Analiza wpływu dodatku wodoru do gazu ziemnego na szczelność połączeń mechanicznych wybranych elementów sieci i instalacji gazowych

• Autorzy: Szewczyk Piotr , Jaworski Jacek

Identyfikatory

DOI

10.18668/PN2020.231

Warianty tytułu

Analysis of the effect of adding hydrogen to natural gas on the tightness of mechanical connections of selected elements of networks and gas installations

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Jednym ze sposobów wykorzystania energii elektrycznej pozyskiwanej z odnawialnych źródeł energii jest produkcja wodoru, który w wyniku spalania wytwarza jedynie parę wodną. Dodanie wodoru do gazu ziemnego, a następnie jego spalanie, będzie powodowało mniejszą emisję dwutlenku węgla, sprawiając, że paliwo to stanie się bardziej przyjazne środowisku. Wodór dodawany do gazu ziemnego może być przesyłany gazociągami przesyłowymi, a następnie poprzez sieci dystrybucyjne docierać do odbiorców przemysłowych i indywidualnych. Ze względu na znacznie mniejszą gęstość wodoru od gazu ziemnego istotne jest zachowanie szczelności połączeń mechanicznych elementów sieci i instalacji gazowych. W publikacji przedstawiono wyniki prowadzonych w INiG – PIB badań wpływu dodatku wodoru do gazu ziemnego na szczelność połączeń wybranych elementów instalacji i sieci gazowych. Według opracowanej metodyki przeprowadzono badania wybranych elementów sieci i instalacji gazowej, w których połączenia wykonywane były różnymi metodami oraz z zastosowaniem różnorodnych materiałów uszczelniających. Na podstawie przeprowadzonych badań i analizy ich wyników stwierdzono, że dodatnie 15% wodoru do metanu nie spowodowało nieszczelności łączonych elementów. Ponadto stwierdzono, że w przypadku wystąpienia nieszczelności w elementach instalacji czy sieci gazowej mieszanka metanu z wodorem będzie wypływała szybciej niż gaz ziemny i w zamkniętych pomieszczeniach może powodować osiągnięcie w krótszym czasie dolnej granicy wybuchowości.

One of the ways to use electrical energy obtained from renewable energy sources is hydrogen production, which produces only energy and water vapour when burned. Adding hydrogen to natural gas and burning it will lower carbon dioxide emission, making this fuel more eco-friendly. Hydrogen added to natural gas can be transported using gas transmission pipelines and can then be provided to industrial and individual consumers via a distribution pipeline network. Due to the much lower density of hydrogen compared to natural gas, it is especially important to maintain the tightness of mechanical connections of network elements and gas installations. This publication presents the results of research carried out at the Oil and Gas Institute-National Research Institute on the influence that adding hydrogen to natural gas has on the tightness of connections of selected elements of gas installations and networks. According to the developed methodology, tests were performed on selected elements of gas networks and gas installations, in which joints were made using differing methods and using various sealing materials. In the case of steel pipes used in gas installations in buildings, joined by means of threaded connections with tightness obtained on the thread, the test samples were prepared with the use of linen hemp with sealing paste, Teflon tapes and threads, and anaerobic adhesives. Samples made of copper pipes were joined with press fittings. Other installation elements - such as flexible hoses, both extensible and non-extensible, and metal hose assemblies - were attached by means of threaded connections with tightness obtained beyond the thread; the sealing material was NBR rubber gaskets and klingerite. The gas network elements were connected by means of threaded connections with hemp and sealing paste, flare fittings, and steel and polyethylene flanges (sealing with a flat gasket made of NBR and klingerite). PE/Steel connectors where also tested. The tests included tightness tests of the prepared samples with the use of methane, and then a mix of 85% methane and 15% hydrogen. The tests on samples with simulated leaks were also performed. Based on the tests and the analysis of the results, it was found that adding the hydrogen to the methane did not cause leaks in the joined elements. In addition, it was found that in the case of leaks appearing in elements of installations or gas networks, the methane-hydrogen mixture flows out faster than methane alone, and in closed rooms this may result in the lower explosion limit being reached in a shorter time.

