氢能被誉为最具发展潜力的清洁能源
[1],是一种灵活的能源载体,能够有效整合电力、供暖、交通及工业等多个部门的可再生资源,推动跨部门的能源协同
[2]。为实现大规模绿氢供应,亟需推进氢能生产技术的革新
[3]。然而,当前氢能的大规模输送已成为制约其广泛应用的关键瓶颈。管道运输被认为是大量氢气最具成本效益的方式,根据输送距离的不同,其运输成本估计为0.05~3美元/t
[4]。但新建专用氢能管道面临高昂的建设成本和较长的建设周期,难以满足短期内对氢能大规模输送的迫切需求。相比之下,现役天然气管网具有覆盖区域广、输送能力强、传输距离长及运行成本低等优势。因此,利用现有天然气输配管网及其基础设施掺混或输送氢气,被认为是实现低成本、规模化氢能供应的有效过渡途径
[5],可为工业和居民提供绿色能源。
1 氢气注入天然气的现状
天然气管道掺氢输送的关键问题是掺氢体积比多少。且掺氢体积比受到多种因素的影响,导致各个国家允许的最大掺氢体积比存在差异。欧、美多地先后开展了氢气注入天然气输送应用示范项目用来研究掺氢体积比对管道输送系统的影响。澳大利亚可再生能源署(Australian Renewable Energy Agency,ARENA)的报告显示,在掺氢体积比小于10%时,氢气注入天然气对天然气管道、设备等影响较小
[6]。德国目前允许的天然气最大掺氢体积比为2%,部分特批试点项目掺氢比例可达20%,如德国莱茵(TÜV Rheinland)埃尔夫特施塔特(Erftstadt)项目;意昂集团(E.ON)子公司AVACON在萨克森-安哈尔特州的试点计划将其运营的天然气管网最大掺氢体积比提高到20%
[7]。英国在天然气管网中的掺氢体积比达到20%
[8],预计每年可减少约600万t二氧化碳排放。美国Xcel能源公司在科罗拉多州推进掺氢示范项目,计划将2%~10%的氢气混入其运营的3 500 km长输管网与58 000 km城市管网,验证技术可行性。欧盟通过《氢气和脱碳气体市场一揽子立法》,规定成员国天然气跨境传输点必须接纳掺氢体积比大于2%的气流,并允许各传输系统在保障安全与气质的前提下,自主设定更高的本地掺氢体积比(如部分国家/项目采用5%)。韩国天然气公司(KOGAS)评估了将氢气注入5 000 km天然气长输管网的可行性,计划到2026年实现20%的掺氢体积比。葡萄牙的REN公司宣布,该公司1 375 km的高压天然气管网可以承受10%的掺氢体积比。为促进氢气的管道输送量,掺氢体积比在不断提高、规模在不断扩大,正进入大规模应用的准备阶段
[9]。氢气注入天然气的生产-运输-分配,如
图1所示。
中国氢气管道建设起步较晚,但中国天然气管道掺氢输送相关技术正在蓬勃发展
[10]。目前,中国已有约17条管线建成或列入规划
[11]。据报道,2023年4月16日,中国在利用现有天然气管道掺氢实现长距离混输技术上取得了新的突破,在中国石油天然气股份有限公司宁夏银川宁东天然气掺氢管道测试项目中,天然气掺氢体积比达到24%
[12]。2024年11月26日,内蒙古华电氢能工业天然气掺烧绿氢示范项目在包头市达茂旗点火成功,是中国首个工业天然气掺烧绿氢示范项目,采用“绿电制绿氢、产业用绿氢”模式,掺氢体积比例为20%。此外,随着海水制氢的迅速发展,中国首条海底掺氢管道已在广东省开始建设,全长55 km,预计每年输氢量可达40×10
8 m
3。2024年,浙江省能源集团有限公司顺利完成了城镇天然气30%掺氢的试验,这一掺氢比例不仅高于中华人民共和国住房和城乡建设部设定的20%安全标准,更超越了多个发达国家的实践水平。目前,中国长输天然气管道总里程超过12.8×10
4 km(含地方及区域管道)
[13]。相应地,中国的氢气产量全球第一,尤其是绿氢产量的比重也在逐年增加。天然气与氢能输运链共同的属性,为实现氢气大规模和长距离的管网运输和分配提供了基础。各国掺氢天然气项目的详细参数,如
