流量，m3/h

w—— 流速，m/s

α—— 對流傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)

δ—— 管壁厚度，mm

η—— 黏度，μPa·s

θ—— 管道傾角，rad

λ—— 熱導(dǎo)率，W/(m·℃)

μJ-T—— 焦耳-湯姆遜效應(yīng)系數(shù)，℃/MPa

Φ—— 能量流量，MJ/h

ρ—— 密度，kg/m3（BWRS方程中單位為kmol/m3）

下角標(biāo)

0 —— 環(huán)境參數(shù)

c —— 臨界點參數(shù)

in —— 管道入口

N —— 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，0.1013MPa，20℃

out —— 管道出口