CC BY
12
УДК 62-176.2; 661.96
Влияние водорода, внесенного в поток природного газа, на работу оборудования газотранспортной системы
Е.Б. Федорова1*, А.О. Юшин1
1 РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина, Российская Федерация, 119991, г. Москва, Ленинский просп., д. 65, к. 1 * E-mail: fedorova.e@gubkin.ru
Тезисы. Исследование, результаты которого представлены в настоящей работе, выполнено с целью оценить влияние добавок водорода, внесенных в поток природного газа при транспортировке, на термодинамические параметры оборудования газотранспортной системы и характеристики самого транспортируемого потока. При моделировании в программном комплексе Aspen HYSYS процесса перекачки метан-водородных смесей с содержанием водорода от 0 до 20 % установлено, что с увеличением содержания водорода в смеси растет энергопотребление компрессорного оборудования газоперекачивающих компрессорных станций. Кроме того, по мере добавления водорода в поток природного газа растет температура газовой смеси после сжатия в компрессоре, что увеличивает нагрузку на аппараты воздушного охлаждения. Показано, что присадка водорода негативно сказывается на энергосодержании транспортируемой газовой смеси.
Четвертый энергетический переход, а также программы развития водородной энергетики в разных странах мира предполагают освоение и широкое внедрение сравнительно нового источника энергии - водорода. Европейский Союз призывает страны-экспортеры переходить от транспортировки природного газа к транспортировке метан-водородных смесей (МВС), чтобы уже в пункте назначения отделять водород от метана [1].
Разные страны допускают разные степени разбавления, %, природного газа в газопроводах: от 0,1 (Бельгия, Новая Зеландия, Великобритания и США) до 10 (Германия) и 12 (Нидерланды) [2]. Верхний предел определяется национальными техническими стандартами, связанными с безопасностью газопроводов, газовых котлов и турбин. Зарубежные исследования показывают, что доля водорода в 15 % может быть достигнута в существующих газотранспортных системах без каких-либо серьезных изменений, а в некоторых случаях она может быть серьезно превышена [3].
По данным открытых источников, в современных газопроводах типа «Северного потока» возможно добавление до 70 % водорода [2, 4]. Для масштабной европейской газотранспортной системы подмешивание 20 % водорода в природный газ, по данным Международного энергетического агентства (МЭА), снизит выбросы СО2 на 60 млн т в год (на 7 %) [2, 5]. Министр экономики и энергетики ФРГ Петер Альтмайер заявил, что Германия готова софинансировать водородные проекты вместе с Россией [6].
Общемировые тенденции и международные соглашения обусловливают актуальность исследования технологий транспортировки водорода вместе с потоком природного газа. Однако ввиду физических свойств водорода его добавление в поток природного газа вызывает ряд сложностей, которые необходимо предусмотреть. Некоторые проблемы транспортировки уже были затронуты в ряде научных публикаций [7-9]. Целью данной работы является исследование характера изменения параметров газоперекачивающего оборудования в диапазоне концентраций водорода от 0 до 20 %. В табл. 1 приведены основные физико-химические свойства метана и водорода.
Ключевые слова:
природный газ,
метан,
водород,
метан-водородная смесь,
газотранспортная система,
газоперекачивающая
станция,
компрессор.
Таблица 1
Физико-химические свойства метана и водорода [10, 11]
Свойство CH4 H2
Молекулярная масса 16,043 2,016
Температура кипения при 0,10125 МПа, °С -161,6 -252,7
Критическая температура, °С -82,15 -239,9
Критическое давление, МПа 4,56 1,28
Плотность по воздуху 0,554 0,0695
Плотность при температуре 0 °С и давлении 0,1013 МПа, кг/м3 0,72 0,0899
Удельная теплоемкость при температуре 20 °С и давлении 0,1013 МПа, кДж/(кгК):
• изобарная (ср) 2,23 14,30
• изохорная (с„) 1,70 10,14
Показатель адиабаты к = ср /с„ 1,310 1,407
Теплота сгорания низшая, МДж/кг 50,1 120,0
Коэффициент сжимаемости 0,288 0,305
Методика исследования
Рассмотрим транспортировку потока природного газа без добавок и с добавлением водорода в диапазоне от 0 до 20 %. Численное моделирование данной задачи проведено в программном комплексе Aspen HYSYS с применением уравнения состояния Пенга - Робинсона и дополнительной функцией для расчета водо-родосодержащих смесей «Modify H2 Tc and Pc». Включение данной функции позволяет рассчитывать критические температуру и давление водорода как функцию температуры [12]. Важным условием при расчете газоперекачивающего агрегата (ГПА) является выбор независимых и зависимых переменных.
