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。     

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。     

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。

     

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。

     

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。

     

掺氢可燃气体燃爆特性研究进展

随着全球新能源产业的快速发展,氢能因其高效、无污染、可持续的特点而备受关注,但由于氢气的固有特性很难保持其安全性,因此安全问题一直是氢能利用的重中之重。本文以氢气的安全利用为背景对掺氢可燃气体燃爆特性的研究进展进行了系统总结,首先介绍了掺氢可燃气体的燃爆机理,然后讨论其最小点火能、燃爆极限及其火焰行为特性,最后强调了掺氢可燃气体在能源利用中的重要意义及未来的发展方向。

     

掺氢天然气管道完整性评价技术的进展与挑战

“双碳目标”背景下,我国积极推进掺氢天然气管道发展,本文总结了国内外掺氢天然气管道完整性评价方面的研究进展与挑战,得到主要结论如下。（1）现有金属材料相容性试验结论不明确,亟需制定国际统一的金属材料掺氢相容性试验标准;掺氢后管材、焊缝性能劣化规律不清晰,需系统地开展相关试验,揭示其氢损伤机理。（2）天然气管道非金属密封材料在氢环境中的密封性能及力学性能尚不明确,亟需开展相关试验以探索其性能规律;工程上缺乏高性能的非金属输氢管道,需研发低渗透耐侵蚀的输氢管材。（3）现有无损检测技术对掺氢后天然气管道的适用性研究不足,需改进或研发更高精度的无损检测工具以满足掺氢条件下对缺陷检测精度的要求。（4）掺氢天然气管道缺陷适用性评价方法研究仍处于初级阶段,需要以丰富的试验数据为基础开展耦合考虑氢介质与应力状态的管材微观损伤本构研究,完善掺氢天然气管道缺陷适用性评价方法。本文可为掺氢天然气管道安全保障相关研究提供参考。

     

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。

     

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。     

富氢天然气家用燃气具研发

富氢天然气家用燃气具是“氢进万家”战略实施的关键终端产品。本文介绍了万和公司的富氢天然气家用燃气具研究和开发工作,主要解决了确定界限气特性,并对材料相容性、泄漏控制、低应力控制、富氢就绪等问题,明确了满足掺氢比例为0～20%的富氢天然气适应性要求的技术措施和实施方案。同时,万和公司的富氢天然气家用燃气具研发成果,为富氢天然气的规模化应用提供了具有合理技术经济性的“富氢就绪”方案。

     

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。

     

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。

     

基于PIV测量的超声波流量计内流场特性研究

采用PIV(Particle Image Velocimetry)测量手段,考察了小口径超声波流量计的流动特性。首先针对前端安装直管段时,不同流量条件下的流场特性建立基本认识,实验结果表明,在低流量条件下,流量计内流场存在明显的不稳定演变和非定常流动特征。进一步以上游前端安装球阀为典型案例,考察了安装条件对超声波流量计响应特性和测量偏差的影响。结合直管段的实验观测结果,发现此种结构超声波流量计的适应性与其流场非定常性的关系具有很好的一致性,即流场结构稳定则适应性强。此外,综合多参数的实验结果表明,雷诺数是判断小口径超声波流量计测量准确性的重要无量纲参数。     

掺稀采油管内稠油流速径向分布特性研究

考虑稠油(幂律流体)与稀油(牛顿流体)层间扩散、相间作用力、掺混粘度等参数,建立了掺稀采油管内牛顿-幂律流体的流速计算模型对其编程求解;从掺稀前及掺稀后两种工况着手,对稠油掺稀采油管内流速的径向分布规律进行了详细分析。结果表明:流速在油管中的分布呈现轴对称性;随采油管外径增大、稠油稠度系数增大及采油管压力降的减小,采油管径向上稠油流速呈现减小趋势;稠油掺稀过程中,与层流的流动对比分析发现,稠油和稀油掺混时紊流流动过程中的过渡段出现增大趋势,此时的掺混速度以及均匀程度都有所提高。     

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。

     

