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5 月 26 日 周 五 本文约4600字，阅读约需6分钟 作者：张天光 作者相关文章：好文集锦·年度回顾 |张天光专栏 一、概述 随着碳达峰、碳中和的要求，能源应用过程中的碳排放成了一项重要的指标。城镇燃气中天然气是主要的能源，天然气虽然属于清洁能源但还不是低碳能源。 氢气在燃烧过程中不会产生碳排放，是相对理想的低碳（氢气在生产过程中也会产生一些碳排放）能源。 国家发改委、国家能源局2022年3月印发的《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》提出，要开展掺氢天然气管道、纯氢管道等试点示范。 近期，我国首条“西氢东送”输氢管道示范工程被纳入《石油天然气“全国一张网”建设实施方案》，标志着我国氢气规模化应用进入新阶段。 近年来有关氢的标准规范密集发布，反映出氢在当前形势下的热点。 氢气在工业生产中是一种常用的化工原料，但作为燃气现在还是主要用于车用燃料（包括燃料电池），已经开始准备在天然气中加入氢气，现在还是试水阶段。 尽管目前城镇燃气还不是氢气应用的主要方向，相信将来随着氢气产能的增大和减少碳排放的要求，其在城镇燃气中的份额会逐步增加的。 二、氢气的特点及危险性 GB4962-2008《氢气使用安全技术规程》 附录A（资料性附录） 氢气的危险特性 A.1氢气无色、无臭、无味,空气中高浓度氢气易造成缺氧,会使人窒息。氢气比空气轻，相对密度(空气=1):0.07,氢气泄漏后会迅速向高处扩散；氢气与空气混合容易形成爆炸性混合物。 A.2氢气极易燃烧,属2.1类易燃气体。氢气点火能量很低,在空气中的最小点火能为0.019 mJ,在氧气中的最小点火能为0. 007 mJ.一般撞击、摩擦、不同电位之间的放电、各种爆炸材料的引燃、明火、热气流、高温烟气、雷电感应、电磁辐射等都可点燃氢一空气混合物,氢气燃烧时的火焰没有颜色,肉眼不易察觉。 A.3氢气在空气中的爆炸范围较宽,为4%一75%(体积分数）,在氧气中的爆炸范围为4.5%—95%(体积分数),因此氢气—空气混合物很容易发生爆燃,爆燃产生的热气体迅速膨胀,形成的冲击波会对人员造成伤亡,对周围设备及附近的建筑物造成破坏。 A4,氢气的化学活性很大,与空气、氧、卤素和强氧化剂能发生剧烈反应,有燃烧爆炸的危险,而金属催化剂如铂和镍等会促进上述反应。 GB/T29729-2022《氢系统安全的基本要求》 附录C(资料性）氢气的燃烧特性
说明：两个标准因为数据来源不同，有的数据有少许差别。 虽然天然气也有一副“爆”脾气，但与氢气相比还是稍逊一筹，有些指标不在一个数量级上，氢气的脾气非常“爆”躁，性质活跃，以柔克刚，并具有较强的扩散和逃逸能力，比天然气更具有危险性，与其打交道要倍加小心，绝不可以掉以“氢”心。 三、城燃企业面临的挑战 氢气进入城镇燃气实质上就是一次气源转换（置换），只要是气源转换（置换）就会存在这样那样的问题，有的是共性问题，有的是个性问题，个性问题与气源性质相关。 虽然氢气和天然气都是气体燃料，但其特性相差很多，氢气进入城镇燃气后城燃企业会面临诸多挑战，要求城燃企业的管理水平、人员素质、管道及各种设备设施都需要上一个新的台阶。 城燃企业可能会面临如下挑战： 1. 对燃气互换性的影响 燃气的互换性就是新的燃气与原有燃具的适配性问题。燃具在气源改变时不仅要求使用安全，而且各项指标也不能降低，如热效率、额定输出功率、废气排放等。天然气中混入氢气后，混合气体的体积发热量、密度、沃泊指数都会发生变化，这种变化达到一定程度就会与原来的燃具不相容，导致燃具燃烧效率降低、点不着火或者不能产生稳定的火焰、废气排放超标等诸多问题。 燃具量大面广，牵一发而动全身，这些问题不能靠城燃企业自己来解决，行业或者燃具生产厂家应先行进行研究试验，给出指导意见，同时还需要生产适合不同含氢量的燃具。 