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掺氢天然气的管道输运特性仿真与分析

化工进展 2024年第1期43卷 390-399页

作者：封德彬王文马凡华上海交通大学制冷与低温技术研究所上海200241 清华大学车辆与运载学院北京100084

掺氢天然气(HCNG)输送是利用现有天然气管线实现氢气长距离运输的一种可行方案,天然气中因氢气的加入使得输运气体的物性发生明显变化,从而对管道的输运特性造成一定影响。本文对掺氢混合气的流动及换热过程进行了分析建模,对天然气掺... 详细信息

掺氢天然气(HCNG)输送是利用现有天然气管线实现氢气长距离运输的一种可行方案,天然气中因氢气的加入使得输运气体的物性发生明显变化,从而对管道的输运特性造成一定影响。本文对掺氢混合气的流动及换热过程进行了分析建模,对天然气掺氢管道的运行特性进行了计算分析,并在计算中使用物性快速计算公式代替BWRS方程进行物性求解以提高计算效率。根据计算结果,氢气与天然气混合气体的黏度、密度、体积热值和焦耳-汤姆逊效应系数随着掺氢比例的增加而下降,比热容和压缩因子随掺氢比例的增加而增加;在管道运行中,管输体积流量随掺氢比例的增加而上升,管道压降和管道管存随之下降,管道的能量流量先下降后在大掺氢比后略有回升;管道能量流量恒定时,管道出口压力先降低后略有升高;氢气的加入会削弱长输管线压降导致的温度降低;地面温度对于管输流量和能量流量影响较小。

关键词：氢掺氢天然气管道输送掺氢比数值模拟

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静置工况条件下掺氢天然气浓度分布规律

天然气工业 2024年第2期44卷 145-155页

作者：李敬法宇波苏越刘翠伟李玉星北京石油化工学院机械工程学院中国石油大学(北京)机械与储运工程学院中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院

利用天然气管道进行掺氢输送已成为氢能及天然气输送领域的热点和重点,但当前业界对于掺氢天然气在管道输送和停输静置过程中是否会自发分层一直存在较大争议。为了厘清该问题,以掺氢天然气在管道中静置这一极端工况为例,基于热力学能... 详细信息

利用天然气管道进行掺氢输送已成为氢能及天然气输送领域的热点和重点,但当前业界对于掺氢天然气在管道输送和停输静置过程中是否会自发分层一直存在较大争议。为了厘清该问题,以掺氢天然气在管道中静置这一极端工况为例,基于热力学能量最小原理,推导了在重力场作用下掺氢天然气浓度分布数学模型,并采用Peng-Robinson真实气体状态方程对该数学模型进行了求解,最后研究了甲烷—氢气二元组分混合气体在4种典型场景高度和5种掺氢比下氢浓度随高度的分布规律。研究结果表明:(1)在重力影响下管道顶部和底部的氢浓度存在差异,但其受高度差的影响显著,对于米级的水平管道、几十米级的一般城镇楼宇天然气立管、百米级的高层楼宇天然气立管,氢浓度随高度变化的差异微小,可完全忽略氢分层;(2)对于千米级大落差的掺氢天然气管道,当掺氢比不超过20%时,氢分层仍可忽略,但当掺氢比很高时(例如50%)管道顶部和底部的氢浓度差将超过1%,此时需考虑工程实际情况评估能否忽略氢分层;(3)西气东输某管道考虑真实气体组成、掺氢比20%、管道落差200 m时,各气体组分的浓度随落差高度的分布规律揭示了在实际工程中此类落差高度的掺氢天然气氢分层可忽略。结论认为,对于掺混均匀的掺氢天然气在静置这种最容易发生分层的极端工况下,如果不存在千米级极端大落差和极端大掺氢比,掺氢天然气管道分层现象可完全忽略;该认识从理论上厘清了目前关于掺氢天然气分层现象的争议,对掺氢天然气管道安全输送具有重要指导意义。

