天然气掺混氢气使用的可行性研究

随着化石燃料的日益枯竭,可再生能源以其清洁环保和可持续利用等特性成为研究热点。太阳能、风能以及水电等可再生能源生产具有不稳定性,在资源丰富而终端消耗低谷时,因无法消纳不得不弃用。解决可再生能源发电消纳的其中一个方案是将多余的电力转换为氢气作为燃料储存和使用,这不仅提高了能源的清洁性又保障了能源利用的稳定性。但是目前现有终端用户燃具多是为天然气以及液化石油气为基础而设计,氢气直接作为燃料供应则需要更换燃气用具并且要求敷设氢气输送管道,导致使用成本太高。由于天然气正处蓬勃发展的阶段,世界上已建成天然气管道数量庞大,其运输和承载能力巨大,因此将氢气掺入现有的天然气管网加以利用不失为一种较好的过渡方案。为研究天然气-氢气掺混配送及使用的可行性,本文对天然气管网掺氢工况下的输配系统安全性、燃具燃烧稳定性、管网输送能力等方面进行了理论、实验和模拟分析。主要研究内容及结论如下:(1)天然气掺氢气的互换性分析。利用华白数、燃烧势、A.G.A指数和韦弗指数进行互换性判定,加以爆炸极限计算、扩散性对比进行安全性分析。结果表明在甲烷当中掺混氢气的体积百分比小于24%时,掺混气与天然气基准气具有互换性。(2)设计立管实验,验证天然气-氢气掺混气于立管静置后,因密度不同情况的分层现象。测定和比较立管中不同高度甲烷与氢气比值在静置前后数值变化,实验结果显示前后比值相差甚小,表明在实验条件下立管中掺混气不会发生分层现象。(3)设计燃烧实验,测试天然气灶具掺氢燃烧时的稳定性及热工性能。比较了灶前压力为1kPa、2kPa、3kPa工况下甲烷掺混氢气体积百分数5%、10%、15%、20%时的燃烧特性,分析了掺氢对热负荷、灶具热效率、一次空气系数及烟气成分的影响。实验数据表明符合互换性要求的甲烷-氢气掺混气能在12T天然气灶具上稳定燃烧。(4)以现有江津J片区管网数据为依据建立拓扑模型,采用能量流量模式进行天然气管网掺氢工况下稳态/瞬态水力仿真。结果显示氢气掺混百分比和节点用气量越大,节点压力相对于未掺混时的压力下降幅度越大。