除了民用或者餐饮用燃具外，大量燃气锅炉用燃气燃烧器的燃气互换性问题也应该关注。 2. 对防爆电气设备的影响 Ⅱ类（工厂用）电气设备，按其适用于爆炸性气体混合物最大试验安全间隙或最小点燃电流比分为A、B、C三级，并按其最高表面温度分为T1~T6六组。 天然气的级别和温度组别：天然气成分中甲烷、乙烷、丙烷、丁烷的级别都是ⅡA；温度组别甲烷、乙烷、丙烷为T1，丁烷为T2。 氢气的级别和温度组别：氢气的级别为ⅡC，温度组别为T1。 氢气最低应该选用ⅡCT1等级的防爆电气设备。事实上，从成本考虑，以天然气为气源的场所一般不会选择适用于氢气环境防爆等级这样高的防爆电气设备（一般在选型时也不会按照最低要求选择，还是留有余量的）。 GB50058-2014 《爆炸危险环境电力装置设计规范》 5.2爆炸性环境电气设备的选择 5.2.3 防爆电气设备的级别和组别不应低于该爆炸性气体环境内爆炸性气体混合物的级别和组别，并应符合下列规定： 1.气体、蒸气或粉尘分级与电气设备类别的关系应符合表5.2.3-1的规定。当存在有两种以上可燃物质形成的爆炸性混合物时，应按照混合后的爆炸性混合物的级别和组别选用防爆设备，无据可查又不可能进行试验时，可按照危险程度较高的级别和组别选用防爆电气设备。 对于标有适用于特定的气体、蒸气的环境防爆电气设备，没有经过鉴定，不得使用于其它气体环境内。 纯氢气气源场站的防爆电气设备的防爆等级应该按照氢气环境标准来选择。 对于在天然气中加入氢气的情况，其防爆等级与氢气在天然气中的含量有关。如果“无据可查又不可能进行试验时，可按照危险程度较高的级别和组别选用防爆电气设备。”这种情况应该按照氢气环境的防爆等级选择或者更换电气设备。 在天然气中加入氢气时，城燃企业应该事先确认是否需要升级既有电气设备的防爆等级，也就是现有的防爆电气设备是否符合天然气-氢气混合物气体环境的防爆要求。 氢气环境防爆标准高于天然气环境防爆标准，除了电气设备防爆，其他的防爆措施(爆炸性环境防护系统)也是需要按照氢气环境标准升级。 3. 对燃气输配设备设施密封性的影响 泄漏常常是爆炸的先决条件，甚至是因果关系，往往是先有泄漏后有爆炸，防漏是确保燃气安全的重要措施。 表示泄漏量的大小叫做漏率。漏率是在规定的条件下，一种特定气体通过漏孔的流量。 漏孔的漏率与漏孔两端的差压成正比；在分子流动状态下，漏孔的漏率与气体的分子量的平方根成正比。也就是说，在漏孔一定的情况下，漏孔两端的差压越大，单位时间内泄漏量越大；气体的分子量越小，单位时间内泄漏量越大。甲烷的分子量是16.0428，而氢气的分子量是2.0159，在同样的漏孔和差压的条件下，氢气比甲烷更容易通过漏孔。 相对于天然气，氢气对密封要求更严格，可能存在燃气管道或者设备设施在通过天然气时不漏而通过氢气时会泄漏的情况，这个问题对燃气输配系统的完整性管理是一个考验。 氢气密度小，在空气中扩散系数大，泄漏的气体容易扩散。这个特点的利弊分两方面看：如果是封闭空间，则氢气泄漏后会迅速充满空间并达到爆炸极限；倘若是开放空间，则泄漏的氢气会迅速被空气稀释、扩散，使其在空气中的浓度不能达到爆炸下限或者很快降到爆炸下限以下，如在短时间内大量的泄漏也是不安全的。 4. 对燃气计量器具的影响 多数气体流量计量器具对被测介质的密度变化是敏感的，如果介质的实际密度偏离设计密度，就会产生测量误差。由于氢气与天然气的密度相差很大，在天然气中掺入少量的氢气就会使混合气体的密度减少了很多，这时一些流量计量器具就会产生计量偏差，其对不同原理的流量计量器具的影响是不一样的。 对几种燃气计量器具的影响： 1）气体涡轮流量计。气体密度变化会带来气体涡轮流量计范围度、压力损失以及准确度的变化。 2）气体超声波流量计（燃气表）。