受限空间掺氢天然气泄漏与燃爆特性研究综述_马青峰.pdf

1172 0 2 3 年 2 月第 3 5 卷第 1 期油 气 与 新 能 源文章编号：2097-0021（2023）01-0117-12受限空间掺氢天然气泄漏与燃爆特性研究综述马青峰，韩辉，李玉星，孔莹莹，刘翠伟，常曦文，王赛磊中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院引用：马青峰,韩辉,李玉星,等.受限空间掺氢天然气泄漏与燃爆特性研究综述J.油气与新能源,2023,35(1)：117-128.基金项目：国家重点研发计划“氢能技术”重点专项资助“中低压纯氢与掺氢燃气管道系统事故特征演化及完整性管理”（2021YFB4001603）摘要：将氢气掺入现有的城市燃气管道系统，能够实现氢气的较大规模输送，但同时也带来了更严峻的安全挑战。掺氢天然气在管道输送过程中如果发生连续泄漏，在城市燃气管廊和终端用户等受限空间容易形成危险气体积聚，氢气的高泄漏速率和扩散性、纯氢和掺氢天然气较大的燃爆浓度范围可能导致掺氢天然气在受限空间内的安全风险更大，伤害后果更严重。为此，围绕掺氢天然气在受限空间内的安全问题，综述了其在受限空间的泄漏积聚、燃烧爆炸特性和安全评价方面的研究进展，指出了目前面临的问题与挑战。建议未来应加强对掺氢天然气在特定应用场景下的泄漏扩散特性研究，深入研究掺氢天然气管道和临氢设备燃烧爆炸事故的特性和演化规律；安全评价方面可采用数据驱动、机理仿真的方法形成有效的掺氢天然气泄漏爆炸评价方法。关键词：掺氢天然气；管道输送；泄漏积聚；燃烧爆炸；安全评价中图分类号：TE88 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.2097-0021.2023.01.015Research Summary of the Leakage,Combustion and Explosion Characteristics Concerning Hydrogen Enriched Compressed Natural Gas(HCNG)in Confined SpaceMA Qingfeng,HAN Hui,LI Yuxing,KONG Yingying,LIU Cuiwei,CHANG Xiwen,WANG SaileiCollege of Pipeline and Civil Engineering,China University of Petroleum(East China)Abstract:Incorporating hydrogen into the existing urban gas pipeline system can realize the delivery of hydrogen on a larger scale,but it also produces more serious safety challenges.If continuous leakage of HCNG occurs during pipeline transportation,dangerous gas proves easy to accumulate in confined spaces such as urban gas pipeline corridors and end users.The high leakage rate and diffusion of hydrogen and the large range of explosion concentration of pure hydrogen and HCNG may result in greater safety risks and more serious injury consequences in the confined space.To this end,focusing on the safety problems of HCNG in confined space,this paper summarizes the research progress in terms of leakage accumulation,combustion and explosion characteristics and safety evaluation in confined space and also points out the current problems and challenges.It is suggested that we should step up efforts concerning the research on the leakage and diffusion characteristics of HCNG in specific application scenarios in the future,and further study the characteristics and evolution law of combustion and explosion accidents of HCNG pipelines and equipment in hydrogen service;in speaking of the safety evaluation,the paper suggests we should adopt data-driven and mechanism simulation to form the effective evaluation methods concerning the leakage and explosion of HCNG.Keywords:Hydrogen enriched compressed natural gas(HCNG);Pipeline transportation;Leakage accumulation;Combustion explosion;Safety evaluation0引言氢能具有零碳、无二次污染的特点，是当今世界公认的清洁能源，同时也被认为是 21 世纪最有前途的二次能源，大力发展氢能对保障国家能源供应安全、应对全球气候变化有重大意义。