考虑输气功率的掺氢天然气管道运行优化研究

将氢气掺混入天然气并利用现有天然气管道基础设施输送是实现氢气长距离、大规模、低成本输送的有效方式,但氢气的掺入会对原有天然气管道基础设施的运行产生影响。为此,文章建立了掺氢天然气管道运行能耗优化模型,以压气站最小能耗为目标函数,压缩机开机台数和压缩机转速为决策变量,在掺氢比不同的工况下,分别对保持掺氢天然气的体积输量恒定和输气功率恒定的两种情况进行优化求解分析,对不同掺氢比下管道系统优化后的工况进行分析讨论。研究结果表明：在保证天然气掺氢输送的热值供应的基础上,当掺氢比超过15%时,现有天然气管道设施已无法满足最优工况的平稳运行,可以通过增设压缩机站的方式提高管段压力,以保证现有天然气管道输气功率的稳定,或在下游建设储气调峰设施,以平衡管存气体能量下降的影响。     

掺氢比对低排放燃烧室性能影响研究

为了探究传统天然气燃气轮机对氢气燃料的适应性,基于现役某型工业低排放燃气轮机结构和性能,用数值模拟方法分析了燃料中氢气比例对低排放燃烧室性能的影响,确定了燃烧室燃用甲烷和氢气燃料的换用性能。研究表明：在1.0额定工况,掺氢比小于等于30%时,燃烧室不发生回火,喷嘴内部和火焰筒肩部回流区的温度以及燃烧室的总压损失随掺氢比的升高而升高,NOx排放体积分数小幅升高,CO排放体积分数减少;当掺氢比大于30%时,燃烧室发生回火,喷嘴和火焰筒肩部回流区温度、总压损失、NOx排放体积分数大幅升高,CO排放基本为零。在其他工况下,负荷变化对燃烧室边界条件影响较为复杂,对喷嘴回火边界影响无单调性变化规律。     

天然气管道掺氢输送的风险分析

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。     

掺混氢气对甲烷/空气一维层流火焰的影响

当前社会对燃气的需求量巨大,通过可再生能源产生的氢气可以作为供给终端用户的燃料,但由于修建纯氢气的输运管道存在投资成本较高的问题,因此,通常选择将氢气掺入天然气管道进行输送应用。使用Chemkin-Pro软件对甲烷掺氢层流预混燃烧进行模拟,从化学动力学的角度探究掺混氢气对火焰的影响。结果表明：随着氢气比例的提高,火焰温度提高,但幅度不大,而当量比对燃烧温度的影响相对更大。掺氢后CO浓度的减少是因为甲烷的含量减少,掺混氢气后火焰燃烧速度增加。研究成果可为氢气掺混天然气的应用提供一定参考。     

氢气管输技术研究进展

利用现有“全国一张网”的天然气管道设施,将氢气掺入天然气管道输送,可有效解决中国氢气规模化输送难题。该文综述目前关于氢气管道输送的研究成果,总结氢气管道建设现状;分析输氢工艺安全性,阐述管线泄漏的危害性及防护措施,分别讨论高压输送管道、中低压配送管道和管道焊缝的相容性;归纳目前的燃气互换性方法及设备适应性。指出了目前氢气管输面临的问题：掺氢比例等参数对氢气渗透、聚集、泄漏、喷射火灾等安全问题的影响尚不明确;氢气与典型管材的相容性研究不足;缺少纯氢和掺氢管道输送技术相关标准规范体系。     

纯氢和天然气掺氢燃料发动机的试验研究

在某点燃式发动机上,试验研究了纯氢和不同比例天然气掺氢的燃烧与排放特性。结果表明：纯氢燃料燃烧快,燃烧持续期短,缸压和放热率升高率大且峰值较高,λ=1．1时,峰值压力为3．9MPa,燃烧持续期为12℃A。氢燃料的稀燃界限宽,过量空气系数λ=3时,峰值压力降低到1．7MPa,NOx排放趋于零。天然气掺氢可以改善天然气燃烧特性,拓展天然气的稀燃极限。在相同工况下,掺氢30％的混合气燃烧持续期比天然气缩短20℃A,但缸压峰值和NOx排放增加,这可以通过稀燃和优化点火提前角来降低峰值压力和NOx排放。掺氢30％的混合气可以在λ=1．857时稳定的工作,此时峰值压力降低到1．57MPa,NOx的排放小于50×10^-6。     