氢气的密度远小于天然气和声速远大于天然气，严重偏离天然气的特性，在天然气中加入氢气后，这些特性变化会导致气体超声波流量计（燃气表）产生计量误差。 3）热式质量流量计（燃气表）。因氢气比热容cp值与天然气相差较大，密度也比天然气小很多，在天然气中加入氢气后，其测量值会产生较大的误差。 一般热式质量流量计（燃气表）以空气作为检定（校准）介质，天然气中加入氢气后，在检定（校准）时应该重新进行空气和燃气关系试验验证。 城燃企业应该事先评估在天然气混入氢气后对现有各种燃气计量器具所带来的影响。 5.对燃气检测仪器的影响 燃气检测仪器是燃气应用安全的卫士，其灵敏度和准确性是其基本要求。现在配置的燃气检测仪器大多数都是以天然气为检测对象的，并以甲烷标准气体作为检定校准用的标准气体，在天然气中加入氢气后，检测仪器的灵敏度会发生变化，导致测量结果不准或者不能检测。检测仪器的报警点也应该根据混合气体爆炸下限的变化进行相应的调整。 气体传感器的性能和指标决定燃气检测仪器的性能和指标，对传感器的影响就是对检测仪器的影响，不同原理的传感器影响不同。 对几种常用气体传感器的影响： 1）催化燃烧式气体传感器。催化燃烧式气体传感器输出的信号与被测介质燃烧时所释放的热量成正比，也可以看做是可燃气体的能量检测装置。因为可燃气体的燃烧热不同,导致同一传感器对不同的可燃气体灵敏度是不一样的，氢气的体积燃烧热比甲烷的体积燃烧热低很多，所以用检测天然气的检测仪在测量含有氢气的燃气时会产生很大的测量误差。在天然气中加入氢气后应该用实际混合气体的标准气对采用催化燃烧式气体传感器的检测仪器进行重新标定。 2）红外式气体传感器。红外气体传感器是一种基于不同气体分子对近红外光谱选择吸收特性，利用气体浓度与吸收强度关系(朗伯-比尔Lambert-Beer定律)鉴别气体组分并确定其浓度的气体传感装置。具有对称结构的双原子气体及一些单原子惰性气体不能吸收一定波长的红外线，氢气就是具有对称结构的双原子气体，所以红外式可燃气体传感器无法检测到氢气。 3）热导式气体传感器。热导式气体传感器根据不同的气体与空气导热系数的差异来测量气体浓度的。采用热导式气体传感器的检测仪器通常用于高浓度可燃气体测量，如燃气综合检测仪中测量范围为0-100％甲烷浓度所配的传感器就是热导式气体传感器。由于氢气的导热系数远远超过甲烷，只要天然气中含有少量的氢气就会产生较大的测量误差，这时需要对检测仪用实际气体进行重新标定。 对其他类型的可燃气体传感器也是有影响的，在这里就不一一赘述了。 6. 其他 氢气的能量密度低于天然气，体积发热量仅为天然气的1/3，在天然气中加入氢气后，单位体积的热值会降低，同样热负荷的用气设备燃气耗量会增加，这样会占用更多的输气资源，如果原来管网余量不大的话，就有可能出现输气能力不足的问题，其他输配设备设施及计量装置都有可能出现类似问题。 当混氢天然气的热值降低到一定程度时，量变导致质变，其质量就不符合国家标准GB17820-2018《天然气》的要求，这样的燃气就需要重新定义。 氢气进入城镇燃气会使城燃企业的安全投入增加，相应的管理成本、人力资源成本都会增加。 当然，氢气进入城镇燃气后城燃企业所面临的挑战可能不止以上这些问题。 四、结语 氢气的应用具有悠久的历史，但作为工业原料的氢气和城镇燃气的氢气使用环境不一样，应用场所所面对的群体不一样，其所带来的安全风险也不同。 城镇燃气最大的风险是安全风险，氢气的加入会使燃气的危险指数增大，安全风险也会变大。人是燃气安全的重要环节，目前人们对氢气的安全性和认知度有待提高，对其危险性认识不足，不少人还是青芒（氢盲）。 目前氢气进入城镇燃气的路线图还不清晰，但氢气无论以什么形式进入城镇燃气，都会对现有的城镇燃气输配系统、经营和管理体系造成冲击，城燃企业会面临诸多挑战，要未雨绸缪，做好迎接挑战的准备。 |
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