天然气管道掺氢输送的风险分析_李可夫.pdf

第 40 卷，总第 236 期2022 年 11 月，第 6 期 节 能 技 术 ENEGY CONSEVATION TECHNOLOGYVol.40，Sum.No.236Nov 2022，No.6天然气管道掺氢输送的风险分析李可夫1，刘淼2，耿晓梅2，张文伟2，周建华1，谢浪1，于薇1(1 北华航天工业学院，河北廊坊065000;2 中国石油天然气管道工程有限公司，河北廊坊065000)摘要:氢气能源在利用过程中没有任何“碳排放”，环保优势突出，未来具有广阔的发展前景。如果利用现有天然气管道进行掺氢输送，是将来大规模利用氢气的一种有效思路，但由于氢气容易导致管材失效，且氢气相比于天然气更容易扩散且爆炸极限更宽，所以管道掺氢输送也面临若干风险。本文从现有管道、介质泄漏及其火灾爆炸风险等几个方面展开分析，探讨现有天然气掺氢输送的可行性。关键词:氢气;天然气管道掺氢;管道;风险;可行性中图分类号:TK223 23文献标识码:A文章编号:1002 6339(2022)06 0553 04The isk Analysis of Mixed Hydrogen for Natural Gas PipelineLI Ke fu1，LIU Miao2，GENG Xiao mei2，ZHANG Wen wei2，Zhou Jian hua1，Xie Lang1，YU Wei1(1 North China Institute of Aerospace Engineering，Langfang 065000，China;2 China Petroleum Pipeline Engineering Corporation，Langfang 065000，China)Abstract:There is no“carbon emission”in the utilization of hydrogen energy，which has outstanding en-vironmental protection advantages and broad development prospects in the future If the existing naturalgas pipeline is used for hydrogen doped transportation，it is an effective way to use hydrogen on a largescale in the future However，because hydrogen is easy to cause pipe failure，and hydrogen is easier todiffuse and has a wider explosion limit than natural gas，the pipeline hydrogen doped transportation alsofaces several risks This paper analyzes the existing pipelines，medium leakage and fire and explosionrisks，and discusses the feasibility of hydrogen mixed transportation of existing natural gasKey words:hydrogen;hydrogen blends natural gas for pipeline;pipeline;risk;feasibility收稿日期2022 07 05修订稿日期2022 07 18基金项目:河北省高等学校科学技术研究项目(ZD2022112);廊坊市科技支撑计划项目(2021011083)。作者简介:李可夫(1978 )，男，博士，高级工程师，研究方向为油气管道完整性管理、管道评价及抢维修。0引言2022 年夏天极度炎热，欧洲经历了 500 年来最为干旱的夏季，人类社会大量使用化石燃料产生的“CO2排放”被公认为是造成这一现象的最主要原因。氢元素在自然界有广泛的分布，其燃烧或其他利用过程中只产生 H2O，是一种非常理想的清洁能源。如果用“氢”来大规模替代传统的化石能源，长距离储运是必须要攻克的难题。目前，纯氢管道仍然造价很高，难以大规模推广，而我国也建成了10 万km 左右的天然气管道，将 H2以一定比例掺入到天然气中，通过现有天然气管道进行运输，可能是解决当下 H2长距离、大规模运输的一个行之有效355的技术手段1。很多欧美国家在积极开展已有天然气管道掺 H2输送的相关试验和理论研究，很多国家和地区联盟将 H2加入到长输管道中进行输送，并研究其对管道系统的影响，给出了合理的标准和掺 H2比例2 6。还有学者对掺氢后管材管件安全、气体泄漏扩散、火灾爆炸、氢能承压设备风险等问题进行了较为详细的研究7 16。1掺氢管道主要失效原因及概率分析管道在运行过程中面临众多风险从而导致其失效，油气管道主要面临腐蚀、第三方破坏、地质灾害、误操作等方面引起的失效。可以类比分析，掺氢管道的失效形式与油气管道类似，其原因也无外乎以上几种。从理论分析，对于第三方破坏、地质灾害、误操作等原因造成掺氢管道的失效概率应该与油气管道基本相同。由于氢是世界上最小的原子，在天然气管道加氢输送过程中容易出现氢脆、氢腐蚀等问题17，这使得管道失效的可能增加，这就需要探讨天然气管道加氢输送过程中管材的适应性问题。欧洲曾在低钢级的管道进行 H2的输送，没有发生相关安全问题，根据 CGA 5 6Hydrogen PipelineSystem 进行分析，当钢级低于或等于 X52，输送氢气浓度 10%则是安全的，如果不能满足钢级和输送浓度的要求则要从运行压力、化学元素、韧性、强度、硬度等多个方面进行分析18 19。