纯氢及掺氢天然气输送技术与管理

氢能是未来国家能源体系重要组成部分 ,是用能终端实现绿色低碳的重要载体。《纯氢及掺氢天然气输送技术与管理》一书根据新能源科学与工程专业人才培养方案以及氢能企业对高级应用型人才的要求进行编写 ,让读者能够从 “制氢 —储氢 —输氢 —用氢 —安全 ”的氢能全产业链视角 ,结合最新的研究及应用现状 ,从整体上把握氢能储运工艺与装备的主要方面和基本内容。

本书为氢能系列教材之一，根据新能源科学与工程专业人才培养方案及氢能企业对高级应用型人才的要求编写而成。本书主要内容包括氢的物理化学性质、氢的车船输送、纯氢与掺氢天然气管道输送、天然气掺氢混气站、掺氢天然气输气站与管输工况调节、掺氢天然气的城镇输配等。

李敬法，男，汉族，工学博士，副研究员，北京石油化工学院油气储运工程系教师，从事纯氢与掺氢管道输送技术、流动与传热数值计算方法等研究。

第1章　绪　论……………………（1）
　1．1　氢与低碳清洁能源……………………（1）
　1．2　氢能输送技术现状简介……………………（3）
　　1．2．1　气态输送……………………（3）
　　1．2．2　液态输送……………………（5）
　　1．2．3　有机液体输送……………………（5）
　　1．2．4　固态输送……………………（6）
　1．3　国内外氢气输送管道简介……………………（7）
　　1．3．1　国内外纯氢管道建设概况……………………（7）
　　1．3．2　国内外掺氢天然气管道建设概况……………………（10）
第2章　氢的物理化学性质……………………（13）
　2．1　氢的基本性质……………………（13）
　　2．1．1　氢的基本物理化学性质……………………（13）
　　2．1．2　工业用氢的分类及要求……………………（15）
　2．2　掺氢天然气的组成及表示……………………（15）
　　2．2．1　掺氢天然气的组成……………………（15）
　　2．2．2　气体的标准状态……………………（16）
　　2．2．3　掺氢天然气组成的表示……………………（16）
　2．3　气体的状态方程……………………（17）
　　2．3．1　理想气体状态方程……………………（17）
　　2．3．2　真实气体状态方程……………………（17）
　　2．3．3　气体压缩因子的计算……………………（27）
　　2．3．4　氢气体积的换算……………………（27）
　2．4　掺氢天然气的物理性质及其计算……………………（28）
　　2．4．1　掺氢天然气的相对分子质量……………………（28）
　　2．4．2　掺氢天然气的密度……………………（28）
　　2．4．3　掺氢天然气的黏度……………………（29）
　　2．4．4　掺氢天然气的爆炸极限……………………（30）
　　2．4．5　气体的扩散系数……………………（30）
　　2．4．6　掺氢天然气的虚拟临界参数和对比参数……………………（31）
　2．5　掺氢天然气的热物性及其计算……………………（31）
　　2．5．1　掺氢天然气的焓……………………（31）
　　2．5．2　掺氢天然气的熵……………………（33）
　　2．5．3　掺氢天然气的比热容……………………（34）
　　2．5．4　掺氢天然气的燃烧热值……………………（36）
　2．6　氢气和掺氢天然气的节流效应……………………（37）
　　2．6．1　气体的节流效应……………………（37）
　　2．6．2　节流效应系数的计算……………………（39）
　　2．6．3　掺氢对天然气节流效应系数的影响……………………（40）
　习题……………………（44）
第3章　氢气的车船输送……………………（46）
　3．1　气态氢的拖车输送……………………（46）
　　3．1．1　氢气的压缩与储氢容器……………………（46）
　　3．1．2　氢气长管拖车……………………（47）
　　3．1．3　长管拖车定期检验……………………（49）
　　3．1．4　长管拖车安全使用与维护……………………（50）
　　3．1．5　高压氢气充装站工艺设计……………………（50）
　3．2　液态氢的车船输送……………………（53）
　　3．2．1　氢气的液化……………………（53）
　　3．2．2　液态氢的输送方式……………………（55）
　　3．2．3　液氢损耗机理……………………（56）
　　3．2．4　液氢槽车充装工艺……………………（57）
　　3．2．5　液氢加注及排放系统的传热分析……………………（58）
　3．3　有机液体氢化物的车船输送……………………（60）
　　3．3．1　有机液体储氢介质的储放氢原理……………………（60）
　　3．3．2　有机液体储氢介质加/脱氢工艺流程……………………（63）
　　3．3．3　有机液体氢化物输送流程……………………（63）
　　3．3．4　有机液态氢化物输送技术的问题……………………（64）
　3．4　固态氢的车船输送……………………（65）
　　3．4．1　固态储氢原理……………………（65）
　　3．4．2　固态氢的车船输送技术特点……………………（66）
　3．5　氢能输送方式的经济评价……………………（66）
　　3．5．1　长管拖车运氢成本测算……………………（66）
　　3．5．2　液氢槽车运输成本测算……………………（68）
　　3．5．3　不同氢气输送方式比较……………………（69）
　习题……………………（70）
第4章　纯氢与掺氢天然气管道输送……………………（71）
　4．1　气体在管道中流动的基本方程……………………（71）
　　4．1．1　连续性方程……………………（71）
　　4．1．2　动量方程……………………（71）
　　4．1．3　能量方程……………………（71）
　　4．1．4　纯氢及掺氢管道水力和热力计算的基本假设……………………（72）
　4．2　纯氢及掺氢管道的水力计算……………………（72）
　　4．2．1　平坦地区输气管道的基本公式……………………（72）
　　4．2．2　起伏地区输气管道的基本公式……………………（73）
　　4．2．3　水力摩阻系数的计算……………………（75）