关键词：掺氢天然气氢分层掺氢比能量最小原理静置工况

Co掺杂Sr_(0.95)Ti_(0.4)Fe_(0.6)O_(3-δ)阳极SOFC制备及在掺氢天然气下的性能

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硅酸盐学报 2024年第1期52卷 1-8页

作者：张婉晨吕秋秋朱腾龙钟秦南京理工大学化学与化工学院南京210094

天然气管道掺氢是实现大规模、长距离输氢的关键技术之一。通过固体氧化物燃料电池(SOFC)直接利用掺氢天然气发电或开展冷热电联供,不需要进行氢气分离提纯,就可实现能量的高效转化利用。针对掺氢天然气燃料对SOFC阳极性能及稳定性的需... 详细信息

天然气管道掺氢是实现大规模、长距离输氢的关键技术之一。通过固体氧化物燃料电池(SOFC)直接利用掺氢天然气发电或开展冷热电联供,不需要进行氢气分离提纯,就可实现能量的高效转化利用。针对掺氢天然气燃料对SOFC阳极性能及稳定性的需求,采用高温固相合成法制备了Sr_(0.95)Ti_(0.4-x)Fe_(0.6)O_(3-δ)(STFC,x=0.03,0.05,0.07)阳极,研究了材料结构演变、多孔阳极导电特性及不同掺氢比甲烷燃料下的单电池性能及稳定性。结果表明,STFC钙钛矿氧化物经过加湿氢气还原后表面析出纳米Co-Fe合金颗粒,且析出组分随Co掺杂含量增大而增多。在800℃和加湿氢气下,STFC多孔电极的电导率为3 S/cm;在800℃掺氢比20%(体积分数)甲烷燃料中,单电池峰值功率密度达到0.457 W/cm^(2),在0.14 A/cm^(2)电流密度下连续运行140 h,表现出较好的性能及长期稳定性。

关键词：固体氧化物燃料电池钙钛矿阳极掺氢天然气电化学性能

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方形容器内掺氢天然气爆炸抑制实验研究

清华大学学报（自然科学版） 2024年第6期64卷 953-958页

作者：李满厚汲世杰合肥工业大学土木与水利工程学院合肥230009 安徽省氢安全国际联合研究中心合肥230009

为探究掺氢天然气在方形受限空间中的爆炸特性及七氟丙烷/二氧化碳对其爆炸抑制作用,在0.5 m×0.5 m×0.5 m的方形爆炸容器中进行掺氢天然气抑爆实验研究。首先进行掺氢体积分数0%~50%的掺氢天然气爆炸特性研究,结果表明:随着掺氢比例增... 详细信息

为探究掺氢天然气在方形受限空间中的爆炸特性及七氟丙烷/二氧化碳对其爆炸抑制作用,在0.5 m×0.5 m×0.5 m的方形爆炸容器中进行掺氢天然气抑爆实验研究。首先进行掺氢体积分数0%~50%的掺氢天然气爆炸特性研究,结果表明:随着掺氢比例增大,最大爆炸超压和火焰传播速度都呈现上升趋势。随后在甲烷中掺入50%体积分数氢气开展二氧化碳或七氟丙烷抑爆实验,分析了最大爆炸超压、达到最大爆炸超压延迟时间、火焰传播速度等关键爆炸参数在不同抑爆剂体积分数下的演变规律。结果表明:随着抑爆剂体积分数增加,最大爆炸超压快速衰减,达到最大爆炸超压延迟时间延长。高速图像采集结果表明:火焰面拉伸明显,球形火焰传播速度显著减小。选取两种抑爆剂的不同体积分数下抑爆参数值进行对比,发现在二氧化碳体积分数是七氟丙烷2倍情况下,二者对最大爆炸超压的抑制效果相当;在10%体积分数七氟丙烷和20%体积分数二氧化碳作用下均可达到完全抑制,最大爆炸超压分别下降了98.0%和94.4%。两种抑爆剂都具有物理和化学抑爆作用,但七氟丙烷的抑爆效果明显优于二氧化碳。