美国及118油气与新能源 能源科技Vol.35 No.1 Feb.2023其他发达国家都在为抢占氢能产业发展先机而积极谋划1-4。目前，国内的氢能产业链及储运技术已有了长足的进步，但氢能行业仍处于试验示范和市场推广阶段，预计到 2050 年将实现 10%左右的能源体系占比，市场需求将达到 6 000104 t/a，产值将达到 101012元以上，将建成 1 000 多个加氢站，3 000 km 的氢气长输管线，实现交通和工业领域氢能的推广5-7，并形成涵盖氢制备、氢储存运输和氢利用的完整氢能产业链（见图 1）。化石燃料制氢工业尾气制氢电解水制氢新兴技术(生物质、光解水）高压气态储氢低温液态储氢固态储氢有机液体储氢制储长管拖车气态输运液氢罐车输运管道输运运氢燃料电池发电家用合成氨、甲醇用天然气煤尾气生物质水图 1氢能产业链示意图氢的储存运输是沟通氢产业链上、下游的关键。从规模化利用和长期发展的角度看，高压气瓶、低温液氢输氢等方式无法满足大规模、低成本输送的需要，管道输送是氢能输送发展的必然方向。据统计，目前世界上约有 4 500 km 的在役纯氢管道，但这种管道系统建设成本和输运成本高8。以直径为 300 mm的纯氢管道为例，平均建设成本约为 854 美元/m，比天然气管道高 10%20%，运输距离为 100 km 时氢气运输成本约 2.73 美元/kg9-10，难以满足氢能快速发展的需求；另一方面，通过现有的输气管道与基础设施实现天然气和氢气的混合输运，或通过改造后进行纯氢输送，能实现低成本、规模化、连续性的氢能供给。因此，利用已有的天然气管道和相应的设施，进行掺氢输送可能是一种理想的方法。研究结果显示，在氢气含量较低的条件下，无需进行技术上的重大调整即可实现掺氢比例 10%20%的燃气输送11。因此，在中国氢气储运基础不完善的情况下，利用天然气管线掺混氢气是实现氢气高效输送的有效途径。国内外在掺氢天然气管道输送方面都开展了一些尝试。最早开展天然气掺氢相关研究的是 2002 年欧洲的 NATURALHY 项目12，近年来澳大利亚、加拿大和美国也开始研究如何利用其庞大的天然气管网来输送氢气，并建立了一系列的掺氢管道示范工程（见表 1），每年大约将 2 900 t 氢气混入天然气网。国内关于掺氢天然气管道输送示范工程的起步稍晚，2017 年 10 月，国家电力投资研究院与辽宁省朝阳市政府签订了氢能产业合作协议，于 2019 年建设了“朝阳市可再生能源氢气掺氢示范项目一期”，掺氢比例为 5%，填补了国内天然气管道掺氢技术的空白。表 1天然气掺氢管道输送示范项目项目或公司国家或组织起始年份项目情况NaturalHy 项目欧盟2004研究工业和家用掺氢天然气的气体泄漏和爆炸行为VG2 项目荷兰2008将风电制氢掺入天然气管网，终端设备未发现泄漏、火焰稳定性、回火或点火等问题Falkenhagen 风力发电德国2011将 2 MW 风力涡轮机产生的氢气混入德国 ONTRAS 天然气运营公司的天然气分配网络ITM 电厂德国2013掺氢比 0 2%GRHYD法国201320132015 年：试运行阶段，为天然气动力车辆提供掺氢天然气20162020 年：运营阶段，向天然气分配网络充入 20%的氢气P2G Ibbenburen德国2014电解制氢混入德国 Westnetz 公司的天然气分配网络Energiepark Mainz德国2015掺氢比 0 15%P2G NFCRC美国2016掺氢比 0 3.4%HyDeploy英国2016将 0.5 MW 电力机组生产的氢气注入英国的天然气网络中ENGIE GRHYD法国2018从 2018 年起，在 100 个新住宅社区的天然气管网中加入 10%的氢气，示范期为两年（到 2020 年增加到 20%）Wind to Gas Brunsbuttel德国2019掺氢比 0 2%，为天然气加气站提供含氢天然气ITM Power HyDeploy英国2019掺氢比 0 20%，英国首个将氢气混入天然气的供应系统，且无需更改设备SNAM 燃气公司意大利2019掺氢比 5%，每年向天然气管网注入 35108 m3氢气朝阳掺氢天然气管道示范项目中国2019全国首座电解制氢掺入天然气项目张家口掺氢天然气管道示范项目中国2020掺氢天然气应用于张家口市的商用、民用用户和 HCNG 汽车Avacon 项目德国2020在萨克森安哈尔特州的天然气管网中掺氢119第 3 5 卷第 1 期2 0 2 3 年 2 月马青峰等：受限空间掺氢天然气泄漏与燃爆特性研究综述尽管将氢气与天然气混合输送能够节省投资和运行成本，但掺氢比较高时，在管道材料、安全和终端设备等方面都会带来许多挑战（见图 2）。在任何特定的管道系统中容纳更高比例的氢气所带来的高风险需要与添加氢气带来的收益进行权衡，并综合考虑管道材料、安全和终端设备或其他用途所需进行适配性修正。目前，天然气管输技术已经成熟，氢的掺入将会带来新的技术和安全问题，氢气分子量小、扩散速度快，掺氢管道面临的泄漏扩散风险更大；泄漏扩散后的氢气密度小，更容易向上扩散，在城市燃气管廊和终端用户等受限空间容易形成危险气体积聚，而纯氢和掺氢燃气较大的燃爆浓度范围进一步升高了事故的风险概率；氢气点火能低、燃烧速度快，燃烧及加速燃烧导致的爆轰等可能导致更高的事故概率和伤害后果，掺氢天然气的安全问题是氢能大规模利用亟待解决的关键问题，需要从机理模型到安全评价等方面开展研究。本文着重探讨了掺氢天然气在受限空间中的积聚和燃爆安全问题，对今后的发展方向进行了展望，给出了研究建议。掺氢天然气输送和利用安全因素对管道系统的影响对下游用户的影响对泄漏后果的影响管材适应性泄漏/积聚/扩散爆炸风险对压缩机、管件影响对民