含氢气体环境中管线钢材料氢相容性评价的力学性能关键指标研究

本文在不同分压氢气环境中对材料为X42,X52,X60,X70和X80的管线钢材料进行慢应变速率拉伸、断裂韧性和疲劳裂纹扩展测试,研究了含氢气体对管线钢强度、塑性、断裂韧性和疲劳裂纹扩展速率等性能的影响,讨论了氢分压对管线钢材料氢环境相容性的影响,提出了适于管线钢氢环境相容性量化评价的关键力学性能指标和相应的指标测试方法,以便科学评估管线钢材料对氢环境的适应性。

     

高马赫数燃烧强化的激波风洞试验研究

基于中国科学院力学研究所的JF-24激波风洞, 通过开展高马赫数超燃冲压发动机的直连试验, 研究了高马赫数燃烧的强化方法以及燃料类型对燃烧的影响. 试验段是采用凹腔结构的圆截面燃烧室, 喷孔布置在隔离段, 燃料分别是氢气和乙烯, 当量比均为0.7. 燃料喷注分别采用无支板和小支板两种构型, 后者部分喷孔位于小支板顶部. 两种构型均设置了流向近距双排喷孔, 可分别进行单环和双环喷注. 试验结果论证了飞行马赫数10.0条件下氢气和乙烯在超高速气流中的稳定燃烧性能. 并且, 相比于单环喷注, 双环喷注以及补充小支板可以强化燃烧. 推测其原因是双环射流和激波/分离结构的近距离交互作用很可能改善掺混, 而补充小支板顶部喷注还能利用更多空气组织掺混. 在同样采用双环耦合小支板顶部喷注的强化措施下, 氢气与乙烯燃烧效率接近, 但氢推力性能更优. 这是因为较高热值氢的释热更多. 此外, 试验还证明了在当前来流条件下, 释热受控于掺混, 且高温离解效应限制释热上限. 这是由于释热降低流速且提高静温, 使高温离解的吸热效应更加显著.      

2%氢气含量对X80管线钢断裂韧性和缺陷容限的影响

氢气的存在会劣化金属材料的力学性能,导致材料发生氢脆断裂,严重影响含氢天然气输送管线的安全输送,为此本文开展X80 管线钢在含氢环境中的断裂韧性试验,通过对比无氢环境,评定氢气的存在对X80管线钢断裂韧性和缺陷容限的影响规律,利用扫描电镜对断口进行观察分析,判断其在不同条件下的断裂模式。结果表明,在12 MPa的输送压力环境中掺入2% H₂,X80管线钢的断裂韧性比氮气环境有一定程度的下降,X80管线钢在氮气中的裂纹尖端张开位移 (crack tip opening displacement, CTOD)值为0.42 mm,在氢气中的值为0.33 mm,2% H₂使X80的断裂韧性下降21.42%,相应地氢气降低了管线钢允许的缺陷尺寸。从断口的形貌来看,氢气并没有改变材料的断裂模式,仍表现出明显的韧性断裂的特征,但局部有少量微裂纹存在。

     

氢气复合器的流场和温度场分析

为了配合除氢设备的开发,基于计算机模拟方法,分析了在不同结构布置下压力容器内和氢气复合器内的气体流场、温度场分布,从而预知了针对设计方案的设备运行状态和特点,为后续的技术研究和设计改进提出了参考性建议.     

橡胶粉对PVA-ECC力学性能影响研究

为研究橡胶粉对聚乙烯醇纤维增强水泥基复合材料(PVA-ECC)力学性能的影响,以掺入了橡胶粉的PVA-ECC为研究对象,对其强度和压缩韧性进行试验研究,并采用扫描电镜对橡胶粉表面微观形貌进行分析。研究参数包括橡胶粉掺量、改性方式及粒径。试验结果表明:相对于基准试件,橡胶粉掺量为5%时,试件抗压强度提高了6%;掺量为10%时,试件抗压强度基本相等,压缩韧性指标有所提高;橡胶粉掺量较低时,试件呈现多裂缝失效模式,延性相对于基准试件有一定提高;橡胶粉粒径及处理方式对试件力学性能影响不大。因此,采用掺量低于10%的水洗橡胶粉制备PVA-ECC能提高其抗压强度、压缩韧性及延性,且更易制备。