甲烷添加对氢气燃爆特性的影响

氢气掺混少量烃类气体有助于降低氢气储运和应用中燃爆风险。本文采用定容燃烧弹研究了甲烷掺混对氢气可燃极限和燃爆特性的影响规律,并对宽广当量比下富氢/甲烷/空气预混气以及纯氢气在空气中的燃烧爆炸特性开展对比研究。结果表明,随着甲烷添加量增加,可燃范围呈指数式降低,仅添加10%甲烷就能够使浓燃极限下降22.9%。但添加10%甲烷后,层流燃烧速度降低,化学计量比下爆炸时间增长20倍,热损失增大,导致最大爆炸压力略有降低,最大压力升高率显著降低。结合火焰发展的纹影图片分析可知,添加甲烷能够减弱可燃气燃爆危险性,不仅受层流燃烧速度降低的影响,还与火焰面裂纹和细胞状结构的减弱有关。

     

长距离管道纯氢与天然气掺氢输送技术专题序

<正>氢能利用涉及到制氢、储氢、输氢、用氢等全产业链。作为我国绿氢主要产地的风光大基地集中于“三北”地区,而氢气消费大户却主要分布在东部特别是沿海地区,绿氢生产和消费空间错配,客观上要求大规模储运调配以有效衔接供需。然而,当前氢能储运成本约占到“制储输用”全产业链总成本的30%～40%,已成为制约其发展的核心问题。氢能储运模式中,长距离管道纯氢与天然气掺氢输送是实现氢能大规模、网络化输送最有潜力的技术,尤其是利用已有天然气管网进行少量改造实现天然气掺氢输送,更能节约大量基础设施建设费用。     

天然气掺氢管道输运及终端应用

氢能是最有潜力的碳中和清洁能源载体,天然气掺氢在管道输运和终端应用方面具有优势。本文调研了国际上具有代表性的天然气掺氢研究及示范项目,分析了天然气掺氢管道输运和终端应用的可行性和经济性。研究结果表明：低比例的氢气（20%体积比以内）加入天然气管网系统中并不会明显增加相关事故风险及危害,对系统进行轻微改造的情况下最高可以允许50%体积比氢气加入天然气管网系统。通过经济性分析核算了天然气掺氢的成本,给电厂进行天然气掺氢提供参考。鉴于各个国家在天然气成分、管道条件和管道材料上的不同,我国应根据实际的管路、气体具体情况开展对于天然气掺氢的分析研究。

     

掺氢天然气在燃气锅炉和灶具中的回火风险分析

掺氢天然气随已有管网输送到用户燃烧利用,是低成本大规模利用氢能的方式之一。掺氢比变化会影响燃烧设备运行参数,使设备回火特性发生变化。因此,本文定义参数β定量比较预混气体未燃侧流速和火焰传播速度的变化幅度大小,以表征设备回火风险。通过实验数据校核,当β < 0.6时,实际燃烧设备发生回火的风险显著增加;掺氢后燃气灶具（0.2 < β < 1）相比于预混的燃气锅炉（0.95 < β < 1.4）更容易发生回火,维持其安全运行所耐受的掺氢比更低。

     

纯氢管道输氢技术发展现状与分析

利用管道输送氢气,能够实现氢气低成本、大规模、长距离输送,但纯氢管道的发展面临技术与经济方面的挑战。本文给出了管道输氢评价指标,总结了国内外纯氢管道的发展现状,探讨了管道输氢面临的技术挑战与经济性影响因素。纯氢管道大规模发展具备技术可行性,建设与运行成本也将大幅下降。随着氢能产业的快速发展,管道输氢将成为最高效、最经济的氢气输送方式。建议结合我国实际情况,统筹规划纯氢管网布局,制定管道输氢标准规范,建立安全监管与应急决策平台,搭建运营管理体系,逐步推动管道输氢产业化发展。

     