天然气发动机掺氢燃烧的探讨

根据氢气、天然气和天然气掺氢燃烧的一些特性，结合世界各国对天然气掺氢燃烧在发动机上应用的研究状况。探讨天然气发动机掺氢燃烧应用的前途和可行性。     

车用发动机燃用天然气掺氢燃料的性能计算分析与研究

为了研究天然气掺氢发动机的燃烧特性,从模拟试验的角度运用大型发动机软件建立了6缸火花点火天然气掺氢发动机的虚拟样机,并经过试验验证该模型基本准确.通过仿真计算得出,天然气发动机在掺入氢气之后,提高了燃烧速度,明显拓宽了发动机的稀燃极限.在掺入氢气30 %(体积百分比)时,发动机的综合性能指标较好;提高压缩比,指示热效率得到提高.     

天然气掺氢对家用燃气灶燃烧特性的影响研究

为了研究天然气掺氢后对家用燃气灶燃烧特性的影响,文章通过燃气互换性理论确定了天然气的最大掺氢比例为23%,在此基础上设置灶前压力分别为1 500,2 000,3 000 Pa,并对掺氢比例分别为5%,10%,15%,20%的天然气进行燃烧试验。试验结果表明:随着天然气掺氢比例的增加,家用燃气灶的一次空气系数逐渐增加,热负荷逐渐下降,热效率逐渐升高;天然气掺氢后,家用燃气灶烟气中的CO,NO,NO_x含量均低于纯天然气燃烧后的烟气。     

天然气/氢气燃烧特性研究

在定容燃烧弹中研究了不同氢气掺混比例、燃空当量比和初始压力下的大然气／氢气混合气的燃烧特性,建立了适合用于容弹计算的准维双区模型。研究结果表明：在各种当量比和初始压力下,随着掺氢比例的增加,混合气的质量燃烧速率明显增加,燃烧持续期和火焰发展期娃著缩短。随着掺氢比例的增加,短的燃烧持续期所对应的当量比范围变宽,稀混合气和浓混合气条件下天然气掺氢对火焰发展期缩短的效果更明显。化学计量比附近（1．0—1．1）掺氢燃烧对燃烧最大压力值影响不大,浓混合气（燃空当量比大于1．1）和稀混合气燃烧时,随着掺氢比例的增加,最大燃烧压力值增加。     

预燃室式天然气掺氢发动机燃烧及排放模拟

为探索掺氢对预燃室式大功率中速天然气发动机燃烧和排放的影响,采用计算流体动力学耦合化学动力学方法,在一台6ACD320型天然气发动机上,对氢气体积分数为0～ 30％的天然气-氢气混合燃料的燃烧过程进行了数值模拟.结果表明:在天然气中掺氢促使缸内产生了更多的0、OH等活性自由基,从而加速了缸内火焰传播,发动机的指示燃气消...     

燃气轮机燃烧室天然气掺氢的燃烧特性研究

为了研究某型号燃气轮机天然气燃料中掺混不同比例氢气的燃烧特性,采用Chemkin软件的PREMIX模型对一维层流预混火焰、GRI-Mech 3.0机理进行数值计算,分析不同比例天然气掺氢混合燃料的绝热火焰温度、层流预混火焰传播速度和点火延迟时间等燃烧特性参数及其随当量比、压力和温度的变化规律,得到不同比例掺氢燃料的燃烧特性。结果显示：随着掺氢比例的提高,燃料燃烧特性参数的变化速率加快,氢气含量低于20%时,参数变化相对缓和,设计鲁棒性较好的燃烧室可以直接更换燃料;氢气含量为20%～60%时,参数变化程度加剧,需要进行燃料适应性改造;氢气含量超过60%时,需要进行综合评估;燃料氢气含量从80%提高至纯氢将面临巨大挑战。     

