天然气掺氢输送设计计算书

天然气掺氢输送设计计算书（含混合气体热值计算与燃气互换性分析）工程名称：【××天然气掺氢输送示范工程】文件编号：TH-H₂NG-2026-001设计阶段：可行性研究/初步设计文件类型：专业计算书（水力·热力·互换性·安全）编制：【】日期：2026年月日审核：【】日期：2026年月日批准：【】日期：2026年月日【设计单位名称】二〇二六年十月

目录TOC\o"1-2"\h\z\u1概述 概述1.1任务背景在“双碳”目标与能源结构转型背景下，利用现有天然气长输管道及城市燃气管网掺混输送氢气，是实现氢能低成本、规模化远距离输送的重要技术路径。氢气掺入天然气后，混合气体的密度、热值、华白数、燃烧速度及输配阻力等参数均将发生变化，直接影响下游燃烧器具的热负荷、燃烧稳定性与管网安全运行。为指导掺氢输送工程设计，特编制本计算书。1.2设计范围本计算书针对某12T商品天然气管道掺氢输送工程，完成以下内容：基准气质与掺氢工况参数确定；混合气体摩尔质量、相对密度、密度及高/低位热值计算；基于华白数与燃烧势的燃气互换性判定；管道稳态水力压降与能量输运分析；燃爆特性、材料相容性、密封安全间距及计量适配等安全核验；并给出多工况结果汇总、工程指导意义与设计建议。1.3设计原则（1）以现行国家及行业标准为依据，计算口径统一采用标准状态（0℃、101.325kPa，干基）；（2）以保证下游燃气具热负荷与燃烧稳定性为核心，互换性判定不突破12T类别允许波动范围；（3）安全冗余优先，材料、密封与计量设施按掺氢后最不利工况校核；（4）计算结果可追溯、可复算，关键工况给出量化对比。2设计依据与标准规范本计算书编制主要依据下列现行标准、规范及技术文件：表2-1主要设计依据标准一览表标准编号标准名称在本计算书中的作用GB17820—2018天然气规定天然气质量指标与发热量要求GB/T37124—2018进入天然气长输管道的气体质量要求规定长输管道入口气体质量，氢体积分数≤3%GB/T13611—2018城镇燃气分类和基本特性规定燃气分类、华白数/热值波动范围及互换性指标GB50028—2006（2020年版）城镇燃气设计规范规定燃气质量、输配系统与燃烧器具适配要求GB50251—2015输气管道工程设计规范规定输气管道水力、强度及运行设计要求GB/T34537—2017车用压缩氢气天然气混合燃气规定HCNG掺氢比例（≤25%）及气质要求GB/T11062天然气发热量、密度、相对密度和沃泊指数的计算方法提供混合气体物性加和计算方法3计算基础条件3.1基准天然气组分取本工程供气气源为典型12T商品天然气，其干基体积分数组成见表3-1。该气源高位发热值与华白数处于12T类别中段。表3-1基准天然气体积组成（干基）组分体积分数/%甲烷CH₄94.5乙烷C₂H₆3.0丙烷C₃H₈0.5氮气N₂1.5二氧化碳CO₂0.5合计100.03.2单一气体物性参数各单一气体在标准状态下的摩尔质量、相对密度及高/低位发热值按GB/T13611附录及GB/T11062取用，见表3-2。表3-2单一气体标准状态物性参数组分摩尔质量Mᵢ/(kg·kmol⁻¹)相对密度dᵢ高位热值Hₛ,ᵢ/(MJ·m⁻³)低位热值Hᵢ,ᵢ/(MJ·m⁻³)H₂2.0160.069612.7410.79CH₄16.0430.554839.8235.88C₂H₆30.0701.04170.9364.35C₃H₈44.0971.554101.2093.18N₂28.0130.969500CO₂44.0101.519003.3掺氢工况与管道运行参数以纯氢（体积分数100%）按体积比掺入基准天然气，掺氢比x取0、5%、10%、20%、30%共五个工况进行对比计算。管道及运行计算参数按表3-3取值。