В качестве независимых параметров приняты следующие величины:
• температура газа на входе в компрессор;
• давление газа на входе в компрессор;
• перепад давления в компрессоре;
• мольный расход газа;
• политропический КПД компрессора.
В этом случае изменяться в зависимости от содержания водорода в потоке природного газа будут следующие параметры:
1) мощность, необходимая для работы центробежного компрессора (ЖЦК). Она позволит сделать выводы об энергоэффективности работы компрессорного оборудования с МВС;
2) температура газа на выходе ГПА (^мвс.вых), с помощью которой можно определить изменение нагрузки на аппараты воздушного охлаждения (АВО), находящиеся ниже по потоку обвязки компрессорной станции (КС): чем выше температура, тем больше энергии требуется для охлаждения потока;
3) массовый расход (0мас). Учитывая характеристики сгорания водорода и природного газа, можно сделать выводы об изменении энергосодержания транспортируемой смеси.
Для расчета взяты исходные данные типового ГПА, работающего в оптимальном режиме при заданных составе и расходе газа [13]:
1) состав газа, % об.: СН4 - 96,9; С2Н6 -1,22; С3Н8 - 1,88;
2) тип нагнетателя - ГПА-370-18-2;
3) производительность ГПА - 33 млн м3/сут;
4) давление на входе - 61 кгс/см2 (6,08 МПа);
5) давление на выходе - 77 кгс/см2 (7,55 МПа);
6) температура на входе - 15 °С (288 К);
7) номинальная мощность 9,9 МВт;
8) политропический КПД номинальный 0,81;
9) показатель адиабаты к = 1,31.
При фиксированных значениях объемного расхода, перепада давления и КПД центробежных нагнетателей можно установить зависимость изменения основных параметров работы оборудования КС от содержания водорода в природном газе. При этом не принимались в расчет требования к материальному исполнению оборудования, работающего с водород-содержащими средами. Известно, что присутствие водорода в смесях требует оборудования из более дорогостоящих материалов и, в свою очередь, оказывает влияние на экономику процесса транспортировки водородсодержащих смесей [14,15].
В интервале от 0 до 20 % шаг добавления водорода был принят в 2 %. В процессе расчета мольные соотношения углеводородов в составе МВС сохраняются постоянными.
Результаты исследования
Расчеты (табл. 2) показали значительные изменения основных параметров работы ГПА и свойств потока МВС при добавлении водорода в природный газ в диапазоне от 0 до 20 % мол.
Повышение содержания водорода в потоке природного газа увеличивает энергопотребление центробежных нагнетателей при сохранении объемной производительности и фиксированном КПД компрессоров. Это объясняется снижением плотности смеси из-за меньшей молекулярной массы водорода (см. табл. 1). В процентном соотношении при добавлении 20 % водорода в природный газ энергозатраты при работе компрессора увеличиваются на 7 %.
Следует отметить, что в реальных условиях эксплуатации эффективность компрессорных машин зависит от режимов их работы. В свою очередь, режимы работы компрессоров, рассчитанные для перекачки природного газа без добавок, могут значительно отклоняться от оптимальных при изменении состава транспортируемой смеси. Так, результаты расчета показывают увеличение
Т
± \ I
при повышении содержания в нем во-
дорода (см. рис. 2). Это объясняется различием физических свойств водорода и природного газа: у водорода значение коэффициента адиабаты к выше. В итоге температура смеси повышается на 2,2 % при содержании водорода в смеси 20 %.