表1所示。
目前,氢气注入在役天然气管道的体积分数尚未达成共识。同时,在氢气注入天然气在长输管网中的流动过程也存在着均匀流动和分层流动的讨论。然而,关于氢气和天然气混合物的混合过程和均匀性的研究正在逐渐增多。从早期(2004—2016年)有国外对氢经济相关的少量研究,到发展期(2016—2021年)中外对管道输送研究较多,最后到快速发展期(2021年至今)研究聚焦掺混、输送及应用等方面。
首先阐述氢气注入天然气的混合机理,从分子扩散和湍流扩散多维度分析混合的过程。归纳近年来中外氢气注入天然气的研究方法,梳理氢气注入天然气的掺混结构,对比不同掺混结构下的混合均匀性,探讨掺混器几何参数对混合均匀性的影响。阐述通过优化人工智能算法能够对氢气注入量、混合结构参数等进行精准调控,实现混合过程的智能化。最后对氢气注入天然气的研究现状做出总结和展望,为构建零碳氢能管网提供帮助,推动氢气注入天然气技术的发展。
2 掺混机理
两股或多股气体混合主要通过分子扩散和对流扩散两种形式,后者一般为湍流扩散,即气体流动处于湍流状态的对流扩散。当混合由某股气体流动主导和驱动时,往往需要通过特殊设计的掺混结构来实现主流和添加气流之间的均匀混合。其中,均匀性也是需要关注和控制的技术指标。氢气注入天然气的流动状态一般有三种:层流、过渡流和湍流
[14]。当氢气和天然气处于流动状态时,气流的湍流运动会加速两种气体的混合。管道中湍流运动会有很多漩涡出现,可以使气体在宏观尺度上快速地相互穿插和混合,大大缩短了混合均匀所需的时间。在氢气注入天然气的管道输送系统中,通过控制气体的流速和流向,可以利用对流作用实现氢气与天然气的快速混合。氢气注入天然气属于多种气体混合技术,需要考虑掺氢体积比、动量比和混合均匀性共三个环节,最终确定合适的比例,使得天然气氢气混合物在所有环节处于稳定安全状态。氢气注入天然气的掺混过程,如
图2[14]所示。
分子扩散指的是分子或者原子的热运动所形成的空间上的物质移动,在某种推动力作用下,例如混合物中浓度差、温度差,都会导致物质分子的移动,分子扩散是质量传递的一种基本方式
[15]。氢气和天然气中的主要成分甲烷等在分子热运动的作用下会自发地从高浓度区域向低浓度区域扩散。在混合过程中,氢气分子和天然气分子会不断地相互碰撞和交换位置,逐渐使两种气体均匀混合。这种扩散作用在静止或低速流动的气体中较为明显。氢气分子和天然气主要成分甲烷相互扩散,如
图3[15]所示。
主体扩散也是氢气注入天然气掺混的一种理论。主体扩散指的是某种主体运动所形成的扩散,如机械搅拌运动或其他大尺度运动形成的扩散,也称为剪切扩散
[16]。如采用搅拌器、静态混合器等混合设备,对氢气和天然气进行强制搅拌。搅拌器通过对气体施加机械力,使其产生强烈的湍流和剪切,从而打破气体分层,促进气体均匀混合。静态混合器则是利用其内部特殊的结构,使气体在流经时不断地改变流向和流速,实现混合效果。这种方式在工业生产中常用于需要快速混合且对混合均匀度要求较高的场合。氢气注入天然气的混合方式主要有扩散、搅拌、射流等,其原理都是通过主体扩散、湍流扩散和分子扩散来实现混合的。主要的流体混合器包括管道混合器、文丘里混合器、扩散孔板混合器等
[17]。其中,湍流扩散和主体扩散是氢气与天然气混合均匀度的主要影响因素。在管道运输中改变管道的形状、结构和增加掺混器都是为了增强气体的湍流强度,从而降低气体的混合不均匀度,该数值越低说明混合越均匀。
3 氢气注入天然气的掺混结构
氢气和天然气在理化性质上有明显不同。氢气的密度远小于天然气(氢气的密度是天然气的1/8)。随着掺氢比例的增加,混合气体的密度逐渐降低
