混氢天然气物性规律及管道水合物生成模拟分析_张沛雪.pdf

投稿网址:www stae com cn2023 年 第23 卷 第5 期2023，23(5):01937-08科学技术与工程Science Technology and EngineeringISSN 16711815CN 114688/T收稿日期:2022-05-08;修订日期:2022-11-18基金项目:国家自然科学基金(51974033);国家科技重大专项(2017ZX05030005-001-001);湖北省教育厅科学技术研究项目(B2021043)第一作者:张沛雪(1996)，女，汉族，山东滨州人，硕士研究生。研究方向:天然气输送及水合物预测与防治。E-mail:419671474 qq com。*通信作者:李凌峰(1979)，男，汉族，湖北武汉人，博士，副教授。研究方向:天然气采输及测试过程水合物预测与防治技术、天然气集输与处理等。E-mail:403089315 qq com。引用格式:张沛雪，李凌峰，张裕卓，等 混氢天然气物性规律及管道水合物生成模拟分析 J 科学技术与工程，2023，23(5):1937-1944Zhang Peixue，Li Lingfeng，Zhang Yuzhuo，et al Physical property law of mixed hydrogen natural gas and simulation analysis of pipeline hy-drate formationJ Science Technology and Engineering，2023，23(5):1937-1944混氢天然气物性规律及管道水合物生成模拟分析张沛雪1，2，李凌峰1，2，3*，张裕卓2，韩迪2(1 油气钻采工程湖北省重点实验室(长江大学)，武汉 430100;2 长江大学石油工程学院，武汉 430100;3 长江大学非常规油气省部共建协同创新中心，武汉 430100)摘要氢能是一种绿色低碳的二次能源，在天然气管道中掺入氢气进行大规模运输是当前研究的热门领域。但氢气与天然气混合后因其物性参数的改变，使管道产生堵塞、氢脆、泄漏、聚积、燃烧和爆炸等问题。基于此，利用 Aspen HYSYS 软件，选取代表性数据，运用理论研究、数据模拟和数据分析等方法，针对不同混氢比下天然气与氢气混合后的物性变化规律和管道水合物生成情况进行模拟分析。结果表明:随着混氢比增大，混合气体温度先降低再升高，在混氢比为 36%时达到最低温度;混合后气体质量密度和比热容比与混氢比呈负相关;质量焓、质量熵、质量基准热值、Z 因子、热导率、运动黏度均与混氢比成正相关;随着混氢比增大，水合物生成温度降低，压力升高。可见在天然气管道中适当混入少量氢气可抑制水合物的生成;混氢天然气物性参数变化规律为探究适合不同条件下的最优混氢比、保证管道输送及使用的安全性提供了数据基础。关键词氢能;混氢比;物性;水合物;模拟中图法分类号TE642;文献标志码APhysical Property Law of Mixed Hydrogen Natural Gas andSimulation Analysis of Pipeline Hydrate FormationZHANG Pei-xue1，2，LI Ling-feng1，2，3*，ZHANG Yu-zhuo2，HAN Di2(1 Hubei Key Laboratory of Drilling and Production Engineering for Oil and Gas，Yangtze University，Wuhan 430100，China;2 Petroleum Engineering College of Yangtze University，Wuhan 430100，China;3 Cooperative Innovation Center of Unconventional Oil and Gas of Ministry of Education Hubei Province，Yangtze University，Wuhan 430100，China)Abstract Hydrogen energy is a kind of green and low-carbon secondary energy，and it is a hot research field to mix hydrogen intonatural gas pipelines for large-scale transportation However，due to the change of physical parameters of hydrogen and natural gas，thepipeline has problems such as blockage，hydrogen embrittlement，leakage，accumulation，combustion and explosion Based on this，Aspen HYSYS software was used to select representative data，and theoretical research，data simulation and data analysis were used tosimulate and analyze the physical property change law and pipeline hydrate formation after natural gas and hydrogen mixing under dif-ferent mixing ratios The results show that with the increase of mixed hydrogen ratio，the temperature of