Słowa kluczowe

PL

wodór ze źródeł odnawialnych; gaz ziemny; gazociąg; domowa instalacja gazu; szczelność; połączenia mechaniczne

EN

hydrogen from renewable sources; natural gas; gas pipeline; domestic gas installation; tightness; mechanical connections

• Wydawca: Instytut Nafty i Gazu - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Prace Naukowe Instytutu Nafty i Gazu
• Rocznik: 2020
• Tom: nr 231
• Strony: 1--134
• Opis fizyczny: Bibliogr. 55 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Szewczyk Piotr

autor

Jaworski Jacek

Bibliografia

• 1. Altfeld К., Pinchbeck D.: Admissible Hydrogen Concentrations in Natural Gas Systems. Gas for Energy 2013, 3.
• 2. Barczyński A. (red.): Vademecum gazownika. Тот II. Gaz ziemny: Infrastruktura przesyłowa i dystrybucyjna gazu ziemnego. SITPNiG, Kraków 2013.
• 3. Chaczykowski M., Osiadacz A.: Power-to-gas technologies in terms of the integration with gas networks. Transactions of the Institute of Fluid-Flow Machinery 2017, 137: 85-103.
• 4. Dodds P.E., Demoullin S.: Conversion of the UK gas system to transport hydrogen. Interna¬tional Journal of Hydrogen Energy 2013, 38: 7189-7200.
• 5. DVGW G 262:2011 -09 Nutzung von Gasen aus regenerativen Quellen in der öffentlichen Gasversorgung.
• 6. Florisson O. et al.: Naturally preparing for the hydrogen economy by using the existing natural gas system as catalyst. Final publishable activity report. NV Nederlandse Gasunie Google Scholar.
• 7. Frazer-Nash Consultancy: Logistics of Domestic Hydrogen Conversion. Prepared for the Department of Business, Energy & Industrial Strategy. October 2018, FNC 57239/47448R Issue 1.
• 8. Gondal I.A.: Hydrogen integration in power-to-gas networks. International Journal of Hy¬drogen Energy 2019, 44: 1803-1815.
• 9. Götz M., Lefebvre J., Mörs F., Koch A.M., Graf F., Bajohr S. et al.: Renewable Power-to-Gas: A technological and economic review. Renewable Energy 2016, 85: 1371-1390.
• 10. Haeseldonckx D„ D'haeseleer W.: The use of the natural-gas pipeline infrastructure for hydrogen transport in a changing market structure. International Journal of Hydrogen Energy 2007, 32: 1381-1386.
• 11. Hoobs J.: The Hydrogen Economy - Evaluation of the materials science and engineering issues. Health & Safety Laboratory, 2005.
• 12. Hermkens R.J.M., Colmer H„ Ophoff H.A.: Modern PE pipe enables the transport of hydrogen. Proceedings of the 19th Plastic Pipes Conference PPXIX September 24-26,2018.
• 13. Hirth J. P.: Effects of hydrogen on the properties of iron and steel. Metallurgical Transactions A 1980, 11:861-890.
• 14. Hodges J.P., Geary W„ Graham S„ Hooker P., Goff R.: Health and Safety Executive. Injecting hydrogen into the gas network- a literature search. Prepared by the Health and Safety Laboratory for the Health and Safety Executive, 2015.
• 15. INiG - PIB: Analiza wpływu dodatku wodoru do gazu ziemnego na pracę domowych urządzeń gazowych. Praca statutowa INiG - PiB, zlec. wew. INiG 0079/GU/01.
• 16. Isaac Т.: HyDeploy: The UK's First Hydrogen Blending Deployment Project. Clean Energy 2019,3(2): 114-125. DOI: 10.1093/ce/zkz006.
• 17. Iskov H.: Field test of hydrogen in the natural gas grid. 23rd World Gas Conference, Amsterdam, 2006.
• 18. Jasionowski W.J., Pangborn J.B., Johnson D.G.: Gas distribution equipment in hydrogen service. International Journal of Hydrogen Energy 1980, 5: 323-336. DOI: 10.1016/0360- 3199(80)90076-2.
