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作
者：
赵立前，党富华，张荷枝，付国英
第一作者单位：
中国石油天然气管道工程有限公司
摘自《煤气与热力》2022年11月刊
赵立前，党富华，张荷枝，等
.
天然气管道掺氢试验平台设计
［J］.
煤气与热力，
2022，42（11）
：B09-B13.
天然气掺氢在管道输送和终端利用具有优势
［
1-2
］
。氢气对管道产生的氢损伤程度与氢气体积分数、输送压力、管道材料性能等存在一定联系
［
3-4
］
。在天然气掺混氢气的管道输送方面，赵永志等
［
5
］
认为掺入的氢气对配送管道的影响较小，对输送管道的影响还需进一步评估，随着掺氢比例提升，风险增大。张小强等
［
6
］
分析了天然气掺混氢气的管材适用性，认为如果管道钢级低于或同于
X52
，则该
天然气管道
可用于输送氢气体积分数小于
10%
的混合天然气。因此，在天然气管道中添加氢气进行输送时，需针对输气工况和管材情况进行适应性分析，做到具体项目具体分析。国内已开展的天然气掺氢输送研究较多，主要包括管道输送掺氢比例、掺氢天然气对终端用户的影响
［
7-8
］
、管材适应性
［
6
］
、泄漏监测
［
9
］
、终端氢气提纯
［
10
］
等。国内诸多示范项目的开展受限于项目的持续时间和涉及范围
［
11
］
，仍有许多问题待进一步研究。本文设计掺氢综合试验平台（以下简称试验平台），以研究管材、设备、阀门焊缝等在不同掺氢比例下的适应性，推动我国掺氢研究成果试验验证，为掺氢的规模应用及工程实践提供试验支撑。
2
试验平台
试验平台搭建目标为：不同压力条件下同时进行不同掺氢比例的各种试验。不同压力通过压缩机加压以及调节阀控制实现；不同掺氢比例通过固定氢气流量、控制天然气注入流量实现；同时进行通过掺氢比例不同的掺混段串联安装，逐次降低掺氢比例并顺序通过试验段实现；各种试验指验证不同掺氢比例下，现有
天然气管道
管材、主要设备材料（
流量计
、过滤器、
阀门
）、检测仪表以及可燃气体探测器等适应性问题，现有天然气管道密封材料、地上及埋地管道焊缝适应性问题，以及氢脆产生的概率与风险评估等。
试验平台总体流程见图
1
。天然气和氢气分别经过滤、计量、限流、调压后进入第
1
级掺混段，掺混得到掺氢比例
25%
混合气，进入试验单元
1
进行试验。掺氢比例
25%
混合气进入第
2
级掺混段继续与天然气掺混，得到掺氢比例
12%
混合气，进入试验单元
2
进行试验。以此类推，分别得到掺氢比例
9%
混合气、掺氢比例
6%
混合气及进行相应试验。
从试验单元
4
出来的掺氢比例
6%
混合气进入下游城市燃气管网。
考虑安全因素以及试验平台功能的拓展性，试验平台设计压力为
4.5 MPa
。平台可以进行
4.0 MPa
、
2.5 MPa
、
1.6 MPa
、
0.8 MPa
及
0.4 MPa
等不同压力工况下，针对不同管材、设备及缺陷的试验。
与天然气相比，氢气具有密度小、最小点火能量低、爆炸范围宽、火焰温度高、扩散系数大等特点
［
6
］
。一定浓度的氢气进入天然气管道后，局部氢浓度饱和时会引起材料塑性下降、诱发裂纹或产生滞后断裂，发生氢脆。此外，氢还可能与管线钢中的碳反应生成甲烷，造成钢脱碳和产生微裂纹，导致钢的力学性能不可逆地劣化
［
12-14
］
，发生氢腐蚀，给管道运行带来较大安全隐患。
试验平台的掺氢混合气最终进入下游城市燃气管网。
GB/T 37124
—
2018
《进入天然气长输管道的气体质量要求》要求，进入天然气长输管道的天然气氢气摩尔分数≤
3%
。欧盟经验显示，
5%
、
10%
的掺氢比例普遍认为没问题，燃气互换性及燃具要求的合理掺氢比例上限约为
20%~27%
［
15-17
］
。国内尚无相关数据积累，结合国外经验，可将掺氢比例上限确定在
20%
。作为试验平台，我们把试验中掺氢比例上限上调至
25%
。其他掺氢比例定为
6%
、
9%
、
12%
。
根据下游天然气管网接收能力，试验平台设定近期和远期两个工况。近远期各掺混段氢气、天然气注入流量见表
1
。下文仅针对近期试验进行讨论。
表
1
各掺混段氢气、天然气注入流量
第
1
级掺混段掺混流程见图
2
。图
2
中左侧球阀是焊接连接，右侧球阀是法兰连接。氢气来气压力为
2.0 MPa
，经过滤、计量、限流、调压后，压力控制在
1.8 MPa
，流量控制在
36 m
3
/h
，进入第
1
级混合器。氢气过滤器、质量流量计、流量调节阀、调压阀串联安装，各设置
2
套，
1
用
1
备。
天然气来气压力为
2.0
MPa
，经过滤、计量、限流、调压后，压力控制在
1.75 MPa
，流量控制在
108 m
3
/h
，进入第
1