[18]。并且,氢气的体积能量密度(低热值)约是天然气的1/3。因此,随着氢气的掺入,氢气注入天然气在存储和管道输送过程中在重力作用下会出现体积分数分布不均匀现象。所以,为了使氢气和天然气能够充分混合均匀,需要改变增加掺混结构来实现。以T形管、静态混合器和新型静态混合器三种类型的掺混器来阐述氢气与天然气的掺混特性。
3.1 T形管
对于氢气注入天然气的掺混结构而言,不同管路结构的掺混效果有所不同。对于常见的T形管来说,掺混工况、管路结构及掺氢点位置对掺混均匀度与掺混精度影响显著
[19]。因此,为了提高混合均匀性,需要优化T形管路的结构设计。
在氢气注入天然气的T形管路中,注入位置和角度都会直接影响混合均匀度。Su等
[20]利用计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)的方法将氢气从T形管底部垂直注入天然气掺混发现气体速度与混合均匀度呈负相关,而气体温度、掺氢比、管道直径比和流动距离与混合均匀性呈正相关。Ouyang等
[21]研究氢气从顶部垂直注入天然气的T形管,发现混合均匀距离随着掺氢比的降低和氢气注入管或主管直径的增大而增加,在掺氢体积比10%,注氢直径为0.2
D(
D为管径,单位:mm)时,观察到1
D内均匀混合,如
图4(a)[20-21]所示。Khabbazi等
[22]通过对注入进行了数值研究。结果表明,氢气从侧面注射天然气的T形管可将混合均匀距离缩短3~5倍。Wu 等
[23]研究发现,氢气从底部以
α=120°(
α为支管与主管流动方向的夹角)的角度注入天然气的T形接头具有最佳的混合效果;当氢气流与甲烷气流的动能比增加到1.2可以有效避免氢气在管道底部局部富集,如
图4(b)[23]所示。Eames等
[24]研究表明,氢气从顶部注入天然气的T形管道顶部截面的氢气浓度较高。采用从底部注入氢气会使氢气与天然气混和更均匀。Ji等
[25]从T形管道底部注入氢气与天然气掺混。发现掺氢比越大,气体流速越高,气体混合效果越好。当掺氢比为30%时,气体只需要20
D的距离即可实现均匀混合。Fang等
[26]研究发现,从T形管底部向天然气中注入氢气的位置越低,流场的变化就越剧烈,0~30
D内气体的混合越均匀。杨东海等
[27]研究表明,当速度为0.5 m/s、掺氢比为10%,单切向混合器的混合效果最优,T形垂直注入的混合效果最差。
改变T形管注入结构或与变径相结合的方法改变掺混流动状态。朱红钧等
[28]将注氢口伸至天然气管道中心轴处的T形管达到均匀混合的距离最短为19.63 mm,而从上部注入需要103.55 mm,如
图4(c)[28]所示。安永伟等
[29]研究表明,T形管路在管长是管径35倍处依然有明显分层,宽度占据1/3管径;在变径管路中,窄细变径管路容易发生氢气聚集,氢气摩尔分数最高达到60%。贾冠伟等
[30]研究发现,在5%掺氢体积比时,单螺旋+前收缩管的T形掺混管路为最佳模型,掺混均匀时的氢气摩尔分数约为4.92%。何银博等
[31]研究表明,在T形掺混管+文丘里管可以增大掺混均匀度,当管喉比为1/3、掺氢体积比为15%、管道运行压力为2 MPa时,掺混均匀度最好,如
图4(d)[31]所示。Yan等
[32]研究发现,增加氢气注入口的数量可以缩短氢气和天然气均匀混合的距离,在掺氢体积比为10%,5个注氢口混合均匀的距离为1个注氢口的55%,如
图4(e)[32]所示。通过总结发现,结构改进和优化能有效改善氢气注入天然气的混合,但需避免管路中出现局部氢气聚集。
单一的T形管结构虽能满足掺混均匀度要求,但所需的管路掺混距离较长。为此,设计T形管与其他异型结构的结合,探索其对氢气注入天然气混合状态的影响。韩思奇等
[33]建立组合双弯管及收缩管道仿真模型,发现组合弯管和收缩管的下游缓冲管道长度至少为10
D和20
D才能保证管道内流体充分发展。Liu等