Таблица 2
Расчетные значения мощности компрессора, температуры МВС на выходе из компрессора, массового расхода перекачиваемой МВС и ее теплосодержания (Е)
Состав смеси, % мол. Расчет
Н2 С1 С2 С3 Ыщ, МВт (рж. 1) Т °С 1 МВС.вых; ^ (рис. 2) бм^ кг/ч (рж. 3) Е, МВт (рис. 4)
0 0,9690 0,0122 0,0188 9,646 33,52 1027000 14292,4
0,02 0,9496 0,0120 0,0184 9,723 33,59 1009000 14092,4
0,04 0,9302 0,0117 0,0180 9,797 33,66 990900 13891,0
0,06 0,9109 0,0115 0,0177 9,869 33,73 972800 13689,6
0,08 0,8915 0,0112 0,0173 9,939 33,80 954700 13488,1
0,10 0,8721 0,0110 0,0169 10,010 33,87 936700 13288,1
0,12 0,8527 0,0107 0,0165 10,070 33,94 918600 13086,6
0,14 0,8333 0,0105 0,0162 10,140 34,02 900500 12885,2
0,16 0,8140 0,0102 0,0158 10,200 34,09 882500 12685,1
0,18 0,7946 0,0100 0,0155 10,260 34,17 864400 12483,6
0,20 0,7752 0,0098 0,0151 10,320 34,25 846300 12282,0
0,04
0,08
0,12
0,16
0,20
Н мольных долей
Рис. 1. Зависимость потребляемой мощности компрессора от содержания водорода в смеси
0,04
0,08
0,12
0,16
0,20
Н мольных долей
Рис. 2. Зависимость температуры выходящего потока МВС от содержания водорода в смеси
0
0
£ 1050
Н
1000
н 14,5
950
900
850
800
0 0,04 0,08 0,12 0,16 0,20 Н2, мольных долей
Рис. 3. Зависимость массового расхода потока МВС от содержания водорода
14
14,0
13,5
13,0
12,5
12,0
0 0,04 0,08 0,12 0,16 0,20 Н2, мольных долей
Рис. 4. Зависимость энергосодержания потока МВС от содержания водорода
Работа сжатия газа зависит от условий, в которых протекает сжатие. Она минимальна, если сжатие происходит изотермически. Если же сжатие производится без отвода тепла и температура газа в процессе сжатия возрастает (адиабатическое сжатие), работа будет максимальной, так как в этом случае приходится затрачивать дополнительную работу на преодоление энергии расширяющегося при нагревании газа.
Изменение температуры газа при адиабатическом сжатии представлено в известном уравнении:
к-1
НГ' «
где Т1 и Т2 - абсолютная температура газа соответственно до и после сжатия; Р1 и Р2 - давление газа соответственно до и после сжатия; к - показатель адиабаты (см. табл. 1).
Еще одним важным показателем является массовый расход смеси, так как водород и природный газ являются в первую очередь энергоносителями. По низшей теплотворной способности природного газа и водорода, МДж/кг, и изменению массового количества транспортируемого водорода, кг/с, можно сделать вывод об изменении количества транспортируемой энергии, МВт.
С добавлением водорода в природный газ массовый расход МВС снижается, так как водород обладает более низкой плотностью по сравнению с метаном (см. табл. 2, см. рис. 3).
По достижении 20%-ного содержания водорода в МВС значение 0мас уменьшается на 17,6 % по сравнению с расходом природного газа без добавок.
Далее рассмотрим изменение энергосодержания МВС. Низшая теплотворная способность водорода - 120,9 МДж/кг, метана - 50,1 МДж/кг (см. табл. 1). Примем теплотворную способность природного газа равной теплотворной способности метана, такое допущение целесообразно сделать в связи с тем, что содержание этана и пропана в природном газе незначительно. Расчет энергосодержания МВС производился по следующим уравнениям:
Е =
(ХСН4 ?СН4 + ХН2 ?Н2 )бм;
3600
(2)
где хсн, хн - массовые концентрации соответственно метана и водорода в МВС; д™, д™ -низшая теплота сгорания соответственно метана и водорода, МДж/кг; 2мас, кг/ч.
хс н4 М сн4
' м______
(3)
где хСн - мольная концентрация метана в МВС; Мсн - молярная масса метана; Мсмеси - молярная масса смеси.
хн2 М Н2 М_______
(4)
где хНг - мольная концентрация водорода в МВС; Мн - молярная масса водорода.
2
Мсмеси = ТХ'М< = ХСН4МСН4 + Хн2Мн2 • (5)
1=1
Результаты расчета энергосодержания МВС представлены в табл. 2 и на рис. 4 (см. ранее). Несмотря на то что водород обладает большей массовой теплотворной способностью, слишком большая (почти 8-кратная) разница плотностей метана и водорода приводит к тому, что с добавлением водорода энергосодержание МВС уменьшается. В предельном случае при содержании водорода 20 % значение Е снизилось на 14 % по сравнению с потоком природного газа без добавок.
Не учитывая технические сложности, связанные с повышенными требованиями к материальному исполнению оборудования, эксплуатируемого с водородосодержащими средами, данный расчет позволяет качественно оценить влияние физических свойств водорода на процесс транспортировки газа по магистральному трубопроводу.
