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天然气掺氢管道适应性研究

天然气掺氢管道适应性研究

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作者：张建全中国石油大学(北京)

学位级别：硕士

随着日益严峻的能源短缺和环境恶化问题,全球能源行业开始以低碳、零碳、低污染作为能源变革方向,未来形成以传统能源和可再生能源为主的多元化能源结构。氢能作为清洁、零碳、高效的二次能源,可通过可再生能源制氢将无法消纳的能源进... 详细信息

随着日益严峻的能源短缺和环境恶化问题,全球能源行业开始以低碳、零碳、低污染作为能源变革方向,未来形成以传统能源和可再生能源为主的多元化能源结构。氢能作为清洁、零碳、高效的二次能源,可通过可再生能源制氢将无法消纳的能源进行储存,不仅能够解决资源浪费的问题,还能促进我国“双碳目标”实现。但我国天然气管道大部分服役期已有15-20年,输送高压纯氢可能会产生泄露、爆炸的危险。因此,需对天然气管线钢进行含氢环境下性能测试和掺氢天然气应用成本分析研究,明确其安全性和经济性。本文研究了20%掺氢天然气对城市燃气管网中Q235钢力学性能的影响。利用万能试验机和疲劳试验机进行慢应变速率拉伸试验、疲劳裂纹扩展速率试验和断裂韧性试验,获得含氢环境下试样的力学性能变化,判断管材劣化程度。试验结果发现,掺混20%氢气会降低Q235管材的拉伸性能,但影响程度不大;掺混20%氢气会加快Q235管材疲劳裂纹生长,且对管材焊缝处的疲劳裂纹扩展速率影响更大;掺混20%氢气会降低Q235管材的断裂韧性,并且随氢气浓度的增加,影响程度更大。本文针对城市燃气管道输送掺氢天然气时,管道的输配性能变化进行了研究。利用Pipeline Studio软件,对掺氢比例为0-15%下、长度为4 km的中压(0.4 MPa)、次高压(1.6 MPa)管道模型开展了稳态模拟计算。计算结果表明,输送管道掺氢后,管道压力会随着管输里程的增加而下降,温度随管输里程的增加而上升;管道终端压力随起始压力的增大而增大,且掺氢比例变化不会影响管道压力降;而管道终端温度随气源压力的升高,先增加后降低。且不同掺氢量会影响管道终端的气体温度,掺氢量越大,管道温度差越大。本文还研究了天然气掺氢混气示范站的成本和经济敏感性。利用铭星通用建设项目经济评价系统对天然气掺氢混气站模型开展了成本计算和关键因素敏感性研究。结果发现,天然气掺氢示范站购气成本主要受氢气价格的影响,降低氢气价格可以提高混气站的经济性;碳交易价格主要影响天然气掺氢示范站销售收入。随着北京市碳交易价格的升高,天然气掺氢站盈利相应上升;掺氢比例主要影响天然气掺氢混气站混气量(即购气成本)。当掺氢比例上升时,混氢站可购买更高价格的氢气;负荷率(设备补贴)主要影响天然气掺氢混气站营业收入,在保证混气站8%收益率的前提下,负荷率(设备补贴)越高,混氢站可购买更高价格的氢气。

关键词：天然气掺氢力学性能输配性能天然气掺氢混气示范站经济敏感性

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