香橙会按:
天然气掺氢项目在欧洲等地不断涌现。这也许缘于10年前在荷兰埃姆兰岛的一次成功的天然气掺氢试验。该试验过程、成果已经公开。下面是“荷兰埃姆兰岛的一项关于氢注入天然气体的试验项目”中文版,由香橙会研究院翻译。
引言
从2002年到2006年,欧盟委员会共同资助了第六个框架项目Naturalhy,通过识别和消除阻碍氢作为能源载体发展的潜在障碍,以现有的天然气系统作为变革的催化剂,为氢经济的准备做出贡献。Naturalhy项目指出,在天然气中加入氢气可以显著减少温室气体的总排放量,是一种“绿化”天然气的有效手段,因此这种混合物可以直接用于现有的供热和发电设备。在管道耐久性方面,Naturalhy结果表明,适当的措施可以减轻氢气对天然气网管道材料的影响。为保证天然气/氢混合物的安全可靠供应而进行的修改,将主要用于钢制的运输管道,但重要的是,尚未确定“明显的终结者问题”。
家用电器、个人健康和家庭安全受到威胁和数以百万计的电器,这就是为什么常规家用电器最多可容纳20%的氢气。
“可持续的埃姆兰”项目的启动是为了演示在低热量的格罗宁根天然气(G25)中注入高达20%的氢,以促进能源转换。此外,该项目还积累了电解、混合过程以及氢气混合物对荷兰管道和传统燃气器具性能的影响的经验。它使公众有可能了解氢的混合物。
项目的目的和参与各方
在这个试验项目中,向天然气中注入氢气的目的是获得有关电解、混合过程以及气体网和气体器具的行为的知识。对不同类型的电源、接头、调速器、煤气表、锅炉和烹饪设备进行了测试。终端用户的经验和意见是试点项目的一个重要部分,因为成功的能源过渡需要有广泛的社会基础。
该项目展示了向天然气网注入20%氢气的前景。项目发起人GasTerra和Stedin都有自己的兴趣来支持这个项目。该项目由Joulz和Kiwa Gas Technology作为分包商执行。表1概述了所有参与的公司及其主要角色。
表1:参与各方及其在项目中的主要角色
埃姆兰地方议会是负责批准该项目的当局。埃姆兰的瓦登海岛有一个美丽的乡村(瓦登海是世界遗产),埃姆兰委员会希望为她的社区和每年超过50万的游客保持这一状态。与此一致,委员会鼓励可持续能源的应用,并希望为其他政府树立榜样。
GasTerra是一家经营天然气的国际贸易公司。该公司经营并在欧洲能源市场上做出了重要贡献,在荷兰为天然气的供应做出了贡献。GasTerra认为,重要的是利润因素要与社会平衡和生态利益。这一立场是GasTerra战略和活动的基础。天然气的经济价值及其作为一种能源对社会的重要性使得GasTerra在利用国内天然气储备方面发挥着重要作用。GasTerra促进安全高效利用天然气,积极发展清洁经济应用程序。GasTerra认识到向可持续发展能源供应过渡和在这个领域启动项目的巨大重要性。
Stedin负责荷兰地区Randstad和Friesland的天然气基础设施。这个配气服务营办商使输气网络能满足现今及将来的用气需求并且预见天然气需求的变化。因此Stedin不断投资于燃气输管道的现代化、更换、扩建和维护领域。此外它启动可持续能源项目。氢的注入可能未来燃气输配网提供机遇。同时Stedin也是Ameland地区的天然气网络服务运营商。
Joulz是荷兰能源基础设施市场的承包商。作为这方面的项目负责人。项目由Joulz进行项目管理,协调各项活动和项目的实施。Joulz安装了氢气供应设施,混合机和阿默兰岛的燃气管道和燃气器具。除此之外,Joulz还冒着很大的风险执行了存储和评估,维护和检查计划,和一个全职故障服务。
Kiwa Gas Technology是一家为提供气体技术服务的公司,如液化石油气、氢气和沼气。Kiwa Gas Technology完成了氢气供应的设计,混合机和气体网格的测试。此外,他们选择和测试气体用具。此外,他们还对管道系统和天然气用具进行了初始和最后的测试。
埃姆兰注氢的工程方法