• 19. Jaworski J., Kukulska-Zając E., Kułaga P.: Wybrane zagadnienia dotyczące wpływu dodatku wodoru do gazu ziemnego na elementy system gazowniczego. Nafta-Gaz 2019,10:625-632. DOI: 10.18668/NG.2019.10.04.
• 20. Jaworski J., Kułaga P., Blacharski Т.: Study of the effect of addition of hydrogen to natural gas on diaphragm gas meters. Energies 2020, 13(11), 3006. DOI: 10.3390/enl3113006.
• 21. Judd R., Pinchbeck D.: Hydrogen admixture to the natural gas grid. W: Ball M„ Basile A., Nejat Veziroglu T. (eds.): Compendium of Hydrogen Energy. Elsevier Ltd, 2016.
• 22. Klopffer M.H., Berne P., Castagnet S., Weber M., Hochstetter G., Espuche E.: Polymer Pipes for Distributing Mixtures of Hydrogen and Natural Gas: Evolution of their Transport and Mechanical Properties after an Ageing under an Hydrogen Environment. Conference Proceedings of the 18th World Hydrogene Energy Conference (WHEC), Essen 2010.
• 23. Lowesmith B.J., Hankinson G., Spataru C., Stobbart M.: Gas build-up in a domestic property following releases of methane/hydrogen mixtures. International Journal of Hydrogen Energy 2009, 34(14): 5932-5939. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2009.01.060.
• 24. Łach M.: Dokładność wyznaczania współczynnika ściśliwości gazu z podwyższoną zawartością wodoru - porównanie metod obliczeniowych. Nafta-Gaz 2016, 5: 329-338. DOI: 10.18668/NG.2016.05.04.
• 25. Mac Kinnon M.A., Brouwer J., Samuelsen S.: The role of natural gas and its infrastructure in mitigating greenhouse gas emissions, improving regional air quality, and renewable resource integration. Progress in Energy and Combustion Science 2018, 64: 62-92.
• 26. Marangon A.M.N., Carcassi M.N.: Hydrogen-methane mixtures: Dispersion and stratification studies. International Journal of Hydrogen Energy 2014, 39: 6160-6168.
• 27. Melaina M. W., Antonia О., Penev M.: Blending Hydrogen into Natural Gas Pipeline Networks: A Review of Key Issues. Technical Report NREL/TP-5600-51995, March 2013.
• 28. Meng В., Gu С., Zhang L., Zhou C., Li X., Zhao Y, Zheng J., Chen X, Han Y.: Hydrogen effects on X80 pipeline steel in high-pressure natural gas/hydrogen mixtures. International Journal of Hydrogen Energy 2017, 42: 7404-7412.
• 29. Messaoudani Z.L., Rigas F., Hamid M.D.B., Hassan C.R.C.: Hazards, safety and knowledge gaps on hydrogen transmission via natural gas grid: A critical review. International Journal of Hydrogen Energy 2016, 41: 17511 -17525.
• 30. Ogden J., Jaffe A.M., Scheitrum D., McDonald Z., Miller M.: Natural gas as a bridge to hydrogen transportation fuel: Insights from the literature. Energy Policy 2018,115: 317-329. DOI: 10.1016/j.enpol.2017.12.049.
• 31. Ossai C., Boswell В., Davies I.: Pipeline failures in corrosive environments - a conceptual analysis of trends and effects. Engineering Failure Analysis 2015, 53: 36-58.
• 32. Pluvinage G., Capelle J., Hadj Meliani M.: Pipe networks transporting hydrogen pure or blended with natural gas, design and maintenance. Engineering Failure Analysis 2019,106. DOI: 10.1016/j.engfailanal.2019.104164.
• 33. PN-EN 10226-1:2006 Gwinty rurowe połączeń ze szczelnością uzyskiwaną na gwincie - Część 1: Gwinty stożkowe zewnętrzne i gwinty walcowe wewnętrzne - Wymiary, tolerancje i oznaczenie.
• 34. PN-EN 10242:1999 Gwintowane łączniki rurowe z żeliwa ciągliwego.
