氢气是一种清洁能源，可通过风能、太阳能发电水解等方式制取，具备高效无碳和应用场景丰富等特点[1]。将氢气掺入天然气管道输送是长距离、大规模输送氢气的有效手段，也是公认的最为经济的氢气长距离输送方式[2-5]。但是氢气掺入天然气会改变管输气体的组分，使气体的压缩因子、密度、黏度、发热量等物性参数发生变化，并改变管道沿线的压力、温度和离心式压缩机的进出口压力等性能参数，进而影响管道输送能耗。因此，揭示在不同输量、不同掺氢量条件下，与管道联合运行的离心式压缩机工作流量、压头、压比等参数的变化规律，对于制定合理的掺氢输送方案具有重要意义。
国内外有学者开展了氢气掺入对压缩机工作状态的研究。Mahdi等[6]指出天然气注入10%(体积分数，下同)的氢气会使得压缩机能耗增加9%~14%。Kurz等[7]发现，在掺氢输送条件下，若给定压缩机压比，压缩机的功耗会明显增加。Uilhoorn[8]发现在同等输量输送下，压缩机功率降低；而在同等发热量输送下，压缩机功率会增加。Bainier等[9]研究发现随着天然气中掺氢量的增加，压缩机转速会增加，最终压缩机工况点会超过特性曲线工况范围。王玮等[10]指出掺氢会使得压缩机与管网平衡工作点处的压力和流量减小。周静[11]分析得到，随着天然气中掺氢量的增加，在同等发热量输送下，压缩机进、出口压力增加，压比减小，压缩机功率先增加后减小。宋鹏飞等[12]分析得到掺氢10%会使压缩机能耗增加约12%，掺氢天然气会使得离心压缩机叶轮旋转速度及材料强度发生变化。
总体上，国内外学者均指出掺氢天然气会对压缩机的进、出口压力、能耗、转速、功率等性能参数产生影响，但现有研究并未考虑不同掺氢量下压缩机本身特性曲线的变化，因此，得到的研究结果会与实际值之间存在一定的差异。针对这一问题，首先研究了掺氢天然气的物性参数，修正了不同掺氢量下压缩机本身的特性参数。考虑管道输送的气体体积和发热量分别是体积计量、能量计量条件下评价管道输送效益的重要指标[13-17]，在此基础上，分别考虑掺氢前后管道和压缩机在同等输量、同等发热量条件下的运行规律，评价其掺氢输送适应性。
以西气东输一线的天然气组分作为基准组分，计算得到不同掺氢量下的掺氢天然气组成(表 1)。采用BWRS状态方程，计算掺氢天然气的密度、压缩因子、定压比热容和定容比热容等物性参数，分析其变化规律。掺氢天然气的压缩因子、密度和黏度变化规律如图 1(a)所示，定压、定容比热容的变化规律如图 1(b)所示。可知，压缩因子随掺氢量的增加而增加，气体的密度、黏度、定压比热容和定容比热容随掺氢量的增加而降低。这是因为掺氢量的增加使得气体越来越接近理想气体状态，导致压缩因子不断增加，同时，甲烷、乙烷等组分的密度、黏度和定压、定容比热容比氢气高。因此，随着掺氢量的增加，气体密度、黏度和定压、定容比热容降低。
西气东输一线管道起点为轮南压气站，终点为古浪压气站，共经过13座压气站，全长1 842 km，管线高程及沿线压缩机位置如图 2所示。全线管道设计压力10 MPa，管径为Φ1 016 mm×14.6 mm，正常输量范围为(2 800 ~4 500)×104 m3/d。全线设置35台离心式压缩机机组，其中33台为燃驱压缩机、2台为电驱压缩机，主要型号为R-R、GE-PCL802、GE-PCL804型。
由于压缩机的性能参数与输送气体的组分、物性参数和运行工况紧密相关，当上述条件发生变化时，需要对压缩机的性能参数进行相似换算[18]。图 3所示为2019年3月轮南站R-R型压缩机实际运行工况和出厂试验条件下的进口压力和进口温度，发现出厂试验条件下压缩机的进口压力更高，最大差值为0.75 MPa、最小差值为0.47 MPa；实际工况条件下压缩机的进口温度更高，两者最大差值为5.4 ℃、最小差值为1.0 ℃。其主要原因为出厂试验一般是以空气为输送介质开展的，而实际工况是输送天然气，输送气体的物性参数存在显著差异。为此，需要根据现场实际生产数据和掺氢条件对压缩机出厂性能参数进行相似换算。