级混合器与氢气掺混，掺氢比例为
25%
。天然气过滤器、涡轮流量计、流量调节阀、调压阀串联安装，各设置
2
套，
1
用
1
备。
第
2
级掺混段、第
3
级掺混段、第
4
级掺混段掺混流程见图
3
。从第
1
级混合器出来的掺氢比例
25%
混合气进入试验单元
1
，试验后进入第
2
级掺混段。天然气经过计量、限流后，将压力控制在
1.75 MPa
、流量控制在
156 m
3
/h
，进入第
2
级混合器，与掺氢比例
25%
混合气掺混，掺氢比例
12%
混合气进入试验单元
2
。改变天然气流量重复上述流程，依次得到掺氢比例
9%
、
6%
混合气，分别进入对应的试验单元进行试验。
图
3
第
2
级掺混段、第
3
级掺混段、第
4
级掺混段掺混流程
第
2
级掺混段、第
3
级掺混段、第
4
级掺混段的天然气注入流程中，均设计量、限流功能，不再设备用管路。当某试验单元出现设备故障维修、更换等情况时，可通过开启试验单元前旁通球阀（见图
1
）越过该试验单元，可以保持后续试验单元正常测试。
试验单元流程见图
4
。各掺氢比例混合气进入试验单元，试验单元内串联安装测试用流量计，阀门（球阀、截止阀、调压阀、止回阀等），地上管材、焊缝试验段，埋地管材、焊缝试验段以及静压分层试验段，同时预留其他设备和阀门试验段。试验段各设备、管段采用法兰连接，由试验团队定期将设备、管段取下进行测试分析。
为精确控制掺氢比例，得到较准确的测试结果，应预先根据天然气、氢气及混合气参数（流量、压力、温度等）设定流量调节阀开度，对各掺混段混合气的掺氢比例进行检测。
在氢气注入管路和掺混段天然气注入管路各设置流量调节阀
1
个。试验平台掺混气体流量调节采用电动调节型球阀，配备调节型电动执行机构，与对应注入路流量计连锁，达到控制流量的目的。
电动调节型球阀的优点是准确限流且产生的压力降小，可保证下游气体压力稳定，使用寿命长，必要时可作为截断阀门使用。
试验平台设置气体组成分析仪表检测掺氢比例。掺氢比例测定方法一般有色谱法、红外光谱法、热导法等。试验平台采用基于热导法的热导分析仪检测掺氢比例。热导分析仪基于不同气体具有不同的热导率，采用敏感元件组成不平衡电桥，其输出信号正比于被测气体含量。
紧急停车（
ESD
）系统命令优先于任何操作方式。在进、出试验平台管路上设置紧急切断阀，在出试验平台管路上设置紧急放空阀。
ESD
系统可手动或自动触发。无论就地或者通过站控系统操作，
ESD
控制命令均可直接到达被控设备，并使它们按预定的顺序动作。所有
ESD
系统的动作将发出闭锁信号，使紧急切断阀在未接到人工复位命令前不能再次启动。
紧急切断阀由电动执行机构驱动，试验平台或上下游管道发生事故时，可关闭紧急切断阀，切断试验平台与上、下游管道的联系。若紧急切断阀关闭，紧急放空阀会自动打开，放空试验平台的氢气和天然气。紧急切断阀和紧急放空阀采用不间断电源供电，以保证厂站断电后阀门仍可操作。
在试验平台设置天然气泄漏探测器和氢气泄漏探测器。当探测器检测到气体泄漏时，报警控制器报警，报警信号上传至站控制系统及调度控制中心。站控制系统显示报警，并与安全仪表系统连锁。
天然气泄漏检测可采用红外点式可燃气体探测器、激光对射可燃气体探测器、云台式激光甲烷探测器
等
［
18
］
。本试验平台处于室外开放空间，红外点式可燃气体探测器使用效果不佳。激光对射可燃气体探测器受风雨等外界环境和设备沉降影响，易出现漏报或误报。经分析，采用云台式激光甲烷探测器。
试验平台采用超声波气体泄漏探测器对氢气泄漏进行探测。
试验平台设置
1
套火灾自动报警系统。在控制室设置火灾检测仪表，在试验平台设备区设置
8
台火焰探测器，其中
4
台接入报警控制器，由报警控制器将火焰探测器检测信号上传至火灾自动报警系统；另外
4
台作为安全检测设备接入安全仪表系统，由安全仪表系统执行连锁命令。
①开展更高压力、更高钢材等级管材、更高掺氢比例的试验
试验平台遵循试验压力逐渐增大、最大掺氢比例由
25%
逐渐增大的原则。前期试验压力
2
MPa
以下，后期提高到
4 MPa
；前期测试
20
钢、
L245
、
L360
材质的管材，后期测试高等级钢管材；前期掺氢比例为
3%~25%
，后期将最大掺氢比例由
25%
提升至
40%
。
试验平台前期测试流量计、球阀、截止阀、止回阀等常用设备材料，后期根据需要测试天然气管道上的其他设备材料。平台预留拓展试验的接口和安装空间，设备材料采用法兰连接，拓展试验时可直接拆卸、安装，避免动火作业。
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天然气掺氢输送与应用安全性研究综述
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