• 35. PN-EN 10242:1999/A1:2002 Gwintowane łączniki rurowe z żeliwa ciągliwego - zmiana Al.
• 36. PN-EN 10242:1999/A2:2005 Gwintowane łączniki rurowe z żeliwa ciągliwego - zmiana A2.
• 37. PN-EN 1057+A1:2010 Miedź i stopy miedzi - Rury miedziane okrągłe bez szwu do wody i gazu stosowane w instalacjach sanitarnych i ogrzewania.
• 38. PN-EN 1092-1:2018 Kołnierze i ich połączenia - Kołnierze okrągłe do rur, armatury, kształtek, łączników i osprzętu z oznaczeniem PN - Część 1: Kołnierze stalowe.
• 39. PN-EN 1555-3+Al:2013 Systemy przewodów rurowych z tworzyw sztucznych do przesyłania paliw gazowych - Polietylen (PE) - Część 3: Kształtki.
• 40. PN-EN 331:2005 Kurki kulowe i kurki stożkowe z zamkniętym dnem, sterowane ręcznie, przeznaczone dla instalacji gazowych budynków.
• 41. PN-EN 331:2005/A1:2011 Kurki kulowe i kurki stożkowe z zamkniętym dnem, sterowane ręcznie, przeznaczone dla instalacji gazowych budynków - zmiana Al.
• 42. PN-EN 751 -2:2005 Środki uszczelniające do metalowych połączeń gwintowych będących w kontakcie z gazami 1., 2. i 3. rodziny i wodą gorącą - Część 2: Nietwardniejące środki uszczelniające.
• 43. PN-EN 751-3:2005 Środki uszczelniające do metalowych połączeń gwintowych będących w kontakcie z gazami 1., 2. i 3. rodziny i wodą gorącą - Część 3: Niespiekane taśmy PTFE.
• 44. PN-EN ISO 3183:2013 Przemysł naftowy i gazowniczy - Rury stalowe do rurociągowych systemów transportowych.
• 45. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz.U. z 2002 r. Nr 75, poz. 690 wraz z późniejszymi zmianami).
• 46. Rozporządzenie Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 16 sierpnia 1999 r. w sprawie warunków technicznych użytkowania budynków mieszkalnych (Dz.U. z 1999 r. Nr 74, poz. 836 wraz z późniejszymi zmianami).
• 47. Rusin A., Stolecka K.: Modelling the effects of failure of pipelines transporting hydrogen. Chemical and Process Engineering 2011, 32(2): 117-134.
• 48. Schuster Т., Holewa-Rataj J., Kukulska-Zając E.: Ocena jakości paliw gazowych w kontekście wprowadzania wodoru do sieci gazu ziemnego. Gaz, Woda i Technika Sanitarna 2019,2:42-46.
• 49. ST-IGG-0301:2012 Próby ciśnieniowe gazociągów z РЕ o maksymalnym ciśnieniu roboczym do 0,5 MPa włącznie.
• 50. Stolecka K.: Hazards of hydrogen transport in the existing natural gas pipeline network. Journal of Power Technologies 2018, 98(4): 329-335.
• 51. Taamallah S. et al.: Fuel flexibility, stability and emissions in premixed hydrogen-rich gas turbine combustion: technology, fundamentals, and numerical simulations. Applied Energy 2015,154: 1020-1047.
• 52. Walker S.B., Van Lanen D., Mukherjee U„ Fowler M.: Greenhouse gas emissions reductions from applications of Power-to-Gas in power generation. Sustainable Energy Technologies and Assessments 2017, 20: 25-32.
• 53 Wojtowicz R.: An analysis of the effects of hydrogen addition to natural gas on the work of gas appliances. Nafta-Gaz 2019, 8: 465-473. DOI: 10.18668/NG.2019.08.03.
• 54. Yang C., Ogden J.: Determining the lowest-cost hydrogen delivery mode. International Journal of Hydrogen Energy 2016, 41: 17511 -17525.
• 55. Zhao Y„ McDonell V., Samuelsen S.: Experimental assessment of the combustion performance of an oven burner operated on pipeline natural gas mixed with hydrogen. International Journal of Hydrogen Energy 2019, 44(47): 26049-26062.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2021).