相似换算分为完全相似换算、第一类相似换算和第二类相似换算[19-20]。这些相似换算考虑了几何相似、进口速度三角形相似、绝热指数相似和特征马赫数相似4种需满足的相似条件，3种相似换算方法的区别在于满足的相似条件数和适用范围(表 2)。在实际工况下，由于管输气体的压力和温度等不断变化，掺氢与不掺氢输送工况压缩机输送介质不同，很难全部满足4种相似条件，故采用第一类相似换算得到实际不掺氢工况的压缩机性能参数，采用第二类相似换算得到掺氢工况的压缩机性能参数。压缩机性能参数相似换算步骤如图 4所示[21]。
根据相似换算方法可得到天然气不掺氢与掺氢输送工况下PCL802、PCL804、R-R型离心压缩机的流量、压头和转速，采用二次拟合法拟合得到3种压缩机特性方程。通过对比掺氢量分别为0%、5%、10%、15%、20%的天然气输送时的典型PCL804型压缩机特性曲线图(见图 5)，可知随着输送天然气的掺氢量的增加，压缩机的压头比不掺氢时的压头相对增加2.82%、5.27%、7.54%、9.62%，为此有必要对掺氢输送工况下压缩机的性能参数进行研究。
由式(1)可表明，压缩机的功率恒定时，随着掺氢量的增加，输送气体密度降低，在进口体积流量不变时，压缩机的多变能头增加[22]。
式中：N1为压缩机功率，W；V为压缩机进口体积流量，m3/h；ρ为输送气体密度，kg/m3；Hpol为压缩气体多变能头，kJ/kg。
根据西气东输一线的实际运行工况，设定2 800×104 m3/d、3 500×104 m3/d、4 500×104 m3/d 3种输量，结合相似换算得到压缩机特性参数，建立西气东输管道仿真模型，计算得到3种输量下转速、进口压力和出口压力的仿真模拟值与现场实际值的最大相对误差绝对值，分别为2.32%、2.35%、2.47%。在此基础上，分析掺氢对管道运行压力、温度、流量和压缩机运行工作状态的影响。以输量4 500×104 m3/d为例，其转速等参数仿真模拟值与现场实际值相对误差绝对值如图 6所示。
基于西气东输管道仿真模型，考虑氢气掺入后压缩机本身特性曲线和输送气体物性参数的变化，分别研究2 800×104 m3/d、3 500×104 m3/d、4 500×104 m3/d 3种输量情况与同等输量、同等发热量两种输送状态，得到管线沿线压力温度数据。
由于在夏季且最大输量下，管道沿线压力和温度变化最大，故以夏季工况为例，分析不同掺氢量管道沿线的压力、温度变化规律，如图 7所示。结果表明，在同等输量状态下，随着掺氢量从0%增至20%，管线沿线压力增大且低于设计压力10 MPa，沿线管道温度降低且低于西气东输实际工况60 ℃的标准[23]。Zahreddine Hafsi等[24]和J A Schouten等[25]也研究得到，在同等输量状态下，天然气注入25%氢气会导致管道压力增加和管道沿线温度降低。其主要原因为：氢气掺入天然气导致气体黏度降低，气体在管道内流动受到的阻力减小，导致管线沿线压力增大；氢气的导热系数大于甲烷，导致掺氢输送管线沿线温度降低。
在同等发热量输送状态下，当掺氢量在20%以内时，输送掺氢天然气的发热量同等于输量2 800×104 m3/d、3 500×104 m3/d的纯天然气时，管道沿线的压力随掺氢量的增加而升高、管道沿线温度随着掺氢量的增加而降低，但在上述工况范围内，管道沿线未出现超压和超温现象。若在夏季，掺氢天然气的发热量同等于输量为4 500×104 m3/d的纯天然气(图 8)，当掺氢量达到5%时，孔雀河站和鄯善站出站压力分别为10.11 MPa和10.07 MPa，超过了设计压力10 MPa；掺氢量为20%时，大部分压气站出站压力超压，对管道运行安全产生危害。其主要原因为氢气发热量低于天然气，为保证同等发热量输送，使得换算得到的输量大大增加，导致管道运行压力超压(表 3)。
