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。     

碳达峰-碳中和战略中的关键力学问题

<正>气候变化是人类面临的全球性问题.随着温室气体排放的急剧增长,地球上的生命系统面临严峻挑战.基于推动可持续发展的内在需求与构建人类命运共同体的责任担当,我国2020年提出力争2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和的目标.碳达峰-碳中和战略已成为我国中长期发展的重要框架.为了反映我国在该领域与力学相关研究的最新进展,《力学学报》组织了“碳达峰-碳中和战略中的关键力学问题”专刊.专刊收录了清洁能源开发利用、非常规能源开发利用、能源低碳化利用、低碳建筑与储能技术、地质系统固碳、相关力学基础理论与方法等方向17篇研究或综述论文,供读者参考.     

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。     

氢环境下压力容器及管道材料相容性研究进展

氢能作为一种理想的清洁能源受到世界各国重视。压力容器和管道是氢能产业大规模、长距离、安全高效输送的重要途径。但长期使用过程中金属容易发生氢脆并导致失效,对氢能应用带来了极大挑战。本文针对氢环境下压力容器及管道材料相容性进行论述,首先阐述了典型氢脆机理及氢进入材料内部的渗透机理,随后总结分析了压力容器和高钢级管线钢氢脆特征。针对氢致失效难题提出如下措施：（1）改善热处理及加工工艺,避免钢中出现对氢敏感的组织,同时严格控制钢中夹杂物含量及尺寸;（2）改善焊接工艺,减弱热影响区氢致开裂敏感性;（3）钢中引入有效氢陷阱提高其抗氢脆性能。该结论将为未来压力容器及管道使用安全性研究打下基础。     

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。     

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。     

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.      

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。     

富氢燃料气射流预混火焰回火特性的研究进展

燃气轮机是一种重要的动力设备,是碳中和的重要环节,燃用富氢燃料气是降低其碳排放的有效途径.由于氢气的化学反应活性高、燃烧速率快,使得燃烧室内预混射流火焰发生回火的风险大大增加,即火焰有可能从燃烧室向上游预混气管道传播.文章综述了近20年来富氢燃料气射流火焰回火的代表性实验及数值模拟的研究进展,介绍了包含燃料氢含量、来流温度及工作压力等参数、喷嘴结构与尺寸、热声振荡和微混燃烧器等对回火特性影响的研究成果,现有研究表明,边界层内火焰传播速度超过来流速度是造成回火的主要因素,控制来流速度、来流温度、改变局部燃料浓度可以克服或者减缓回火.根据目前的研究现状和发展动态,对未来的研究方向进行了展望.     

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。     

LNG耐超低温柔性管道研究进展综述

LNG (液化天然气)耐超低温柔性管道是开采、运输、存储LNG过程中的关键装备之一, 被誉为是LNG外输系统的“血管”. 近年来, 随着LNG的开发逐渐由近海走向深远海, 耐超低温柔性管道作为LNG外输系统中的核心输运装备迎来了更加广阔的发展前景, 同时也面临着由更加严苛的海洋环境带来的结构失效的挑战. 本文针对LNG耐超低温柔性管道的工程应用背景、结构设计、内流分析等方面进行了调研与综述, 总结了LNG耐超低温柔性管道上述各项技术的研究进展. 分析了LNG耐超低温柔性管道的波纹管状结构、螺旋缠绕结构和高分子材料的柔顺性结构特征的力学机理, 总结了实现柔顺性结构的方法, 梳理了LNG耐超低温柔性管道管内流体计算分析的规律, 并对LNG耐超低温柔性管道相关技术的未来研究热点提出了展望. 我国在LNG耐超低温柔性管道相关技术的研究工作中起步相对较晚, 突破LNG耐超低温柔性管道的结构设计分析与工业应用中的关键力学问题, 实现LNG耐超低温柔性管道的国产化研制, 对于实现我国深远海天然气资源开发的“卡脖子”技术的自主可控, 助力“碳达峰”国家战略目标的实现具有重要意义.      