基于FLUENT模拟的储罐掺氢装置掺混过程及掺氢比对管道运行参数影响研究

由于天然气与氢气的物性差异,氢气掺入天然气管网后会改变管线内气体物性条件,掺混均匀程度以及掺氢比均会对管道、设备的性能带来不同程度的影响。储罐是输气管线中最常见的组件,本文以储罐为基础提出了单管分级掺氢、多管多汇单次掺氢两种掺氢方案,并采用FLUENT软件建立储罐模型进行动态掺混仿真,结果表明单管分级掺混方案相较于多管多汇单次掺混方案能取得更好的掺混效果。为了探究不同掺氢比气体通过单管单汇方案储罐和以上两种掺氢方案对管道运行的影响,本文采用HYSYS软件分别建立对应工艺流程模型进行工艺模拟,结果表明,三种方案的储罐内压力排序为：多管多汇单次掺氢>单管单汇储罐>单管分级掺氢;此外,随掺氢比增加,管道压力和温度增大,而压降、温降减小。总体而言,本文提出的基于储罐的掺氢方案具有结构简单、加工方便、成本低、掺混效果和掺氢比适应性相对较好等优点,此外不同掺氢比下HYSYS工艺模拟结果对于掺氢管线的运行分析也有参考意义。     

超声波流量计对掺氢天然气管路结构的适应性研究

氢气作为全球脱碳目标的重要载体,输送量是限制其大规模应用的主要瓶颈。掺氢天然气是实现大流量输送氢气的一种重要途径。氢气的掺入导致流速畸变,降低超声波流量计的性能。以掺入氢气的甲烷为主要工质,对8种类型掺混管路内部的气体流动状态进行模拟仿真研究,分析流场内气体速度和氢气浓度的分布状态;并对超声波流量计的适应性进行分析,确定其推荐安装位置。在超声流量计的适应性分析中,三匝螺旋管时仅需15D;对于单螺旋结合变径管的适应性影响更大,最小需要96D。通过比较,掺混管路C为最佳模型,掺混均匀时的氢气摩尔分数约为3.9%。可为超声波流量计在掺氢天然气准确计量方面提供参考。

     

家用燃气具对掺氢天然气的适用性评估与示范应用

氢能作为一种最具潜力的清洁能源,具有燃烧速率快和转化效率高等优点,可将其与天然气掺混作为工业、商用或民用燃具燃料使用。国际上多个国家相继制定天然气掺氢应用于居民用户的计划,并开展示范验证。本文基于掺氢天然气燃烧特性参数理论分析计算,并参照相应国家标准,通过实验测试的手段论证家用燃气具使用掺氢天然气的适应性和安全性,以此分析家用燃气具在不做任何调整的情况下可以承受的掺氢比例。

     

掺氢天然气长距离管道输送安全关键技术与进展

利用天然气管输系统混输氢气,能实现氢气大规模、低成本、长距离输送,但掺氢混输带来更严峻的安全、技术挑战。本文围绕输送工艺及关键设备、管材相容性与寿命预测、泄漏监测检与风险评估、标准体系建设几项关键技术,探讨掺氢天然气长距离管道输送的安全问题。建议统筹规划输送网络,改进关键管输工艺与设备,建立输运协同应急与智慧决策大数据平台,制定掺氢天然气管道输送规范标准,逐步开展掺氢天然气输送技术应用示范。

     

天然气随动掺氢技术研究进展

氢气是一种零排放的二次能源,是实现“双碳”目标的重要能源之一。采用在役天然气管道或管网输送掺氢天然气,是实现氢气大规模输送的有效方式。精确控制进入输送系统的掺氢比例对系统安全运行具有重要意义。本文介绍了电气式和机械式随动掺氢系统的结构与原理;分析了红外吸收型、热传导型、半导体型浓度传感器和相应的综合测量系统在掺氢比动态调整中的应用;重点评述了目前3个重要在役天然气掺氢示范项目中随动掺氢系统的组成和运行结果;基于工程实践经验展望了天然气掺氢技术的发展趋势。

     

涉氢环境机械部件的摩擦学研究现状

氢气作为一种清洁、高效、可持续的二次能源,在未来我国终端能源体系占比至少10%,以氢能作为汽车和飞机动力学系统燃料的研究成为热点. 机械运动部件表界面与氢介质将发生复杂的物理化学反应,影响着机械运动接触面的摩擦学行为,使役过程中氢致疲劳、磨损及腐蚀失效行为,严重制约着机械动力部件运行稳定性、可靠性和安全性. 本文中重点调研了国际上氢气气氛环境下机械运动部件材料的摩擦磨损行为研究进展,总结了氢气环境下聚合物基、陶瓷基、金属基及低维度固体颗粒材料的摩擦磨损行为及其损伤失效演变规律,进一步阐述了摩擦工况下氢气和其他气体介质共存与使役材料的摩擦学行为之间的关联性. 从摩擦学角度提出了抑制氢致损伤的可行性关键技术及防护材料,并对未来涉氢机械部件服役安全性的科学问题进行了展望.      