图1:埃姆兰的“Noorderlicht”氢气供应、搅拌器和公寓综合体
位置
该项目位于埃姆兰岛有几个原因。首先,Stedin是Ameland的天然气分销服务运营商。第二,如果项目进行,Ameland市议会拥有该公寓群。第三、因为是公寓,共有14户人家,均有独立的煤气表、炊具和燃气锅炉。第四,公寓位于城镇的外围,能够控制燃气网络的隔离,并为氢供应和混合提供空间。最后,公寓“Noorderlicht”的居民非常欢迎该项目。图1给出了项目位置的图片。
安全
埃姆兰会议允许在这个特定的地点在天然气中注入氢气。该许可证确保燃气调压站、低压装置、爆炸安全、分区、通风、防雷和防火等标准得到遵守。构建了一个防止事故的安全体系。此外,搅拌机的安装、煤气栅和家用煤气的安装都经过广泛的维修和检查。这些公寓配备了安全传感器,用于检测煤气泄漏和一氧化碳。此外,对雇员、居民和当地消防队进行了有关氢气特性和控制的培训。
不间断供气
完全的安全措施确保了不间断的气体供应。一旦出现电力故障或氢气供应故障,氢气注入就会停止,而天然气注入则会继续进行。在紧急情况下,可以通过阀门切断氢气供应、混合器和测试栅极。
混合过程和氢气供应
在天然气供应中,将氢从5%混合到20%,以5%的步长增加氢的含量。加注开始于2007年12月。
在为电解槽安装完之后,氢供应在2008年12月从氢瓶转换到现场电解生产。氢气发电所需的电力来自附近的“知识与创新中心”新大楼的太阳能电池板。因此,所使用的氢来自一个完全可持续的来源。该项目于2011年4月完成。
混合器(混合装置)通过两个质量流量控制器(低容量和大容量)注入氢气,控制气体消耗和氢气百分比设定值。通过优化控制范围,将质量流量控制器连接在并联电路中,以满足动态气体需求。安装了气体分析仪来监测气体质量,并在必要时进行干预。
图2:从瓶子中混合氢气
图3:电解氢混合
配气管线及附件
在现有的天然气网格中增加了参考网格和测试网格。这些类似的网格只是为了这个项目而建造的。网格是由同一批零件组成的。网格包含用于测试的干线、接头、服务省长和煤气表的不同材料,参见图4。所选组件通常用于荷兰的燃气管道。
图4． 公寓小区“Noorderlicht”地图、燃气供应、搅拌机、燃气网格(黄色:天然气;红色:富氢天然气;黄色虚线:参考网格;红色虚线:测试网格)
炊具及锅炉
锅炉和烹饪器具是根据燃烧器原理选择的,在荷兰普遍使用,该国的气体具有较窄的Wobbe指数带宽。器具没有专门为富氢天然气调整。在此之前,所有的燃气器具都通过测试含30%氢气的气体来进行安全测试。这10%的安全余量用于克服搅拌器的动态特性(超调)。新的烹饪器具和锅炉被安装,因为现有的器具的寿命几乎到了尽头。
最终用户的意见
终端用户的经验和意见是试点项目的一个重要部分,因为成功的能源过渡需要有广泛的社会基础。问卷定期在“Noorderlicht”小区居民中发放。该网站是为了向全国社会提供信息而开发的。国家地理频道的“绿色梦想区”电视节目让小学生和高中生了解了氢经济的重要性。
结果
总的来说,项目参与者回顾了在Wadden Sea island Ameland在天然气中成功注入氢气的案例。没有出现安全问题,天然气供应也没有中断。
混合过程与氢供应
加注开始于2007年12月。第一年氢气是通过瓶子供应的。这创造了一个机会来检查和习惯搅拌机(最安全的关键元素)独立于现场氢气生产。在2008年12月,氢供应从氢瓶转换到现场电解生产。该项目于2011年4月完成。项目中注入氢的百分比见图5和表2。
在这个项目中,氢气的注入中断了几次。在2010年和2011年的严冬,电解槽的容量不足以满足极高的天然气需求,导致注入比例低于预期的设定值。氢气注入的中断是由扰动和维护引起的。在夏季天然气需求量低的时候,电解器的故障是最主要的原因。低气体需求导致较低的气体系统压力和低流量改变了生产氢气的水的电导率。此外,由于2010年和2011年冬季的低温,配件成为泄漏源。出于安全考虑,在此期间氢气供应暂时停止。如何处理这些干扰是关于混合过程和氢供应的最重要的学习。