由此可见，天然气管道掺氢输送，只要满足一定条件，如钢级低于等于 X52，掺氢比例小于 10%或采取其他措施，是能保证其管道进行安全输送的，其材料和腐蚀问题导致的失效概率也不会增加，天然气掺氢管道的失效概率可以与油气管道的失效概率取相同的值。我国某大型管道运营商其管道总里程 5 3 104km，失效概率约为 1 7 104/kma，其中第三方破坏占主要因素，腐蚀、缺陷等引起管道失效的概率较小，具体见图 1、图 220。图 1中国油气管道里程及失效数量图 2中国油气管道失效原因如图 2 所示，我国油气管道失效的主要原因是打孔盗油、第三方施工等原因，这与管道输送介质关系不大;腐蚀失效占比为 9%，但如前所述如果钢级低于 X52，掺氢比例低于10%则可认为是安全的，本文管道掺氢输送则只考虑钢级低于X52，掺氢比例低于10%，则掺氢管道是失效概率为17 104km/a。2掺氢管道主要失效后果分析氢气属于低密度气体，相比于甲烷更容易燃烧和扩散，表 1 为天然气主要成分甲烷与氢气一些物理性质的对比。表 1甲烷与甲烷主要性质对比物理性质氢气甲烷相对分子量216密度/kg m30085068低热值/MJ m310233404高热值/MJ m312093777理论空气量/m3 m3238952向空气扩散系数/m3 s361 10516 105天然气管道泄漏后如果点燃主要有喷射火、闪火、蒸气云爆炸等后果，后果的严重程度与泄漏量相关，泄漏量主要取决于管道内压力。我国长输天然气管道最大设计压力不超过 12 MPa，仅有西气东输二线、三线、中俄东线等几条管道，这些管道均采用X80 钢级。本文后果模拟的管道压力为 10 MPa，掺氢体积浓度 10%，由于可燃气体蒸气云爆炸必须有受限空间，而受限空间都是特定的，因此本文不分析蒸气云爆炸的后果情况。模拟软件为 DNV 的 Phastisk。根据 SY/T 6714 2008 基于风险检验的基础方法，管 道 泄 漏 可 选 取 0 635 cm、2 54 cm、10 16 cm、40 64 cm 等典型孔径，由于规律相同本文主要分析 0 635 cm 和 40 64 cm 典型孔径泄漏的情况。4552 10 635 cm 泄漏孔径从图 3、图 4 可以看出，天然气与天然气中掺有10%和 15%氢气的混合气体的扩散特性相差不大，掺有氢气的混合气体扩散能力稍微强一些。从图 5、图 6、图 7、图 8 可以看出，天然气比天然气中掺有 10%H2的混合气体的热辐射能力更高，闪火影响范围也更大，因为本次模拟是10%的体积掺比，根据表1 相同体积下甲烷的燃烧热要大于 H2的燃烧热，所以其热辐射能力更高，闪火的影响范围也更大。图 3天然气泄漏浓度分布(0 635 cm)图 4天然气掺 10%H2泄漏浓度分布(0 635 cm)图 5天然气泄漏喷射火(0 635 cm)2 210 16 cm 泄漏孔径从图9 图14 可以看出，与0 635 cm 口径泄漏相似，掺有氢气的混合气体扩散能力稍强;热辐射能力则是纯天然气更强，闪火影响范围也更大，这也是因为相同体积下天然气的燃烧热要大于 H2的燃烧热导致的。图 6天然气掺 10%H2泄漏喷射火(0 635 cm)图 7天然气泄漏闪火(0 635 cm)图 8天然气掺 10%H2泄漏闪火(0 635 cm)图 9天然气泄漏浓度分布(10 16 cm)可燃气体泄漏后主要是由于气体扩散，之后遇点火源发生喷射火、闪火等事故引发灾害，根据选取典型泄漏孔径，进行天然气及掺氢 10%天然气的泄漏扩散和喷射火、闪火的后果模拟可见，掺氢天然气管道泄漏，并不会在原有的基础上引发更大的泄漏扩散和火灾事故。555图 10天然气掺 10%H2泄漏浓度分布(10 16 cm)图 11天然气泄漏喷射火(10 16 cm)图 12天然气掺 10%H2泄漏喷射火(10 16 cm)图 13天然气泄漏闪火(10 16 cm)3掺氢管道的风险分析可燃气体泄漏后的风险可按如下公式进行计算=fQ式中 风险;f 失效概率;Q 失效后果。图 14天然气掺 10%H2泄漏闪火(10 16 cm)风险分析是评判工程安全性的重要依据，由上式所示，其由失效概率和后果的乘积得出。乘坐飞机失效后果非常严重，人们往往难以生还，即 Q 很严重，但其发生的概率，即 f 很低，所以其风险是可以接受的。前文经过分析认为，当钢级低于或等于 X52，输送氢气浓度 10%则是安全的，各种原因引起的失效概率也不会增加。前文也对于天然气掺 10%氢气管道失效后的扩散、喷射火、闪火等的后果进行了分析，掺入氢气并不会使后果变得更严重。因此，如果钢级低于 X52 天然气管道掺 10%氢气输送是安全的，并不会增加额外的风险。4结论(1)掺氢天然气管道与纯天然气管道的失效原因类似，当钢级低于 X52，掺氢比例低于 10%时，掺氢天然气管道的失效概率与纯天然气管道基本相同。(2)天然气管道掺有体积占比 10%氢气的混合气体扩散能力稍强;热辐射能力则是纯天然气更强，闪火影响范围也更大，这也是因为单位体积天然气的燃烧热要大于 H2的燃烧热导致的，掺 10%氢气的天然气泄漏后果与纯天然气泄漏后果基本相同。(3)根据风险计算公式，当钢级低于 X52，掺氢比例低于 10%时，掺氢天然气管道相比于纯天然气管道是安全的，并不会增加额外风险;如果提高钢级和掺氢比例，则需要从材料、焊接、失效后果等多个角度分析其风险情况。参考文献 1赵永志，张鑫，郑津洋，等 掺氢天然气管道输送安全技术 J 化工机械，2016，43(1):1 7 2宋鹏飞，单彤文，李又武，等 天然气管道掺入氢气的影响及技术可行性分析 J 现代化工，2020，40(7):5 9 3Castello P，Tzimas E，Moretto P Techno economicAssessment of Hydrogen Transmission Distribution Systems inEurope in the Medium and Long TermJ Agricultural Wate