开放空间H2/CH4/空气爆炸实验与数值模拟研究

近年来氢的使用范围逐渐发展到各个领域, 含氢多元混合物气体在工业生产及生活燃料中被普遍使用. 为了保障含氢气体在生产、运输、使用等各个环节的安全性, 构建了开放空间混合气体爆炸测试实验系统, 研究了H₂/CH₄/空气混合气体爆炸压力及火焰传播特性, 给出了不同氢摩尔分数(100%, 75%, 66.67%, 50%, 33.33%)、混合气体当量比(0.8, 1.0, 1.1, 1.2, 1.4)、可燃云团尺寸(1 m3, 4 m3, 8 m3)及障碍物约束等因素对混合气体爆炸压力及火焰的影响规律. 基于经典TNT当量法, 建立了考虑混合气体组分比及可燃云团尺寸的最大爆炸超压预测模型, 修正了爆炸火焰传播半径理论模型. 结合高精度数值模拟技术揭示了加气站内建筑结构对混合气体爆炸的影响. 研究表明, 氢气的加入能够明显增强气体爆炸强度, 最大爆炸超压、火焰传播速度均随氢摩尔分数的增加而增大, 随当量比的增大先增大后减小, 当量比为1.1~1.2时最大; 通过对大尺度混合气体爆炸数值仿真与分析发现, 加气站内不同建构筑物条件下爆炸火焰传播距离、传播速度、最大爆炸超压等关键参数明显不同, 顶部和背部同时约束时, 爆炸伤害范围及事故后果最严重, 因此在划定加气站安全距离时, 应充分考虑不同建筑结构的影响.      

储氢长管拖车隧道燃爆事故演化机理研究

储氢长管拖车在城市公路隧道运输时突发异常状况将导致氢气泄漏和燃爆事故,本文通过构建储氢长管拖车隧道事故模型,基于隧道内氢气泄漏浓度、冲击波和温度场等特性参数分析,阐明燃爆事故演化规律和毁伤机理。研究表明,泄漏氢气在隧道口呈竖向羽流扩散,而隧道内扩散时会在一定区域积聚。氢气燃爆处驻留车辆和设备构成边界约束条件,将增强爆炸冲击波的传播速度和峰值超压。此外,冲击波与火焰形成耦合效应,进而增强了破坏后果。

     

管长对带弯头管道内可燃预混气体爆炸规律及薄壁动态响应的影响研究

基于气云燃爆实验平台,开展了不同长度弯曲管道内丙烷-空气预混气体燃爆实验测试与分析,探索管道长度对弯曲管道内可燃气体燃爆特性及爆炸冲击波对管道薄壁加载效应的影响。实验分别采用光电传感器、压力传感器和应变传感器对管道内爆炸参数和管道薄壁的应力应变规律进行了测试,结果表明,管道越长,弯曲段两侧壁面超压和管壁最大应变越大,压力时程曲线与管道薄壁应变时程曲线具有良好的一致性;弯管一定程度上激励了火焰加速传播,火焰传播速度在90°拐点处降至最低;管道长度对管道内火焰燃爆规律的影响是整体的,管道长度越长,管内压力和火焰速度越大,最大爆炸压力出现在管道末端,冲击波对管壁的加载属于动态加载。     

用环形激波聚焦实现爆轰波直接起爆的数值模拟

利用基元反应模型和有限体积法对环形激波在可燃气体中聚焦实现爆轰波直接起爆进行了数值模拟。研究结果表明,标准状态下的氢气-空气混合气体在马赫数为3.1以上的环形激波聚焦产生的高温高压区作用下会诱发可燃气体的直接起爆形成爆轰波,爆轰波与激波和接触间断相互作用产生了复杂的波系结构;爆轰波爆点位置在对称轴上并不是固定的点,而是随着初始激波马赫数的变化而发生移动;可燃气体初始温度和压力对起爆临界马赫数都有影响,但是初始温度的影响大得多。     