　　4．2．4　常用的输气公式……………………（78）
　4．3　管道基本参数对输气能力的影响……………………（80）
　　4．3．1　管道直径对流量的影响……………………（80）
　　4．3．2　管道长度对流量的影响……………………（80）
　　4．3．3　输气温度对流量的影响……………………（81）
　　4．3．4　起、终点压力对流量的影响……………………（81）
　4．4　纯氢及掺氢管道的热力计算……………………（81）
　　4．4．1　输气管道的温度计算……………………（82）
　　4．4．2　输气管道的平均温度……………………（83）
　　4．4．3　总传热系数的计算……………………（83）
　　4．4．4　掺氢天然气水合物的生成条件预测及防止措施……………………（85）
　4．5　纯氢及掺氢管道数值仿真方法简介……………………（86）
　习题……………………（86）
第5章　天然气掺氢混气站……………………（88）
　5．1　天然气掺氢混气站简介……………………（88）
　　5．1．1　基本概念……………………（88）
　　5．1．2　基本规定……………………（89）
　5．2　天然气掺氢混气站选址及平面布置……………………（89）
　　5．2．1　站址选择……………………（89）
　　5．2．2　站内布置……………………（90）
　5．3　天然气掺氢混气站工艺及设施……………………（92）
　　5．3．1　天然气掺氢工艺……………………（92）
　　5．3．2　随动流量掺氢装置……………………（94）
　5．4　天然气掺氢混气站的水电暖及安全设置……………………（96）
　　5．4．1　消防与给水排水……………………（96）
　　5．4．2　电气、仪表与自控……………………（97）
　　5．4．3　建（构）筑物与采暖通风……………………（98）
　　5．4．4　安全系统……………………（99）
　习题……………………（100）
第6章　掺氢天然气输气站与管输工况调节……………………（101）
　6．1　压缩机的工作原理……………………（102）
　　6．1．1　活塞式压缩机……………………（102）
　　6．1．2　离心式压缩机……………………（102）
　　6．1．3　压缩机的选型……………………（103）
　　6．1．4　压缩机理论工况的计算……………………（104）
　　6．1．5　压缩机实际运行工况的计算……………………（104）
　6．2　压气站的工作特性……………………（106）
　　6．2．1　离心压缩机的特性曲线……………………（106）
　　6．2．2　离心压缩机的喘振……………………（108）
　　6．2．3　离心压缩机变工况的性能换算……………………（108）
　　6．2．4　掺氢对压缩机性能的影响……………………（110）
　6．3　输气站的主要设备与工艺系统……………………（112）
　　6．3．1　压缩机组的类型及特性……………………（112）
　　6．3．2　压气站天然气冷却系统……………………（113）
　　6．3．3　掺氢天然气流量计量系统……………………（113）
　　6．3．4　清管系统……………………（117）
　　6．3．5　阀门……………………（119）
　　6．3．6　掺氢调压设备适应性分析……………………（123）
　6．4　压气站与管路的联合工作……………………（125）
　　6．4．1　一个压气站与管路的联合工作……………………（125）
　　6．4．2　多个压气站与干线输气管的联合工作……………………（128）
　6．5　输气管道运行工况分析与调节……………………（131）
　　6．5．1　首站进站压力对沿线压力的影响……………………（131）
　　6．5．2　末段管路的终点压力对沿线压力的影响……………………（133）
　　6．5．3　压气站或部分压缩机组停运对工况的影响……………………（134）
　　6．5．4　定期分气或集气对工况的影响……………………（137）
　6．6　输气管道末段储气……………………（140）
　　6．6．1　输气管末段储气能力计算……………………（141）
　　6．6．2　末段储气的最优长度……………………（143）
　　6．6．3　计算末段长度和管径的方法……………………（144）
　　6．6．4　掺氢对末段储气的影响……………………（146）
　习题……………………（149）
第7章　掺氢天然气城镇输配……………………（150）
　7．1　掺氢对燃气热值的影响……………………（150）
　7．2　掺氢对配气的影响……………………（151）
　　7．2．1　管网类型……………………（151）
　　7．2．2　城市配气管网系统……………………（152）
　　7．2．3　城市配气管网掺氢……………………（154）
　　7．2．4　小时设计流量……………………（154）
　7．3　掺氢对燃气输配系统的影响……………………（155）
　　7．3．1　配气管道及附件……………………（155）
　　7．3．2　计量器具……………………（156）
　　7．3．3　泄漏检测……………………（156）
　　7．3．4　加臭剂……………………（156）
　7．4　管道内燃气流动的基本方程……………………（156）
　　7．4．1　非稳态流动方程……………………（156）
　　7．4．2　稳态流动方程……………………（158）
　　7．4．3　燃气管道的水力摩阻系数……………………（159）
　7．5　燃气管网的水力计算……………………（160）
　　7．5．1　不同压力管道水力基本公式……………………（160）
　　7．5．2　高差和局部阻力……………………（160）
　　7．5．3　管网的允许压降……………………（160）
　7．6　燃气管网各段的计算流量……………………（161）
　　7．6．1　管网输气流量情况分类……………………（161）
　　7．6．2　管网途泄流量的计算……………………（162）
　　7．6．3　变流量管段的计算流量……………………（163）
　习题……………………（165）

参考文献……………………（167）