编者按
本研究讨论了不同边界条件下掺氢对天然气管网运行工况以及管道系统碳排放的影响，共讨论了基准场景，定流量掺氢，定热流量掺氢，以及定压力掺氢四个场景。同时，本研究建立了不同掺氢比下的压缩机能耗优化模型，讨论了天然气管网多气源最大掺氢比之间的制约关系，分析了制约掺氢比进一步增大的因素，为未来天然气管网掺氢优化运行提供了理论指导。
本文由：中国石油大学（北京）机械与储运工程学院博士生张博，中国石油大学（北京）克拉玛依校区讲师徐宁，北京大学城市规划与设计学院助理教授张浩然，中国石油大学（北京）机械与储运工程学院博士后邱睿，中国石油大学（北京）机械与储运工程学院研究生魏雪梅，中国航空油料集团有限公司工程师王卓，中国石油大学（北京）机械与储运工程学院教授梁永图合作完成。
引言
天然气管道对氢气的工艺适应性是掺氢输送的关键问题之一。氢气与天然气在物性参数上的差异会导致掺氢后管道及压缩机等水力元件的运行工况发生改变。目前，多数关于掺氢对管网运行工况影响的研究仅针对特定的边界条件及管网结构，研究的结果不具有普适性，研究结论也不相一致。
基于此，本文通过建立多种边界条件下掺氢天然气管网运行非线性优化模型来分析氢气对天然气管道运行性能的影响。
论文的主要贡献如下：
（1）建立了不同边界条件掺氢下的天然气管网运行优化模型，分析不同掺氢边界以及掺氢比对管网运行工况的影响。（2）给出单气源管道的最大掺氢比以及多气源模型的最大掺氢帕累托解集，分析了氢气在不同场景下对管道系统经济和环境性能的影响。
图示情况
图1展示了本文的框架。首先设定无掺氢基准情景以及三种不同边界条件下的掺氢情景。接着，考虑掺氢天然气的水力特性、压缩特性以及压缩机水力运行工况图，建立非线性优化模型获取不同掺氢比例下压缩机的运行计划。最后，基于不同比例下的优化结果，分析氢对管道经济和环境的影响。
图2展示了不同掺氢工况下压缩机的水力工况点的变化情况，在不同边界下，运行工况点的移动方向以及变化幅度差异较大。
图3展示了每添加1%的氢气，系统的年运营成本能降低730000美元（3.29%），年度碳排放能降低380000千克（3.54%）。当氢气混合比例超过8%时，趋势相反。
图4展示了每添加1%的氢，系统的年运营成本会增加167万美元（7.50%),年度碳排放会增加760吨（7.14%）[在SH为3.54%]。这个趋势与SF的情况完全相反，变化率大于SF。
图5展示了每添加1%的氢，系统的年运营成本降低0.017百万（0.08%），年碳排放量降低0.047万吨（0.44%）[在SH为3.54%]。这个趋势与SF相同，但有一定的小波动。
图7展示了双气源天然气管道的最大掺氢比之间的相互制约情况，以及不同掺氢比组合下压缩机的功率、效率以及节点压力的波动情况。
总结
文章提出了四个场景，包括基准场景（BS）、流量设定点场景（SF）、压力设定点场景（SP）和热流量设定点场景（SH）。研究表明，对于每增加1%的氢气，系统每年的运营成本在SF场景下降低73万美元（3.29%），在SP场景下降低1.7万美元（0.08%），或在SH场景下增加167万美元（7.50%）。此外，每年的碳排放量在SF场景下减少38千吨（3.53%），在SP场景下减少47千吨（0.44%），或在SH场景下增加76千吨（7.14%）。然而，当氢混合比例超过8%时，可能会出现相反的趋势。文章还提出了一个用于多源管道网络中不同点最大混合比例的优化模型，为该运输方式的应用提供了理论指导。
文章信息
Influence of hydrogen blending on the operation of natural gas pipeline network considering the compressor power optimization
Bo Zhang, Ning Xu, Haoran Zhang, Rui Qiu, Xuemei Wei, Zhuo Wang, Yongtu Liang
Applied Energy
DOI: https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2023.122594
链接: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S030626192301958X