天然气HCCI发动机进气温度管理

利用GT-SUITE软件建立天然气HCCI发动机计算模型,天然气化学反应动力学基于GRI-Mech 3.0。对天然气HCCI发动机燃烧关键影响因素、稳态及瞬态工况下的进气温度平衡以及能量分配进行研究分析。研究结果表明,进气温度和进气压力对燃烧的影响大于其他影响因素;瞬态工况下,Lambda加浓20%以及10%掺氢比例才能使需求进气温度和实际进气温度达到平衡;天然气发动机在HCCI模式下的有效功比SI模式高出1.7%,但摩擦损失比后者高出5.9%。     

稀燃天然气掺氢发动机的热效率与排放特性

为了分析在天然气中掺入不同体积比的氢气对发动机经济性和排放性的影响,在一台6缸火花点火天然气发动机上开展了体积掺氢比在不同工况下对热效率和排放特性影响的试验研究.结果显示掺氢可以拓宽发动机的稀燃极限,提高燃烧速度,使得最佳转矩点火提前角(MBT)相对推迟;在点火提前角不变的情况下掺氢对热效率没有明显优势,而且会使NOx排放升高.而在MBT时,掺氢可以一定程度上提高发动机的指示热效率,降低未燃CH4和CO的排放,改善NOx与未燃碳氢(主要为CH4)的trade-off关系.掺氢的优势还体现在可以让发动机高效的工作在更稀的情况下,从而有利于降低NOx的排放和传热损失.     

双碳背景下氢能产业发展及混氢输送工艺研究

氢能由于具有清洁、绿色、安全性高等特点,正成为我国能源结构转型升级的新方向。天然气管道掺氢输送对于加快我国构建清洁绿色,安全高效的能源体系,实现“碳达峰、碳中和”能源战略目标具有十分重要的意义。首先阐述了氢能在实现双碳目标中的作用,既可以减少化石能源的消耗,又可以促进终端能源消耗的绿色化发展。其次,总结了天然气掺氢产业发展现状,天然气掺氢输送作为氢能发展的重要环节,需要从上游制氢到下游终端利用全产业链技术的支持。最后,从燃气的互换性、设备与管道的适应性以及泄漏的安全性等方面对混氢输送工艺关键问题进行了分析。研究建议从管材氢脆腐蚀机理、储气设备泄漏危险分析、掺氢输送标准体系建设等方面继续深入研究,以期为双碳目标的实现提供有力的技术支持。     

氢混天然气燃气轮机加湿低氮燃烧性能研究

为了解贫预混燃烧室天然气掺氢加湿燃烧时的性能变化和容许加湿范围,解决氢混燃气轮机NO_x排放超标问题,以某燃气轮机燃烧室为研究对象,数值研究了掺氢比和加湿比对燃烧性能及污染物排放特性的影响。结果表明：燃料无加湿条件下,燃烧室出口CO和CO₂排放值随着掺氢比的增加而减小,较高燃烧温度将导致热力型NO_x排放值增加,掺氢比达到0.2以上时,NO_x排放已超出环保限值;燃料加湿条件下,随着加湿程度增加,燃气出口平均流速及水蒸气组分含量均增加,燃烧筒内全局温度、CO₂和NO_x排放值均降低,CO排放值先降低后增加;掺氢天然气加湿可实现低氮燃烧,考虑到低掺氢工况燃气轮机功率输出效能和高掺氢工况燃烧性能恶化问题,水蒸气加湿量不宜过多,当掺氢比为0.3时,推荐燃料加湿比为0.463。     