图5． 氢气比例(%,周均比例)
表2． HCNG中氢气的比例(%,年均比例)
在这个项目中,出于谨慎,氢的注入中断了几次。在2010年和2011年的冬季,电解槽的容量不足以满足极高的天然气需求,导致注入率低于预期的设定值。注氢的中断是由扰动和维护引起的。在夏季天然气需求量低的时候,电解槽的故障是造成干扰的主要原因。低气体需求导致较低的气体系统压力和低流量改变了生产氢气的水的电导率。此外,由于2010年和2011年冬季的低温,一个配件成为了泄漏源。出于安全考虑,在此期间,氢气供应暂时停止。处理这些干扰是关于混合过程和氢供应的最重要的学习机会。
配气管线及附件
在荷兰大规模引入富氢天然气之前,天然气配管道必须能够承受氢的影响。为了研究氢气对气体分配系统完整性的影响,在这个试验项目中对最重要的特性进行了评估。
为了确定富氢天然气与非富氢天然气相比的效果,对气体网格进行了扩展,增加了一个测试区和一个参考区。测试和参考部分都由短长度的不同材料组成,包括接头。参考部分只暴露在天然气中,而测试部分暴露在富氢天然气中。应用的管道材料和接头是典型的荷兰天然气配管道。经过四年的接触,不同的材料和接头进行了测试,以确定管道和接头的质量是否具有可比性。除了对管道和接头进行目视检查外,还进行了机械和化学研究,以确定是否发生了因富氢天然气暴露而引起的退化。
表3． 干线管材的测试结果
表3显示,来自参考和测试段的被检测管道材料的最重要的性能在暴露于富氢天然气4年后没有显示出任何影响(改结果与美国国家实验室结果吻合)。在分配氢气时,需要考虑的一个问题是可能会有大量的氢气通过管壁渗透。为此,进行了渗透试验。总体渗透率较低,预计不会导致任何(安全)问题。值得注意的是,氢/天然气混合物的渗透常数比氢低。目测也没有发现与氢有关的管道材料缺陷。
除了管道材料本身,还要注意接头和其他配件,如橡胶软管、调控器、煤气表。对于接头,通过从参考和测试部分取样来评估暴露和非暴露接头的质量。由于这些附件没有安装在参考部分,所以对软管、调控器、煤气表进行了不同的评估。对于调控器,对初始质量和最终质量进行了测量和比较。将暴露的煤气表和胶管与新的非暴露的煤气表进行了比较(表9)。
表4． 管道配件和其它配件的测试结果 资料来源:IGRC 2011报告
接口暴露富氢天然气没有表现出任何退化。目测检查没有发现氢相关的缺陷或污染。因此,可以得出结论,在4年的测试期间,使用富氢天然气不会损害包括管道和附件在内的管道的完整性。
炊具及锅炉
煤气质量影响最终用户的煤气用具。然而,分析表明,下游气体质量不会受到不利影响,因为混合了20%氢气的格罗宁根天然气(G25)的Wobbe指数不会超出低热值气体(L-gas)的法定要求,如图6所示。这些低热值气体规范是荷兰烹饪器具和锅炉的设计参数。
图6． 不同气体质量下的Wobbe指数及添加氢气的影响(G25为格罗宁根天然气的参考天然气)
厨具的最重要的安全要求包括二氧化碳、一氧化碳和氮氧化物的排放、回火和泄漏。表5中所列的炊具也包括在这个试验项目中。表6总结了烹饪器具的测试。
表5． 所安装的炊具种类
表6． 在炊具上的测试
由于天然气中加入了氢气,CO2和CO的排放量减少,例如图7中hob 3的排放量。根据EN30,二氧化碳的最大允许排放量为11．5%。在半负荷和全负荷工况下,CO的最大允许排放量分别为1500ppm和1000ppm。这些数据还表明,气体负荷由于氢气的加入而降低。
图7． 灶炉3排放测试(不同气环的初始和最终情况测试)
由于氢的加入,火焰速度加快。因此,火焰燃烧更接近气体环,如图8所示。这意味着回火的风险增加。然而,使用HCNG的烹饪器具很容易通过了回火测试。
图8． 以HCNG为燃料的气环 厨具也通过了漏电检测。目视检查包括气环、注射接头、点火器、阀门、连接件和密封件,没有发现与氢有关的缺陷或污染。表7所示的锅炉为在项目实验锅炉。