mixed gas decreases first andthen increases，and the lowest temperature is reached at 36%mixed hydrogen ratio The gas mass density and specific heat capacityratioafter mixing are negatively correlated with the hydrogen mixing ratio Mass enthalpy，mass entropy，mass reference calorific value，Z factor，thermal conductivity and kinematic viscosity are positively correlated with hydrogen mixing ratio With the increase of hydro-gen mixing ratio，the hydrate formation temperature decreases and the pressure increases It can be seen that proper mixing of a smallamount of hydrogen in natural gas pipelines can inhibit the formation of hydrates The variation law of physical parameters of mixed hy-drogen natural gas provides a data basis for exploring the optimal mixed hydrogen ratio under different conditions and ensuring the safetyof pipeline transportation and use Keywords hydrogen energy;hydrogen mixing ratio;materiality;hydrate;simulation因环境污染和温室效应情况加重，全球能源结构持续向低碳清洁化方向发展。而氢能属于二次能源，具有低碳清洁、比能量密度大和转化效率高等优点，可以通过燃烧和燃料电池等方式生成水，有利于实现低碳甚至零碳排放1。所以天然气混氢在储能运输、交通、燃烧、发电等行业均可以得到投稿网址:www stae com cn高效的运用2。2022 年 3 月，中国国家发展改革委、国家能源局联合印发氢能产业发展中长期规划(20212035)，积极推动氢能产业发展3。在 2022 年全国两会上，各大代表也谏言制定氢能发展规划，将氢气混入全国天然气管网进行混氢输送。这将实现氢能的跨省区运输和利用，从而有效促进可再生能源的大规模消纳，促进实现“双碳”目标4-5。将氢气掺入天然气管道进行输送是最高效最经济的输送方式，中国天然气管道输送技术虽已很成熟，但将氢气掺入天然气管道必然会产生诸多运行安全问题。亟须对混氢天然气在管道中的运行情况进行研究分析，并采取解决措施，保证混氢天然气能够在天然气管道中安全输送。目前国内外在针对管道混氢方面的研究已取得一些成果。Guandalini 等6 研究得出将氢气混入天然气管道会降低管道的输气能力，但并未得出合理的解决措施。Sebastian 等7、Shang 等8 分析得出在涉及离心式压缩机的管网时，其混氢比不应超过 20%。Kenning9 指出，混氢比小于 10%时对天然气管道、设备及法规等不会产生明显影响;德国将天然气管网的混氢比上限规定为 2%(个别情况10%)10;法国规定天然气管网的混氢比上限为6%11;英国法律规定天然气管网中混氢比上限为0.1%(按质量分数计)。目前英国 Hy Deploy 示范项目已成功向在役天然气管网中混入体积分数20%的 氢 气，为 100 户 家 庭 和 30 座 教 学 楼 供气12-13。但中国针对混氢天然气管道的混氢比还未制定出规范的体系。崔兆雪等14 用 SPA 软件建立模型，模拟出不同混氢比下，输送功率的变化情况等;文献 15-16 指出掺氢比会影响天然气管道发生氢脆概率及程度，氢的掺入会缩短钢管的疲劳寿命;文献 17 指出在考虑热值、燃烧势及爆炸范围等因素条件下可得出燃气互换性及燃具要求的合理混氢比上限为20%27%，但范围较大，还需进一步探究更精确数值;王玮等18 分析指出在天然气管道供应系统中，混氢天然气的最大混氢体积比不应超过 27%;时浩等19 分析得出当混氢比低于 20%左右时可以满足民用终端的燃气要求，并得出中低压天然气管网更适于开展混氢输送;陈强峰等20 对混氢燃气站场进行了事故分析，得出混氢比为 20%时气云爆炸产生的超压值最高。由此可知，针对天然气管道混氢输送的研究尚不完全，还处于发现问题阶段，都没有得出确定性结论，并未形成规范的体系。而这些问题产生的本质均是由于天然气掺氢后混合气体的物性参数发生了变化，但对于其物性变化规律的研究较少，对于混入氢气后混合物对管道中生成水合物的研究几乎没有，基于模拟仿真方面的研究也是少之又少。现应用 Aspen HYSYS 软件对不同混氢比下混合气体的物性参数及其在管道中水合物生成情况进行模拟分析，以期找出混氢天然气的物性变化规律和对水合物生成的影响规律。1不同混氢比下混氢天然气物性分析天然气和氢气两者物性参数如热值、运动黏度、密度等都存在一定差异，混合后其组分更加复杂，各项参数将发生很大变化。所以在对其进行物性计算前需要选择合适的气体状态方程，来准确地计算其数值变化。目前从大量文献及一些工程实际中分析得出，天然气物性计算常用的方程有 SK(Soave-edli-ch-Kwong)21-22、P(Pong-obinson)23、BWS(Ben-edict-Webb-ubin-Starling)24 和