零碳燃料对燃气锅炉燃烧过程调控作用

利用小型化模拟炉膛开展了零碳燃料氢气对燃气锅炉燃烧过程调控作用实验研究,研究了掺氢比对炉膛内部预混火焰宏观形态、炉膛温度均匀性、炉膛污染物排放规律的影响,并总结了CO及NO_x的排放规律。实验结果表明：随着预混当量比增加,纯甲烷火焰长度逐渐缩短;对于20%掺氢火焰,随着预混程度的提高,火焰长度降低明显;不同火焰条件下,炉膛温度只由燃烧功率控制;改变燃烧条件时,处于壁面附近位置的温度变化较为平稳,而靠近火焰处温度变化较大;天然气中掺入氢气,燃烧时可以有效降低未燃CO排放;在相同预混程度下,全局当量比减小导致未燃空气增加,热量被稀释,火焰温度降低,热力型NO_x的生成降低;随着掺氢比的增加,燃烧时火焰温度升高,导致热力型NO_x排放增加。     

天然气发动机掺氢20%时瞬态排放性能研究

对天然气发动机掺氢20%(体积比)的瞬态性能进行了研究.主要研究包括不同催化器ETC循环排放的对比、不同加速加浓因子的排放对比以及20%天然气掺氢发动机(HCNG)与纯天然气发动机的排放对比.试验结果表明:三种催化器都能使天然气掺氢发动机排放达到环境友好型汽车标准.随着加速加浓因子的增大,发动机扭矩跟随性越好,但会造成各种排放同时上升,特别是Nox上升幅度很大.三种氧化型催化转化器转化效率大小排序为:ECOCATⅡ型>国产催化器>ECOCATⅠ型.对于这三种催化器来说,随着催化效率的提高,排气阻力加大,发动机动力性下降,燃料消耗率上升.掺入20%氢气后,在不带催化器的情况下,Nox、CO、NMHC、CH4排放和燃料消耗率相对于原天然气发动机分别下降51%、36%、60%、47%和7%.     

安庆石化用氢优化分析与建议

在对氢气需求量统计和各种加工方案分析的基础上,提出安庆石化用氢方案:新建装置制氢工艺应采用轻烃蒸汽转化法,制氢规模宜定为4.0×104t/a;顶出炼厂气作制氢原料;确定分级用氢原则,全厂设置高、低两个氢气管网,氢气提纯装置PSA-1出口供低压氢气管网,PSA-2和PSA-3出口供高压氢气管网,低压氢气管网压力按1.5～1.7MPa设置,高压氢气管网压力按2.0MPa设置,重整氢气进PSA-2。低压氢气管网满足蜡油加氢、柴油加氢Ⅲ和丁辛醇装置用氢需要,高压氢气管网供氢满足重油加氢装置需要,PSA-2重整尾气送制氢装置作原料。制氢装置原料选择和运转模式为:煤气化装置正常供氢期间,PSA-2重整尾气全部进制氢装置制氢;煤气化装置停工时,停苯乙烯装置,顶出焦化干气经原焦化干气制氢预处理设施加氢处理后,与PSA-2重整尾气共同作为制氢原料,以保证全厂氢气供应;制氢装置原料紧缺时,使用石脑油(或重整拔头油)作为补充原料。     

掺氢天然气充量均质压燃发动机燃烧和排放特性的数值模拟研究

为研究掺氢对天然气充量均质压燃（homogeneous charge compression ignition, HCCI）发动机的燃烧及排放特性的影响,基于化学反应动力学软件包CHEMKIN中的零维模型模拟天然气HCCI发动机在掺氢比为0%~40%时的燃烧过程及排放,并对其进行数值分析。结果表明：掺入氢气后缸内温度和放热率先略下降后上升而缸内压力变化不明显,着火时刻随掺氢比增加不断提前,CO和CO₂的生成浓度降低而NO的生成浓度上升。掺入氢气为体系提供大量H,使链分支和链传递反应加快,HO₂和OH生成速度加快,造成着火时刻提前。NO的总生成速率随掺氢比增加而加快。