[34]建立水平管和波纹管仿真模型发现在水平管40 min内,最严重分层的氢浓度梯度可达37.7%/m;同时,波纹管中的流速达到 10 m/s 时,氢气分层仅发生在上坡段。冀守虎等
[35]在单螺旋管掺混管路的基础上,构建了8种掺混管路。发现三螺旋管初次达到混合均匀度为15
D,氢气摩尔分数为3.9%。Yan 等
[36]研究了在歧管中氢气的混合过程。天然气中的重烃含量越高,天然气与管道中氢气均匀混合所需的距离就越长,随着掺氢体积比的增加,焦耳-汤姆孙系数逐渐降低,如
图4(f)[36]所示。不同的管路结构的探索为氢气注入天然气混合均匀度的提升提供了更多的参考和选择。
综上所述,T形管道结构形式简洁、构造清晰,避免了复杂的内部构件与多级连接方式,在工程设计、制造及现场实施过程中具有良好的可操作性。针对现有天然气管网向掺氢输送工况转型的实际需求,采用T形管结构有利于提高管道连接与支路增设的改造效率,降低系统调整的工程难度与实施成本。通过将T形管与其他异型管件进行组合应用,可为氢气注入天然气掺混器的结构优化提供新的设计思路和实现路径,拓展掺混装置的结构形式与工程适应性。
表2[20-25,30,34,36]全面概述了T形管在氢气注入天然气研究的方法、注入结构和结论。
3.2 静态混合器
氢气与天然气的物理性质不同,直接用T形管进行氢气注入天然气中无法在短距离内实现均匀混合。静态混合器通过若干静止不动的混合元件来扰动流场,使流体流经混合器时发生扭转、剪切和合流等现象,达到良好的分散和提高混合效率。
为避免天然气管道掺氢后掺氢天然气中氢气的浓度分布不均,增设掺混器可以加快氢气与天然气的掺混均匀程度
[37]。苏越等
[38]模拟发现,罗斯低压降(Ross low pressure drop,LPD)型静态混合器掺混效果最好,在出口处混合不均匀度(COV)约为0,如
图5(a)[38]所示。Fernandes等
[39]研究分析在管道内插入Sulzer KVM型混合器发现最大均匀化距离为7
D,同时产生最低的压力损失28.3 Pa。Liu等
[40]研究发现,螺旋叶片混合器对天然气的混合效果最佳,当叶片的轴向长度为1.5
D和旋转角度为720°时,管道内气体在1
D内混合均匀。杨云兰等
[41]研究了静态X形栅格(static X-grid,SX)静态混合器在掺氢体积比为3%及混合距离为5
D时,SX型COV最高为0.74%,如
图5(b)和
图5(c)所示。李敬法等
[42]经过对常见静态混合器的掺混效果比选,采用螺旋叶片式(spiral vane,SV)静态混合器。结果表明,随动流量掺氢实验得到的掺氢天然气的COV低于5%。Liu等
[43]研究了氢气和天然气在Sulzer SMX型静态混合器中的混合行为。在低压(<2 MPa)、掺氢比不超过20%、气体流速约为 10 m/s、4个混合元件的条件下,COV为0.91%,压降约为1 kPa。因此,静态混合器的使用有效缩短了氢气注入天然气混合均匀所需长度。
通过优化传统静态混合器的结构设计,可以使其表现出更好的性能。其中,混合元件是静态混合器的重要部件,决定了氢气注入天然气的掺混效果。Kong等
[44]研究发现,肯尼慈动能超混合(kinetic super-mixing,KSM)型混合器的掺混器数量为3个,且布置转角为120°时的掺混效果最佳。Du等
[45]研究了KSM型混合器对混合均匀性的影响。当混合器的长度由200~600 mm时,COV则从15.88%降低到0.95%;片角度由0°~90°时,COV从40.47%降低到0.22%,如
图5(d)[44-45]所示。邵艳波等
[46]优化了KSM 型静态混合器内部结构。当导流组件个数为12、扭转角度为270°、垂直角度为90°时,COV最低为0.23%。Yan等