关键词：掺氢天然气七氟丙烷二氧化碳掺氢比例抑爆

以掺氢天然气为燃料直接内重整固体氧化物电池堆的稳定性

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电化学（中英文） 2024年第1期30卷 46-54页

作者：汤亚飞武安祺韩贝贝刘华包善军林王林陈铭官万兵 Subhash C.Singhal 中国科学院宁波材料技术与工程研究所浙江宁波315201 浙江启明电力集团有限公司浙江舟山316099 浙江大学舟山海洋研究中心浙江舟山316021 丹麦技术大学能源转换与储存系川麦哥本哈根

本文研究了掺氢天然气直接内重整平管型固体氧化物电池短堆的长期稳定性和衰减机理。通过约3000小时的实测实验,结果显示,电堆的总体衰减率为2.3%·kh^(-1),电堆中三个金属连接板的面积比电阻分别增加了0.276Ω·cm^(2)、0.254Ω·cm^(2... 详细信息

本文研究了掺氢天然气直接内重整平管型固体氧化物电池短堆的长期稳定性和衰减机理。通过约3000小时的实测实验,结果显示,电堆的总体衰减率为2.3%·kh^(-1),电堆中三个金属连接板的面积比电阻分别增加了0.276Ω·cm^(2)、0.254Ω·cm^(2)和0.249Ω·cm^(2),但电堆中两个电池的电压反而分别增加了3.38 m V·kh^(-1)和3.78 m V·kh^(-1)。电堆衰减主要由金属连接件表层氧化及其与阴极集流层材料反应生成Sr CrO_(4)物质,两者共同作用增大了电池与金属连接体间的界面电阻所致。结果表明,以掺氢天然气为燃料直接内重整平管型固体氧化物燃料电池电堆具有良好的稳定性。本文工作为掺氢天然气在固体氧化物燃料电池堆中的直接内重整应用提供了理论参考与实验依据。

关键词：掺氢天然气内重整稳定性固体氧化物电堆

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开敞空间掺氢天然气爆燃特性影响因素研究

中国安全生产科学技术 2024年第6期20卷 85-91页

作者：徐中墨李舒泓刘振翼黄政润北京理工大学机电学院北京100081

为加深对开放空间内低掺氢比天然气爆燃特性的了解,在当量比1.1条件下,对不同掺氢比下掺氢甲烷混合气进行试验研究,分析掺氢比例、湍流扰动对火焰形态、火焰传播速度和爆燃超压的影响。研究结果表明:掺氢比例对反应有单向促进作用,随着... 详细信息

为加深对开放空间内低掺氢比天然气爆燃特性的了解,在当量比1.1条件下,对不同掺氢比下掺氢甲烷混合气进行试验研究,分析掺氢比例、湍流扰动对火焰形态、火焰传播速度和爆燃超压的影响。研究结果表明:掺氢比例对反应有单向促进作用,随着掺氢比例的提高,掺氢天然气的火焰形态变化明显,火焰传播速度增大,爆燃超压峰值加速上升,爆燃冲击波传播能力增强;初始湍流则对反应起到促进和抑制的双向作用;开放空间掺氢天然气爆燃超压峰值与最大火焰速度存在的正比例线型关系,可借助拟合公式通过最大火焰速度估算爆燃超压峰值。研究结果可为低掺氢比掺氢天然气管线落地应用提供理论支撑。

关键词：掺氢天然气低掺氢比湍流爆燃

掺氢天然气丙烷预冷混合制冷剂液化分离影响因素

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油气与新能源 2024年第3期36卷 21-29页

作者：王琳朱辰杨中峰张永祥惠文颖西南石油大学机电工程学院成都610500 中国石油华北油田公司河北辛集052360 中国石油天然气管道工程有限公司河北廊坊065000 国家石油天然气管网集团有限公司甘肃分公司兰州730000

目前常用的拖车及罐车输氢方式运输量小、投入成本高,将天然气作为氢气运输的载体,利用天然气管网进行运输是实现氢气大规模、长距离运输的重要方式,经管网运输后的掺氢天然气可以直接利用或分离再利用。利用ASPEN HYSYS软件建立掺氢天... 详细信息