表7 项目实验中的锅炉
对锅炉进行了CO2、CO、NOx排放、点火、回火、泄漏、火焰稳定性、火焰监控等安全评价。试验结果见表8。
表8 锅炉实验
*偶然发现少量泄漏**不符合制造商规格,但没有发生故障
在最初和最后的试验中,锅炉通过了最重要的安全要求。图9显示,由于天然气中加入了氢气,CO2、CO和NOx的排放量以及气体负荷均有所下降。
图9． 锅炉2的排放和电离电流(初始和最终测量) 通过点火、回火、泄漏试验。注意,在一个气体阀门内部检测到一个小的泄漏。这种泄漏是偶然的,因为同类型的其他气阀是防泄漏的,而且由于项目中锅炉数量有限,不允许得出有代表性的固定结论。HCNG火焰更靠近燃烧器表面燃烧;因此,在图10中可以看到氢的影响。在从高气体负荷切换到低气体负荷时,也可以看到类似的效果。在这种情况下,较低的气体流量使火焰燃烧更接近燃烧器表面。虽然加氢的影响是明显的,但锅炉通过了火焰稳定性试验。
格罗宁根天然气 HCNG使得燃烧器表面发光图10． 锅炉燃烧器表面 本工程所包括的锅炉均设有火焰电离检测器,以监察火焰。包括锅炉3在内的大多数锅炉按照制造商的规范运行。特别是在低气体负荷的情况下,电离电流会发生变化。一个锅炉的火焰监督不符合制造商的规格(锅炉1),但故障没有发生。
锅炉控制单元的存储器被读出。没有氢相关的故障记录。目视检查包括燃烧器、点火装置、火焰电离检测器、热交换器、气阀、冷凝水排放、配件和密封件,没有发现与氢有关的缺陷或污染。
最终用户的意见
公寓“Noorderlicht”的居民回顾了在富含氢的天然气上加热和烹饪的积极经验。这个项目在不同的媒体上展示。除了包括国家地理频道的互联网网站和电视节目《绿色梦想区》在内的项目合作伙伴的倡议外,媒体也广泛报道了该项目并向社会宣传。这家出版社出版了数十种出版物。当地和国家电视台以及许多网站都报道了这一项目。此外,国际游客也来到了埃姆兰,饶有兴趣地观看了“可持续的埃姆兰”项目,其中有感兴趣的平民、若干西欧主要公用事业公司的代表和欧洲天然气工业技术协会(Marcogaz)的代表。
评价与未来展望
在“可持续的Ameland”项目中,向天然气输管道中注入20%的氢气已经得到了成功的证明。氢气的加入似乎是“绿化”天然气的一种有效手段。该项目在实践中证实了Naturalhy项目的结论,即管道系统和家用电器并不是氢气与天然气混合比例达到20%的限制因素。在四年的时间里,没有一个“终结者”似的困难被发现。在混合工艺、电解器、管道和最终用户家用电器方面积累了实际经验。在荷兰,燃气锅炉和炊具从来没有长时间暴露在氢-天然气混合物中。此外,荷兰社会对富氢天然气有积极的经验。所有参与方都以奉献和热情为项目做出了贡献,并为能源转型做出了贡献而感到自豪。 然而,对于安装复杂的工业终端用户仍然存在一些担忧,这些用户并不是这个项目的一部分。例如,使用固定式燃气发动机和燃气轮机的能源生产者以及使用原料加工和工业燃烧的工业消费者。如果使用HCNG作为燃料,这些装置可能需要重新调整或修改。建议对这些重要问题进行进一步研究,并在试点项目中加以应用,以填补大规模引HCNG之前的空白。
下一步应用HCNG可能是一个更大规模(时间和规模)的试点项目。长时间使用HCNG可以提高管道系统和设备使用氢的预期寿命。此外,建议测试关键的现有设备,例如无槽设备,而不是新设备,因为这些设备普遍存在,而且考虑到安全问题。
一个很有前途的想法是利用天然气管道作为非高峰风力发电的缓冲器。这意味着利用非高峰风能生产纯氢,并通过管道储存和分配。这一概念为可持续氢生产提供了巨大的机会,并建议在试点项目中进一步研究和应用。
为了进一步加速向国内应用的HCNG过渡,能源政策应鼓励制造商,使未来HCNG超过20%。
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