[32]在注氢天然气管道中添加湍流器使均匀混合的距离减少了约1/2。An等
[47]研究发现,引射器在2.6
D~5.8
D的范围内氢气注入天然气的COV达到5%,而T形管在50
D时的COV为27%;引射器结构的均匀性比T形管高10倍以上。Peng等
[48]研究表明,封闭区域掺氢天然气最终不会产生大量氢气的积累,但在高差很小时分层不明显,而在高差较大、温度较低时有利于氢气分层。李敬法等
[49]研究发现,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体积比,掺氢天然气管道分层现象可完全忽略。向勇等
[50]研究表明,SX型静态混合器在
L/
D(管长与管直径之比)大于7.0时,混合单元数为2时,混合器至出口处的COV已降至6.54%。薛凯峰等
[51]利用计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)的方法分析回流式掺混器的掺混特性,发现在回流管道的倾斜角、管径比、管道数分别10°、0.5°、3°时,回流式掺混器的COV仅为0.3%。综上分析,为提高混合均匀性,可以适当改变混合单元的个数、角度和混合单元之间的距离。
因此,相较于T形管和变径管等常规掺混结构,静态混合器在保证结构紧凑性的同时显著提升了掺混性能。在相同工况条件下,静态混合器可在更短的有效混合长度内实现约95%的混合均匀性,其所需混合距离明显小于T形管和变径管结构;同时,在管道出口截面处,静态混合器表现出更低COV指标,综合混合性能最优。上述结果表明,静态混合器在掺氢天然气快速、高效混合方面具有显著优势。
表3[32,38-40,43-44,47,50]全面概述了分析静态混合器各种研究的方法、类型和结论。
3.3 新型混合器
为了提高静态混合器的混合效率,研究人员开展了新型静态混合器的设计和研究。新型静态混合器与传统静态混合器相比,在结构设计、混合效果、适用范围等方面具有一些独特的特点和优势。新型静态混合器结构如
图6[52-55]所示。
传统的混合器往往需要复杂的流程才能达到理想效果,而融合混合元件和扰流结构的新型混合器可以容易的达到混合均匀。Zhuang等
[56]研究了一种新型双涡流静态混合器。其管壁周围有8个逆时针45°的叶片,管子中心有4个顺时针45°的叶片。当
L/
D为4时,COV低于5%,压力损失约为SV静态混合器压力损失的90%。Di等
[52]设计了一种由4个梯形挡板所组成新型静态混合器,当混合器安装在混合点下游的3
D位置,元件之间的间距为1
D的条件下,使用4个混合元件在3
D处的COV为1.82%,压降为8.86 kPa,如
图6(a)[52]所示。Haddadi等
[53]研究了由每排4个叶片与管轴成45°角组成的新型混合器。新型静态混合器产生的
Z因子(压降比)比SMX混合器低约45%,且COV小于5%,优于其他静态混合器,如
图6(b)[53]所示。Zhu等
[57]提出了由环形多孔介质和旋转叶轮组成的新型混合器。二者叠加不仅可以抑制波动,还可以促进混合并抑制T形接头中的热分层,且最大压降增加了26.9 Pa,如
图6(c)[52]所示。Wang等
[58]在掺氢比为20%,通过增加膨胀管和实心板的静态混合器使COV达到0.09%;通过侧壁环形间隙将氢气引入天然气管道压损比(压力损失与入口压力的比)最小为0.05%。
新型静态混合器通过独特的设计,能够在较短的时间和较小的空间内实现流体的高效混合。Barrué等
[59]介绍了由8个均匀分布的静叶片组成新型的气体混合器,并与Sulzer SMI型和动能多级自适应(kinetic multi-stage adaptive,KMA)型混合器进行了比较。新型混合器产生的湍流强度大于其他混合器产生的湍流度,且压降最小为260 Pa。Zheng等