***
Добавление водорода в поток природного газа оказывает негативное воздействие на технологические параметры оборудования существующей газотранспортной инфраструктуры. Исследование показало, что при увеличении содержания водорода в смеси:
1) в случае сохранения объемной производительности и перепада давления в компрессоре энергопотребление центробежных нагнетателей увеличивается;
2) температура перекачиваемой смеси после сжатия возрастает. Это создает увеличенные нагрузки на холодильник компрессора ниже по потоку КС перед возвращением газа в магистральный газопровод;
3) общее энергосодержание транспортируемой смеси уменьшается при увеличении доли водорода в составе транспортируемого газа; уменьшение поставок природного газа приводит в свою очередь к изменению баланса на энергетическом рынке.
Список литературы
1. Митрова Т. Водородная экономика - путь
к низкоуглеродному развитию / Т. Митрова, Ю. Мельников, Д. Чугунов. - М.: Московская школа управления «Сколково», 2019. -https://energy.skolkovo.ru/downloads/documents/ SEneC/Research/SKOLKOVO_EneC_Hydrogen-economy_Rus.pdf
2. World Energy Outlook 2018 / IEA. -https://www.iea.org/reports/world-energy-outlook-2018
3. Melaina M.W. Blending hydrogen into natural gas pipeline networks. A review of key issues: technical report / M.W. Melaina, O. Antonia, M. Penev. - Golden, CO, USA: National Renewable Energy Lab., 2013.
4. Blue fuel: Gazprom Export Global Newsletter. -2018. - Вып. 48.
5. Terlouw W. Gas for Climate. The optimal role for gas in a net-zero emissions energy system / W. Terlouw, D. Peters, J. van Tilburg, et al. -Utrecht: Navigant Netherlands B.V., March 2019. -https://gasforclimate2050.eu/wp-content/uploads/ 2020/03/Navigant-Gas-for-Climate-The-optimal-role-for-gas-in-a-net-zero-emissions-energy-system-March-2019.pdf
6. Германия готова софинансировать водородные проекты в России. - 1 декабря 2020. -https://finance.rambler.ru/business/45349690-germaniya-gotova-sofinansirovat-vodorodnye-proekty-v-rossii/?ysclid=l5uu4mma1n481677966
7. Witkowski A. Comprehensive analysis of hydrogen compression and pipeline transportation from thermodynamics and safety aspects / A. Witkowski, A. Rusin, M. Majkut, et al. // Energy. - 2017. -
Т. 141. - С. 2508-2518.
8. Zhou D. The experiment study to assess the impact of hydrogen blended natural gas on the tensile properties and damage mechanism of X80 pipeline steel / D. Zhou, T. Li, D. Huang, et al. // International Journal of Hydrogen Energy. -2021. - Т. 46. - С. 7402-7414.
9. Haeseldonckx D. The use of the natural-gas pipeline infrastructure for hydrogen transport
in a changing market structure / D. Haeseldonckx, W. D'haeseleer // International Journal of Hydrogen Energy. - 2007. - Т. 32. -С. 1381-1386.
10. Рид Р. Свойства газов и жидкостей / Р. Рид, Дж. Праусниц, Т. Шервуд. - Л.: Химия, 1982. -592 с.
11. Рожков И.В. Получение жидкого водорода / И.В. Рожков, О.А. Алмазов, А.А. Ильинский. -М.: Химия, 1967. - 190 с.
12. HYSYS Simulation Basis. - https://sites.ualberta.ca/ CMENG/che312/F06ChE416/HysysDocs/ AspenHYSYSSimulationBasis.pdf
13. Шабуро И.С. Методические указания к выполнению курсового проекта
по дисциплине «Компрессоры и компрессорные станции» / И.С. Шабуро. -http://tt.samgtu.ru/sites/tt.samgtu.ru/files/ 11-5_kiks_kp.pdf
14. Hydrogen Delivery Technical Team Roadmap. -US DRIVE, 2013.
15. Gillette J.L. Overview of interstate hydrogen pipeline systems / J.L. Gillette, R.L. Kolpa. -Argonne National Laboratory, 2008. -ANL/EVS/TM/08-2. -https://digitanibraryunt.edu/ark/67531/ metadc898419/m1/1/
Effect of hydrogen addition to natural gas flow on operation of gas-transportation system equipment
Ye.B. Fedorova1*, A.O. Yushin1
1 National University of Oil and Gas «Gubkin University», Block 1, Bld. 65, Leninskiy prospect, Moscow, 119991, Russian Federation * E-mail: fedorova.e@gubkin.ru
Abstract. The described study was undertaken in order to estimate the impact of hydrogen additives in the transported natural gas to the thermodynamic behavior of the gas flow and the gas-transmitting equipment. Aspen HYSYS simulator of transportation of the methane-hydrogen mixtures with hydrogen concentration from 0 to 20 % showed that rising of hydrogen percent increased the energy consumption by gas-pumping compressor equipment. Besides, with insertion of more hydrogen the temperature of the compressed gas mixture increased amplifying the loads of the coolers. Authors showed that the hydrogen additives negatively affect the energy capacity of a transported gas mixture.