在输送掺氢天然气发热量同等于输量4 500×104 m3/d纯天然气、掺氢量为5%时，就会出现局部站场超压，但实际上可以对各个压缩机站的进出站压力进行优化协调，降低高压出站站场的负荷，增大低压出站站场负荷，从而增大掺氢量。如图 9所示，通过研究发现，在掺氢天然气发热量同等于输量4 500×104 m3/d天然气时，计算得到管道的最大掺氢量为10.61%。
以输量为2 800×104 m3/d，掺氢量分别为0%、3%、5%、10%、15%、20%的夏季工况为典型例子，分析轮南站R-R型压缩机和鄯善站PCL804型压缩机的运行工况。
R-R型和PCL804型压缩机不同掺氢量压缩机工况点变化规律如图 10所示。图 10表明，随着掺氢量由0%增至20%，压缩机进口流量降低、压头增加，导致压缩机工况点向低流量、高压头区域移动。这主要是因为, 与天然气相比, 氢气的压缩因子更大、密度更小，在标准状况下, 同样体积流量的掺氢天然气在一定的压力、温度下的质量流量、被压缩后的体积要小于纯天然气。在上述工况范围内，压缩机工作点都处于正常工况范围内。掺氢量每增加5%，R-R型压缩机进口流量平均降低88.25 m3/h，压头平均增加4.25 m；PCL804型压缩机进口流量平均降低217.05 m3/h，压头平均增加14.76 m。随着掺氢量的增加，这两种型号压缩机的进口流量和压头的变化趋势都在减小；输送掺氢天然气对PCL804型压缩机工况点的影响较R-R型压缩机的大。
R-R型和PCL804型压缩机性能参数变化规律如图 11所示，其中V2为压缩机出口压力，V1为压缩机进口压力。图 11表明: 对于R-R型压缩机，掺氢量每增加5%，春、夏、冬季的压缩机功率分别减少4.07%、4.11%和4.03%, 进口压力平均增加3.34%, 压比平均减少1.64%, 出口压力平均增加1.60%, 压头平均增加0.39%, 自耗气变化最小，平均减少0.35%;对于PCL804型压缩机，掺氢比每增加5%，压缩机功率变化最大，平均减少5.0%, 进口压力平均增加2.30%, 压比和自耗气平均减少1.85%和1.31%, 出口压力平均增加0.36%, 压头变化最小，平均减少0.12%。由此可知, 在不同季节和压缩机型号下，都存在随着掺氢量的增加，进、出口压力和压头增加，自耗气、功率和压比减少的变化规律。
Andrzej Witkowski等[26]发现, 掺氢量的增加显著降低了输送气体的总质量流量和压缩机输出功率；Tanja Clees等[27]也发现纯天然气输送时的压缩机压比平均为1.48，纯氢输送时压比平均为1.04。这些研究与本研究结论相似。这是由于掺氢量的增加使得气体密度、黏度、绝热指数和多变指数减小[28]，气体输送所需能量少，导致压缩机压比和自耗气减小，压缩机进出口压力和压头增加。因为压缩机工况点向左上方移动，由此可知压缩机进口流量减少和压头增大。由式(1)可得，随着天然气密度的减小，压缩机功率降低。
采用随机森林重要度分析方法，对比了相同输量下，相同型号压缩机的性能参数随掺氢量和环境温度变化的敏感性，得到R-R型和PCL804型压缩机各影响因素的重要度(图 12)。
由图 12可知，在所研究的工况范围内，对于R-R型压缩机，掺氢量较环境温度更显著影响压缩机各性能参数。通过多次随机森林回归，可知, 掺氢量对压缩机各性能参数的重要度排序为：功率>进口压力>压比>出口压力>压头>自耗气。在6种性能参数和影响因素中，环境温度对自耗气的影响最大，重要度达到了0.216，其次是压头，重要度为0.136，对其他性能参数的重要度不超过0.100。对于PCL804型压缩机，掺氢量同样较环境温度更显著影响压缩机各性能参数，环境温度对出口压力的影响最大，重要度达到了0.203，其次是自耗气，重要度为0.134，对其他性能参数的重要度不超过0.070。综上，在同等输量输送工况和两种影响因素下，掺氢量较环境温度更显著影响压缩机各性能参数，但环境温度对于压缩机出口压力、自耗气、压头等参数有一定的影响作用。
对不同掺氢量下的输量按同发热量进行输量转换，以输量为2 800×104 m3/d和掺氢量分别为0%、3%、5%、10%、15%、20%的夏季工况，输量为4 500×104 m3/d和掺氢量分别为0%、3%、5%、10.61%的夏季工况为典型例子，分析轮南站R-R型压缩机的运行工况。