等离子体催化铁系金属催化剂氨分解制氢研究进展

氢能作为一种零碳二次能源被广泛应用于各种工业领域.氨作为一种储氢载体,具有储氢量高(17.6 wt%)、能量密度高和易液化等特点,其分解产物只有氢气和氮气,符合国家“碳达峰,碳中和”的战略发展方向.但是氨分解的活化能高,反应条件较为苛刻.因此,开发安全、高效、低成本的氨分解制氢技术对于氢能发展具有重要意义.文章首先阐明了氨分解反应的基本原理,介绍了铁系金属催化剂催化NH₃分解制氢的研究进展, Fe,Co和Ni基催化剂的NH₃分解活性较高,因为其金属-氮的结合能适中,之后从调控活性金属中心出发,通过加入第二金属、调控形貌、缺陷/掺杂、构建金属-载体相互作用等方面设计提高氨分解的活性,并采用多种表征方法揭示催化剂的构效关系.除铁系催化剂外,还重点介绍了提高氨分解效率的等离子体技术,回顾了等离子体的原理、种类、作用机制以及在辅助催化氨制氢方面的协同效应.文章综述了催化NH₃分解的反应机理,介绍了目前氨分解制氢催化剂设计的最新进展,总结了提高NH₃分解制氢的策略,强调了等离子体在辅助催化NH₃     

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。     

海洋能源开发装备中关键力学问题专题序

海洋中石油、天然气及风能、潮汐能等能源储量丰富, 海洋能源的开发是当今世界各国竞相开发的关键领域. 海洋能源的开发离不开一系列的先进工业装备, 我国依托“海洋油气资源勘探开发技术”和“深海关键技术和装备”等科技专项对海洋能源开发装备和技术进行了长期研发, 使得我国已经基本具备了海洋能源开发装备设计、生产、测试和应用的关键技术. 同时由于我国海洋能源开发装备的研究起步较晚, 其设计、制造、测试及应用的部分技术仍未能实现完全自主可控, 成为制约我国海洋能源开发的瓶颈, 其中蕴含了丰富的关键力学问题的挑战. 随着海洋强国战略的实施, 我国的科研院所、高等学校和相关企业等单位积极开展了针对海洋能源开发装备中关键力学问题的研究. 部分工作已经取得了丰硕的成果, 实现了海洋能源开发装备和技术的突破, 为我国海洋能源开发装备的自主可控研发与创新奠定了扎实的力学基础.      

隧洞式内衬储气库极限储存压力解析解

隧洞式内衬储气库是一种新型能源储存方法,有助于平衡供需,推动国家由化石能源向绿色能源的持续过渡,有利于国家“碳中和、碳达峰”目标的实现.本文采用极限平衡方法和弹塑性分析方法推导隧洞式内衬储气库极限储存压力的解析解.在极限平衡方法中,考虑上覆围岩自重、破裂面受力和极限储存压力,选用刚性锥模型,推导了上限压力表达式;在弹塑性分析方法中,根据围岩中应力分布规律和剪切、抗拉强度,推导获得了弹塑性条件下上限与下限压力表达式.最终综合考虑两方法求得的结果,确定极限储存压力解析解.结果表明:极限平衡方法求得上限压力与埋深呈二次函数关系,且随着侧压力系数的增大而增大;弹塑性分析方法确定的上限压力和下限压力与埋深呈线性关系,下限压力随着侧压力系数的增大而减小,且Ⅰ级围岩条件下的内衬储气库不用考虑下限压力.在侧压力系数λ=1.2时上限压力最大,因此应尽量在侧压力系数为1.2的围岩条件下修建隧洞式储气库.最后根据典型工况下上限和下限压力曲线给出内衬洞室推荐压力范围.     

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。     

面向双碳目标的建筑能源系统再认识

建筑领域是实现双碳目标的关键部门,在双碳目标指引下建筑能源系统需要做出革新.为此,本研究对建筑能源系统的发展任务进行了深入探讨,提出了面向双碳目标的建筑能源系统发展方向:传统的建筑能源系统以满足建筑自身冷、热、电等基本能源需求为主;双碳目标下,建筑能源系统需要从建筑节能向建筑低碳的新目标转变,需要在降低建筑本体能源需求、全面电气化、提升建筑能源系统能效水平、实现灵活可调并成为具有柔性调节能力的能源系统可调负载等方面做出变革,需要从单纯能源系统的消费者转变为集能源生产、消费、调蓄于一体的复合体.以构建低碳建筑能源系统为目标,对建筑能源系统的研究趋势进行了展望:需要进一步认识建筑能源、建筑环境营造的需求从而更好地理解建筑能源系统的基本要求,需要建筑与交通、电力等领域进一步融合,需要从单体建筑向区域建筑、城市等多个尺度上以建筑为载体构建城乡新型能源系统.本研究可为建筑能源系统如何实现自身角色转变、加快实现双碳目标下的能源系统变革提供有益参考.