天然气掺氢在管道流动中的氢浓度分布

天然气掺氢是解决氢气产地与使用地不匹配,进而实现氢气大规模、远距离输送的主要方法。由于氢气的存在会导致在役天然气管道出现氢脆引起安全事故。所以,研究天然气掺氢管路中氢气组分、速度、聚集的规律分析十分必要。本文选用天然气和氢气两种工质,构建T型掺混管路模型和变径管路模型;并基于Fluent软件对T型掺混管路和10种变径掺混管路进行数值模拟研究。结果表明,对于T型掺混管路,在管长是管径35倍处内依然有明显分层,宽度占据1/3管径。对于变径掺混管路,发现变径越靠近掺混中心、直径越窄、高度越低越容易发生氢气富集,氢气摩尔分数最高达到50%～60%,易引起管道的氢脆。研究结果可对天然气掺氢在管道中流动的氢浓度分布和管道变径选取提供参考。     

掺氢比对甲烷-氧气爆轰特性的影响

含氢多组分燃料由于其优良的燃烧特性逐渐成为研究关注的重点。为了对掺氢燃料的爆轰特性作进一步的研究,设计了长3 000 mm、管径30 mm的圆柱形半封闭燃烧室,对不同初压下的CH₄-2O₂、6CH₄-H₂-12.5O₂、3CH₄-H₂-6.5O₂（掺氢比分别为0%、5.1%、9.5%）3种预混合气的爆轰特性进行了实验研究,并采用烟熏膜、离子探针和压力传感器分别探测胞格结构、火焰位置和内部压力。结果表明,甲烷/氧气掺氢后可以有效提高爆轰波的传播速度,且掺氢浓度越高,传播速度越快;同时,氢气的掺入可减少管道出口处的速度亏损并在初始压力较低时加速火焰和激波的耦合,降低胞格尺寸,提高爆轰敏感性。

     

含CO2天然气的可燃极限与燃爆压力

采用改进的Hartmann管作为测试主体测试了室温常压下含CO2天然气的可燃极限和燃爆压力, 得到了含CO2天然气在三角坐标系下的可燃性图表和燃爆压力的变化规律。研究表明:与纯天然气相比,含 CO2天然气可燃范围缩小,燃爆威力降低;当泄漏天然气与air的混合物中CO2的体积分数超过13.86%时, 混合气体将失去燃爆性;处于燃爆范围的CH4/air/CO23组分混合气体,燃爆压力随CO2与CH4体积分数比 的增大而减小。     

大型浮顶式储油罐的爆炸破坏机理实验

利用可燃气体爆轰实验装置,通过乙炔/空气混合气体沿管道稳定爆轰后形成的冲击波对浮顶式储油罐模型的冲击实验,分别测得模型壁面上的超压荷载、动态应变及振动加速度时程曲线.通过对比分析,研究了大型浮顶式储油罐在爆炸冲击荷载作用下的动态响应特性及其破坏机理.在可燃气体爆炸荷载作用下,储罐结构在变形过程中诱发罐内液体产生压缩波并...     

点火条件对密闭管道内预混氢气/空气燃爆特性的影响

基于流体动力学软件Fluent,开展数值模拟,研究点火位置（距管左端壁面100、200和500 mm）、点火温度（1 000、1 500和2 000 K）和点火面积（管左端壁面处半径为50、35和20 mm的点火域）等点火条件对1 000 mm密闭管道中预混氢气/空气（H₂/air）燃爆特性的影响。研究表明:点火位置距管左端壁面越远,中间节点处温度越高,温升越快;不同点火温度下管内最高温升速率基本同步,且提高点火温度,使得燃烧反应更剧烈,能提高管内气体温升速率,但却降低管内的压力峰值;点火面积越小,预混H₂/air燃烧前期温升越快。当采用半径为35 mm的点火域和点火位置距管左端壁面100 mm的点火方式时,预混H₂/air燃爆的各项参数相对较高。不同点火条件对密闭管内气体的动能和内能的影响规律类似于其对管内气体的流速和温度的影响规律,而对涡量的影响不明显。