Keywords: natural gas, methane, hydrogen, methane-hydrogen mixture, gas-transport system, природный газ, метан, водород, метан-водородная смесь, газотранспортная система, gas transmission station, compressor.
References
1. MITROVA, T., Yu. MELNIKOV, D. CHUGUNOV. Hydrogen economy is a way to low-carbon development [Vodorodnaya ekonomika - put k nizkouglerodnomy razvitiyu] [online]. Moscow: Moskovskaya shkolaupravleniya "Skolkovo", 2019. (Russ.).Available from: https://energy.skolkovo.ru/downloads/documents/ SEneC/Research/SKOLKOVO_EneC_Hydrogen-economy_Rus.pdf
2. IEA. World Energy Outlook 2018 [online]. Available from: https://www.iea.org/reports/world-energy-outlook-2018
3. MELAINA, M.W., O. ANTONIA, M. PENEV. Blending hydrogen into natural gas pipeline networks. A review of key issues: technical report. Golden, CO, USA: National Renewable Energy Lab., 2013.
4. Blue fuel: Gazprom Export Global Newsletter. 2018. Is. 48.
5. TERLOUW, W., D. PETERS, J. van TILBURG, et al. Gas for Climate. The optimal role for gas in a net-zero emissions energy system [online]. Utrecht: Navigant Netherlands B.V., March 2019. Available from: https://gasforclimate2050.eu/wp-content/uploads/2020/03/Navigant-Gas-for-Climate-The-optimal-role-for-gas-in-a-net-zero-emissions-energy-system-March-2019.pdf
6. Germany is ready to co-finance hydrogen projects in Russia [Germaniya gotova sofinansirovat vodorodnyye proyekty v Rossii] [online]. 1 December 2020. Available from: https://finance.rambler.ru/business/45349690-germaniya-gotova-sofinansirovat-vodorodnye-proekty-v-rossii/?ysclid=l5uu4mma1n481677966
7. WITKOWSKI, A., A. RUSIN, M. MAJKUT, et al. Comprehensive analysis of hydrogen compression and pipeline transportation from thermodynamics and safety aspects. Energy, 2017, vol. 141, pp. 2508-2518, ISSN 0360-5442.
8. ZHOU, D., T. LI, D. HUANG, et al. The experiment study to assess the impact of hydrogen blended natural gas on the tensile properties and damage mechanism of X80 pipeline steel. International Journal of Hydrogen Energy, 2021, vol. 46, pp. 7402-7414, ISSN 0360-3199.
9. HAESELDONCKX, D., W. D'HAESELEER. The use of the natural-gas pipeline infrastructure for hydrogen transport in a changing market structure. International Journal of Hydrogen Energy, 2007, vol. 32, pp. 1381-1386, ISSN 0360-3199.
10. REID, R.C., J.M. PRAUSNITZ, Th.K. SHERWOOD. The properties of gases and liquids [Svoystva gazov i zhidkostey]. Leningrad, USSR: Khimiya, 1982. (Russ.).
11. Rozhkov, I.V., O.A. Almazov, A.A. Ilinskiy. Production of liquid hydrogen [Polucheniye zhidkogo vodoroda]. Moscow: Khimiya, 1967. (Russ.).
12. HYSYS Simulation Basis [online]. Available from: https://sites.ualberta.ca/CMENG/che312/F06ChE416/ HysysDocs/AspenHYSYSSimulationBasis.pdf
13. SHABURO, I.S. Methodical guidelines to course project on the discipline "Compressors and compressor stations" [Metodicheskiye ukazaniya k vypolneniyu kursovogo proyekta "Kompressory i kompressornyye stantsii] [online]. Available from: http://tt.samgtu.ru/sites/tt.samgtu.ru/files/11-5_kiks_kp.pdf
14. Hydrogen Delivery Technical Team Roadmap. US DRIVE, 2013.
15. GILLETTE, J.L., R.L. KOLPA. Overview of interstate hydrogen pipeline systems [online]. Argonne National Laboratory, 2008, ANL/EVS/TM/08-2. Available from: https://digital.library.unt.edu/ark:/67531/ metadc898419/m1/1/