表3-3管道水力计算基础参数参数取值管道公称直径DN500mm管道计算内径D0.500m计算管段长度L50km起点设计压力P₁6.3MPa（表压）计算温度T283K（10℃）天然气相对密度G0.5854（基准气）标况体积流量Q（基准）10.0×10⁴m³/h4混合气体物性计算4.1混合气体摩尔质量混合气体摩尔质量按各组分摩尔分数（标况下等于体积分数）加权平均计算： Mm=i=1n代入基准天然气组分，得Mₘ=0.945×16.043+0.030×30.070+0.005×44.097+0.015×28.013+0.005×44.010=16.92kg/kmol。掺氢后随氢比例增大，混合气体摩尔质量单调下降。4.2混合气体相对密度与密度混合气体相对密度d为混合气体密度与同温同压干空气密度之比，按体积分数加和： d=i=1nfi代入得基准气d=0.5854。气体密度按理想气体状态方程近似计算： ρg=PM式中：P为绝对压力，Pa；R=8.314J/(mol·K)；Z为压缩因子（中低压短管段计算取Z≈1.0）。掺氢后混合气体相对密度与密度均显著降低。4.3混合气体高、低位热值混合气体高位热值与低位热值按各组分体积分数加权加和计算： Hs=1100 Hi=1100式中fᵢ以百分数计。代入基准气，得Hₛ=40.26MJ/m³，Hᵢ=36.30MJ/m³。由于氢气热值远低于甲烷，随掺氢比增大，混合气体体积热值近似线性下降；这意味着在相同供热量需求下，输配的体积流量需相应增大。5燃气互换性计算5.1华白数华白数是衡量燃气互换性的首要指标，表示在相同喷嘴压降下燃气具热输入能力，分高华白数与低华白数： Ws=Hs Wi=Hi基准气Wₛ=40.26/√0.5854=52.62MJ/m³，Wᵢ=47.45MJ/m³。掺氢同时降低热值与相对密度，二者对华白数的影响部分抵消，故华白数随掺氢比下降较平缓。5.2燃烧势燃烧势反映火焰传播速度，是判别回火、脱火的重要指标，按GB/T13611计算： CP=K×1.0H2+0.6( K=1+0.0054O22 式中各组分均以体积百分数计入；本气源不含氧与一氧化碳，故K=1，H₂=0、CH₄=94.5%、CₘHₙ=3.5%。基准气CP=30.45/√0.5854=39.8。氢火焰传播速度远高于烃类，随掺氢比增大燃烧势快速上升，回火风险相应增大。5.3互换性判定GB/T13611—2018规定12T天然气高华白数标准值为50.72MJ/m³，允许波动范围45.66～54.77MJ/m³；高位热值标准值37.78MJ/m³，允许范围31.97～43.57MJ/m³。各掺氢工况判定见表5-1。表5-1各掺氢工况华白数、热值与互换性判定掺氢比xWₛ/(MJ·m⁻³)Hₛ/(MJ·m⁻³)CP互换性判定0（基准）52.6240.2639.8符合5%51.9838.8945.4符合10%51.3437.5151.2符合，CP升高需关注回火20%50.0534.7663.9符合W/H区间，CP偏高30%48.7732.0178.2Hₛ逼近下限，CP过高，不推荐由表5-1可见：当掺氢比不超过20%时，混合气体高华白数与高位热值均落在12T允许波动范围内，具备与基准天然气互换的基础；当掺氢比达到30%时，高位热值逼近允许下限且燃烧势过高，易引发回火、脱火及燃烧不完全，不宜直接对现有未改造燃具供气。6输送水力工况计算6.1稳态压力降对于长距离输气管道，稳态沿程压力降采用Weymouth公式计算： P12-P式中：P₁、P₂为起、终点绝对压力；K_w为Weymouth系数；G为气体相对密度；T为气体平均温度；Q为标况体积流量；L为管长；D为管道内径。在其他条件不变时，压降近似与G·Q²成正比。6.2掺氢对输送能力的影响掺氢后混合气体相对密度G下降（由0.5854降至20%掺氢时的0.4823），在相同起终点压差下，按体积计的输送阻力降低、可通过体积流量增大；但因混合气体体积热值下降，按能量计的输送能力（单位时间输送热量=Q×Hₛ）变化需同时计及两者。以基准工况10×10⁴m³/h为例：20%掺氢时单位体积热值降至34.76MJ/m³，约为基准值的86.3%，即相同体积流量下能量输运能力下降约13.7%。