[54]将同轴剪切混合器中的腔体数量增加到48 h,COV达到4.57%(SMX型为5%),压力损失为67.02 Pa(SMX型是500 Pa),如
图6(d)[54]所示。Chakleh等
[55]研究发现,使用特殊的梯形和矩形发散插入物的COV小于5%,梯形和矩形插入物导致压降分别增加了约80%和185%,如
图6(e)[55]所示。Hildner等
[60]研究发现,新型螺旋静态混合器设计结构可以将压降降低18.2%。Yang等
[61]研究发现,在相同情况下,新的LPD静态混合器元件扭转角为270°时混合均匀度为99.83%;掺氢体积比为20%的COV为0.25%,新型混合器在1 000 mm后的COV均低于5%。Ali等
[62]使用包含多个文丘里管的静态混合器,封装在主混合器体内,仿真结果表明,即使在最低条件下,混合器的COV保持在0.05以下。
在氢气注入天然气的掺混过程中,若仅依赖静态掺混方式,难以克服两种气体因密度与扩散特性差异所导致的分层与不均匀问题。通过优化喷孔布置、混合腔几何形状及旋流强度,并结合扰流器对局部流动的干预作用,可在保证压降可控的前提下,显著增强剪切层发展与涡结构生成,抑制氢气与天然气的分离趋势。新型混合器在掺氢天然气应用中不仅提升了混合效率与流场稳定性,还在安全性与工况适应性方面展现出明显优势。
表4[52,54-61]全面概述了新型静态混合器各种研究的方法、结构和结论。
4 人工智能在氢气注入天然气中的应用
人工智能在掺氢天然气的应用越来越引起关注。人工智能的使用可以实时动态监测、调整、优化掺氢天然气的生产、掺混、输运、存储、使用,并进行预测和预警
[63]。使实现氢气与天然气混合的均匀性和稳定性,且速度更快、效率更高。人工智能在氢气注入天然气中的应用,如
图7所示。
在氢气注入天然气的掺混过程中,准确快速地预测氢气浓度分布对保证掺氢天然气的安全运输和使用具有重要意义。因此,众多学者提出提高氢气和天然气混合均匀性的措施。Su等
[20]为了快速准确地预测COV,构建深度神经网络(deep neural network,DNN)模型,并将COV的主要影响因素作为DNN模型的输入节点。结果表明,DNN模型的计算效率比预测COV的模拟快至少2个数量级。Cristello等
[64]开发了与现有管道兼容的泄漏检测系统。该研究引入了混合气体的实时瞬态模型,融合开发了泄漏检测系统(LDS)。其召回率(预测为正例的比例)为99.91%。Montañés等
[65]提出了一种基于物理的降阶模型(reduced-order model, ROM)用于评估管道混合。该模型将降阶参数与关键无量纲数相关联。该模型准确地预测了气体混合,CFD模拟约100 h,ROM方法几乎是瞬时的。
为了实现天然气管道掺氢体积比的高精准调控,保证氢气注入天然气后的稳定。刘恩斌等
[66]改进霜冰优化算法(improved rime optimization algorithm, IRIME),得出当掺氢比从5%~20%时,总能耗降低从2.00%~9.83%,总碳排放量降低从2.99%~10.68%。赵杰等
[67]构建了模糊PID(proportional integral differential)控制的掺氢比例精准调控系统,该系统在调节时间、响应时间、超调量上比传统PID控制提高了79.9%、70%、82.5%,比预估PID(Smith PID)控制提高了44%、50%、77.9%。刘悦等
[68]提出了一种将大涡模拟(LES)与Schumann模型耦合的LES-Schumann模型,该模型能够精确预测氢气与天然气掺混后气体的流动特性,其模拟结果与实验数据的平均误差仅为3.422%。