目前常用的拖车及罐车输氢方式运输量小、投入成本高,将天然气作为氢气运输的载体,利用天然气管网进行运输是实现氢气大规模、长距离运输的重要方式,经管网运输后的掺氢天然气可以直接利用或分离再利用。利用ASPEN HYSYS软件建立掺氢天然气液化分离工艺模型,通过对掺氢天然气液化分离工艺流程的对比,确定采用丙烷预冷混合制冷剂液化分离工艺。通过对不同掺氢比的原料气在不同的入口流量、压力、温度条件下,液化分离所产生的功耗、比功耗,以及氢气分离率、天然气液化率的分析,得出结论:掺氢比越高,氢气分离率越高,天然气液化率越低。在丙烷预冷混合制冷剂液化工艺中,可以通过提高原料气压力及流量、降低原料气温度,从而降低液化工艺的功耗,优化液化工艺流程。

关键词：氢气天然气液化分离掺氢天然气

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掺氢天然气非预混燃烧特性实验研究

天然气与石油 2024年

作者：陈石义何松肖娟王斯民廖勇浙江能源天然气集团有限公司西安交通大学化学工程与技术学院中国石油工程建设有限公司西南分公司

以天然气掺氢技术为背景，构建一种非预混钝体同轴燃烧器及实验系统，测试了掺氢天然气(主要成分为CH4)在不同燃料流速、掺氢比及当量比的火焰结构和污染物排放浓度，并考察了内构件对燃烧性能的影响。结果表明，掺氢后火焰高度降低，C... 详细信息

以天然气掺氢技术为背景，构建一种非预混钝体同轴燃烧器及实验系统，测试了掺氢天然气(主要成分为CH4)在不同燃料流速、掺氢比及当量比的火焰结构和污染物排放浓度，并考察了内构件对燃烧性能的影响。结果表明，掺氢后火焰高度降低，CO排放浓度减小，但NOX排放浓度增加。当掺氢比达到80%时，CO排放浓度减小93.5%，NOX排放浓度增加1倍左右。随着燃料流速增加，火焰逐渐变长变宽，CO与NOX排放浓度均增加；当量比小于0.7时，随着当量比增加，燃烧室热损失降低，平均温度升高，CO排放浓度减小，而NOX排放浓度增加；不同内构件的掺氢CH4燃烧性能差异较大，钝体—旋流内构件不仅可以减小51.0%的NOX排放浓度，还可以增强燃烧的均匀程度及稳定性。研究结果对同轴燃烧器的设计、优化和应用具有参考意义，有助于推动天然气掺氢技术的发展。

关键词：掺氢天然气贫燃燃烧非预混当量比钝体污染物排放

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掺氢天然气管道本体及焊缝裂纹扩展研究进展

安全与环境学报 2024年

作者：吴瑕谭旻倩张沁蕊贾文龙西南石油大学石油与天然气工程学院资阳石油钢管有限公司

天然气管道掺氢输送是实现大规模输氢的有效方式，然而管道钢本体及焊缝在渗氢后会因氢脆而加剧裂纹扩展。综述了不同氢分压、加载频率、残余应力等条件下，管道本体与焊缝渗氢后的裂纹扩展试验研究进展，总结了渗氢钢材的裂纹扩展机制... 详细信息

天然气管道掺氢输送是实现大规模输氢的有效方式，然而管道钢本体及焊缝在渗氢后会因氢脆而加剧裂纹扩展。综述了不同氢分压、加载频率、残余应力等条件下，管道本体与焊缝渗氢后的裂纹扩展试验研究进展，总结了渗氢钢材的裂纹扩展机制，分析了钢材裂纹扩展的理论和唯象模型，介绍了分子动力学模拟、有限元方法等数值模拟技术在掺氢钢材裂纹扩展研究领域的应用。对照天然气管道掺氢输送后本体及焊缝的安全性管理需求，分析了试验、理论及数值模拟三方面研究在预测和防止管道裂纹扩展方面尚存在的不足，阐明了下一步研究的机遇与挑战，提出了试验、理论及模拟三方面的协同研究方法路径，为维护掺氢天然气管道运行全生命周期的安全提供了借鉴。

关键词：安全工程掺氢天然气氢脆裂纹扩展氢与材料相容性