工程上可通过提高输量或提高运行压力补偿能量输运能力的下降。7安全核验7.1燃爆极限氢气在空气中的体积燃爆极限约为4.0%～75.6%，显著宽于甲烷（约5.0%～15.0%），且最小点火能更低（约0.02mJ，为甲烷的约1/10）。掺氢后混合气体的燃爆下限降低、燃爆浓度范围变宽，泄漏后更易被点燃。设计应按最不利工况配置可燃气体探测与通风。7.2泄漏与扩散氢气分子小、黏度低、扩散系数大（约为甲烷的3倍），泄漏后扩散速度快、浮力大，在开放空间易快速稀释，泄漏风险总体可控；但在封闭或半封闭空间（阀室、地下井、机房）内，氢气易在顶部积聚形成可燃气团。设计应保证阀室、埋地阀井顶部通风，并将可燃探测器布置于易积聚部位。7.3材料相容性与氢脆氢原子在高压下可渗入钢材内部引起氢致开裂与氢脆，导致管材、焊缝及管件韧性下降。对现役钢管掺氢输送，应按掺氢比与运行压力开展材料相容性评价，控制钢材硬度与焊缝质量；对橡胶密封件、隔膜、O形圈等非金属元件，应选用耐氢渗透、耐氢老化的专用材料，防止氢渗透造成的密封失效与非计划性放散。7.4密封、安全间距与泄放掺氢系统的法兰、阀门、压缩机及调压装置应提高密封等级，采用金属缠绕垫或专用耐氢垫片；放散管应高出周围建（构）筑物并设置阻火与点火设施；与明火、散发火花地点及建（构）筑物的防火间距按GB50028、GB50251相关规定执行并适当留有余量。7.5计量适配掺氢后气体密度、声速与热值变化，会影响超声流量计、涡轮流量计及膜式燃气表的计量精度，同时影响以体积为基础的贸易交接。设计应选用适配宽组分范围的流量计，并在线监测气质组分与热值，逐步由体积计量过渡到能量计量。8多工况结果汇总与分析将各掺氢工况的主要计算结果汇总于表8-1，便于综合比选。表8-1掺氢输送多工况计算结果汇总表掺氢比x相对密度dMₘ/(kg·kmol⁻¹)Hₛ/(MJ·m⁻³)Hᵢ/(MJ·m⁻³)Wₛ/(MJ·m⁻³)CP相对能量输运能力00.585416.9240.2636.3052.6239.8100%（基准）5%0.559616.1738.8935.0351.9845.4约96.6%10%0.533815.4237.5133.7551.3451.2约93.2%20%0.482313.9334.7631.2050.0563.9约86.3%30%0.430712.4532.0128.6548.7778.2约79.5%由汇总结果可得：（1）相对密度、摩尔质量、热值与华白数均随掺氢比增大单调下降；（2）燃烧势随掺氢比近似线性快速上升，是限制掺氢比例的主导因素；（3）在10%掺氢比以内，各项气质指标与基准气偏差较小，对现役管网与燃具的适应性最好；20%掺氢需配合燃具改造与回火校核；超过20%应开展专门的燃烧器/灶具适配试验与材料评价。9工程指导意义与建议（1）掺氢比例宜按“先低后高、分级实施”的原则推进，近期工程宜控制在10%（体积分数）以内，并满足GB/T37124对进入长输管道气体氢含量不大于3%的现行要求；（2）以12T燃气具互换为约束，应同时校核华白数、热值波动与燃烧势，重点防范高掺氢比下的回火与脱火，必要时对燃烧器喷嘴、一次空气系数进行匹配改造；（3）按能量输运能力下降幅度复核压缩机、调压及输送方案，合理选择运行压力与输量，保证供热量不降低；（4）对管道材质、焊缝、密封件开展耐氢评价，设置宽量程气质在线监测、可燃气体探测与可靠放散系统；（5）计量交接宜由体积计量逐步过渡到能量计量，并建立掺氢气质的连续监测与追溯机制。10结论本计算书以典型12T商品天然气为基准，完成了掺氢输送的混合气体物性、热值、华白数、燃烧势、水力工况及安全核验计算。结果表明：掺氢使混合气体相对密度、体积热值与华白数下降、燃烧势升高；在掺氢比不超过20%时，高华白数与高位热值仍处于GB/T13611规定的12T允许波动范围内，具备工程可行性；掺氢比