在掺氢天然气的混合与输配环节中,人工智能技术正逐渐成为重要的分析与优化工具。基于机器学习的模型可在大量数值模拟与实验数据基础上,快速建立混合器几何参数、运行工况与混合均匀性指标之间的非线性映射关系,实现对混合器器布置及掺氢体积比的高效优化。总体而言,人工智能的引入为掺氢天然气从试验研究走向工程应用提供了新的技术路径,使其在安全性与低碳效益之间实现更高水平的协同优化。
表5[20,64-68]全面概述了人工智能与掺氢天然气各种研究的实验方法、优化方法和结论。
5 展望
目前中国油气管道“全国一张网”的局面已基本形成,天然气管道网络系统框架也已基本形成。利用现有的天然气管道进行掺氢输送,对降低氢气输送成本、扩大输送范围有重要意义,更有力地促进可再生能源的发展,并对实现中国能源结构转型、优化意义重大
[69-70]。目前中国的氢气注入天然气管道技术研究已取得一定成就,但需进一步突破技术难点
[71]。氢气注入天然气存在的问题及建议如下。
(1)在天然气管道掺氢输送过程中,由于氢气与天然气的湍流扩散特性不同,可能导致管道内气体分布不均匀,局部氢气浓度过高
[72]。因此,需要深入研究湍流扩散规律,优化管道设计和运行参数,确保安全输送。
(2)氢气与天然气密度相差较大,在无辅助混气装置的掺混工艺中,氢气容易在管道顶部聚集,使管道内出现氢气浓度局部分布不均的现象
[73]。因此,需要开发新型的混合器和掺混技术。同时,注重混合器内部结构的优化,如采用特殊的导流板、扩散器等,以增强气体的混合效果。
(3)在有辅助混气装置的掺混工艺中,流量、压力波动条件下掺氢比例的精准调控是关键难题。建议通过调整掺氢比和管道设备的运行参数,使掺氢天然气的流动过程达到最优状态,提高能源利用效率,降低成本和排放。
(4)由于掺氢天然气系统的复杂性和不确定性,现有的人工智能模型可能存在精度不足的问题。并且,不同地区的掺氢天然气系统在管道材质、设备性能、运行环境等方面存在差异。因此,需要基于大数据分析和人工智能算法针对具体情况进行大量的调整和优化,对掺混系统的运行数据进行深度挖掘和分析,实现对系统的优化运行和性能提升。
6 结论
掺氢天然气管道输送是中国可再生能源高效安全输送的重要方式,是氢能产业链中至关重要的一环。通过对现有的氢气注入天然气的掺混特性进行了调研总结,得出以下结论。
(1)氢气与天然气的理化性质不同。当氢气掺入天然气后,混合气体的密度和黏度会发生变化,从而影响气体在管道内的流动是层流还是湍流状态。通常,掺氢后气体更倾向于湍流流动,这有利于混合均匀,但也会增加管道的压力损失。
(2)在相同条件下T形管路结构对氢气掺入天然气有较大影响。而通过改变天然气主管道和注氢支管之间的倾斜角度等,可以在一定程度上缩短实现均匀混合所需的管道长度,但效果有限。主管天然气流速、支管氢气注入速度是影响掺混均匀度及掺混比例调控精度的重要因素,两者的比例与实现均匀混合所需的管道长度成正相关关系。将氢气从天然气管道底部或管轴中心处掺入可缩短混合不均匀管道长度。
(3)静态混合器能够使氢气和天然气充分混合。其中,扰流元件对掺混均匀度具有决定性作用,不同结构和布置的扰流元件数会影响混合效果。当扰流元件合理布置时,静态混合器压力、掺氢比和流速的增大会提升氢气和甲烷的掺混均匀度,但氢气进气方向对掺混均匀度几乎无影响。适当增大或减小扰流元件的间距,可以提高混合均匀性。
(4)借助人工智能算法,可对静态混合器等设备进行精准控制,实现氢气与天然气的最佳混合比例和混合效果。通过机器学习模型,根据实时监测、调整混合设备的运行参数,确保混合均匀度始终保持在最佳状态。利用深度学习技术构建预测模型,能够提前预测掺氢天然气系统中的混合均匀度。精准的预测和优化调度功能,使掺氢天然气在生产、输送和使用过程中更加合理高效。
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