R-R型压缩机不同输量、掺氢量压缩机工况点变化规律如图 13所示。图 13(a)表明，在同等输量下，压缩机的进口流量增加和压头降低，压缩机工况点均随天然气中掺氢量的增加向右下方移动。掺氢量每增加5%，R-R型压缩机进口流量平均增加66.3 m3/h，压头平均降低5.31 m。图 13(b)表明，在掺氢量低于10.61%时，压缩机工况点也处于工况范围内，即在此工况下, 限制掺氢量继续增加的因素是管道的设计压力，而不是压缩机的工作状态。
R-R型压缩机性能参数变化规律如图 14所示，其中V2为压缩机出口压力，V1为压缩机进口压力。图 14表明：天然气中掺氢量每增加5%，压缩机进口压力变化最大，春、夏、冬季分别增加7.26%、7.21%和7.31%；压缩机出口压力和自耗气分别平均增加5.37%和4.78%；压比平均减少1.72%；掺氢量从0%增至20%，功率分别增加1.76%、1.18%、0.56%和-0.034%，呈现先增加后减少的趋势，平均增加0.84 %；对压头影响最小，平均降低0.11%。由此可知, 在不同季节下，都存在随着掺氢量增加，压缩机进、出口压力和自耗气增加，功率先增后减，压头和压比减少的变化规律，但各性能参数变化的确切值并不相同。这是由于掺氢量的增加，气体的密度和黏度减小，导致压比减小和进、出口压力增大；同等发热量条件下实际输量增大，使得气体在管道内流动产生阻力的增加值大于掺氢天然气在管道内流动使阻力减小的值，最终导致压缩机压头减小和自耗气增加；输量的增大导致压缩机功率增加，其增加值逐渐接近并小于输送掺氢天然气造成压缩机功率减小的值，导致压缩机功率的增大趋势越来越小。
为分析同一输量下R-R型压缩机各性能参数对掺氢量和环境温度发生变化时的敏感性，以各性能参数值为因变量，对两种影响因素进行随机森林重要度分析，得到各影响因素的重要度(图 15)。
由图 15可知，在所研究的工况范围内，掺氢量对除压头外的性能参数的影响最大，对进口压力的重要度最大为0.986，对压头的重要度最小为0.220；在6种性能参数和影响因素中，环境温度对压头的影响最大，重要度达到了0.780，其次是功率，重要度为0.181，对其他性能参数的重要度不超过0.030。综上，在同等发热量工况和两种影响因素下，掺氢量较环境温度更显著影响除压头外的性能参数，但不能忽略环境温度对于压缩机压头、功率等参数的影响。
以西气东输一线管道为研究对象，分析了2 800×104 m3/d、3 500×104 m3/d、4 500×104 m3/d 3种输量，天然气中掺氢量为0%~20%，在同等输量、同等发热量两种状态下的管道沿线压力、温度变化和离心式压缩机组工况点的变化规律，得到西气东输一线管道压缩机适用于特定掺氢输送工况，主要结论如下。
(1) 在总输量不变的条件下，掺氢量每增加5%，典型R-R型压缩机进口流量降低，进口压力、出口压力和压头平均增加3.34%、1.60%和0.39%，自耗气、功率和压比平均减少0.35%、4.11%和1.64%。掺氢量较环境温度更显著影响压缩机各性能参数。
(2) 在总发热量不变的条件下，掺氢量每增加5%，典型R-R型压缩机进口流量增加，压缩机进口压力、出口压力、自耗气和压头平均增加7.31%、5.37%、4.78%和0.84%，压比和压头平均减少1.72%和0.11%。掺氢量较环境温度更显著影响除压头外的性能参数。
(3) 在输量为(2 800~4 500)×104 m3/d、同等输量与同等发热量两种输送条件和天然气掺氢量为0%~20%的运行工况下，现有西气东输一线管道可输送掺氢天然气。但是，同等发热量模式输送输量为4 500×104 m3/d时，西气东输一线管道可输送掺氢量低于10.61%的天然气。
2023, Vol. 52 Issue (2): 133-141 2023, Vol. 52 Issue (2): 133-141