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氫氣作為一種理想的新能源具有廣闊的運(yùn)用前景，我國(guó)氫產(chǎn)業(yè)化發(fā)展處于起步階段，開展天然氣摻氫方面的系統(tǒng)整體性研究，可為氫氣社會(huì)的發(fā)展探索并開啟更多的路徑。現(xiàn)階段天然氣摻氫在儲(chǔ)能運(yùn)輸、交通、燃燒、發(fā)電等行業(yè)均可以得到有效的運(yùn)用,大規(guī)模推動(dòng)天然氣摻氫的技術(shù)應(yīng)用，仍需各方的不懈努力。

天然氣摻氫面臨的挑戰(zhàn)

一是相同工況下?lián)綒浣档吞烊粴饩W(wǎng)絡(luò)輸送能量。氫的能量密度低，大約是天然氣的1/3，保持相同壓力下?lián)綒鋾?huì)降低輸送氣體的能量含量。IEA數(shù)據(jù)顯示，在天然氣輸送管道中加入3%的氫氣，將使管道輸送的能量減少2%左右，最終用戶天然氣需求量有所上升。

二是天然氣管網(wǎng)中摻氫比例受到的限制多。摻氫上限取決于與其相連的設(shè)備，管網(wǎng)范圍越大，設(shè)備越多，對(duì)摻氫上限的要求可能越嚴(yán)格。例如，摻氫后使用天然氣作為原料的化工企業(yè)可能需要調(diào)整工藝和流程?，F(xiàn)有燃?xì)廨啓C(jī)的控制系統(tǒng)和密封無法適應(yīng)高比例的氫氣，摻氫比例需低于5%。已安裝的燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)因相同原因，氫的最大濃度為2%。

三是更大的挑戰(zhàn)來自安全性及對(duì)應(yīng)的檢測(cè)和管理體系的完善。金屬材料在氫環(huán)境下有可能發(fā)生氫脆問題，氫氣對(duì)輸送管道的影響主要是材料韌性的損失和疲勞裂紋擴(kuò)展速率的增加，這是影響摻氫比例的重要因素。另外氫的摻入會(huì)使點(diǎn)火能量降低、泄漏速率加快、可燃范圍增大，摻氫比例的增加會(huì)使泄漏、燃爆危險(xiǎn)相應(yīng)增加。檢測(cè)手段和設(shè)備需要完善，現(xiàn)有的管道完整性管理也需做調(diào)整適應(yīng)摻氫帶來的影響。

天然氣摻氫的標(biāo)準(zhǔn)在包括我國(guó)在內(nèi)的多個(gè)國(guó)家?guī)缀蹩瞻住Ｍ七M(jìn)更為積極的歐洲國(guó)家也表現(xiàn)謹(jǐn)慎，大多數(shù)國(guó)家和地區(qū)設(shè)置摻氫比例不超過2%，少數(shù)國(guó)家和地區(qū)設(shè)定為4%到6%之間，德國(guó)雖然規(guī)定上限為10%，但如果壓縮天然氣加氣站連接到網(wǎng)絡(luò)，則該比例大幅下調(diào)到2%以下。在一些相關(guān)設(shè)備的規(guī)格方面也存在限制，歐洲標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定燃?xì)廨啓C(jī)所供天然氣的氫含量必須低于1%。

四是我國(guó)天然氣主干管道摻氫運(yùn)輸有待時(shí)日。主干管網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)天然氣遠(yuǎn)距離大規(guī)模輸送，在我國(guó)與可再生能源的分布和輸送方向高度吻合，通過天然氣主干網(wǎng)輸送氫氣在多個(gè)方面具有重大意義，但目前尚不具備條件。主干管網(wǎng)輸送壓力較高，我國(guó)西氣東輸三線輸送壓力就達(dá)12MPa，較高壓力下氫氣對(duì)管道材料的影響變大。而天然氣成分不同、管道材料不同、管道工況不同，都使氫對(duì)管網(wǎng)材料的影響程度存在差異，國(guó)際上的研究成果不宜直接照搬，摻氫天然氣主干管網(wǎng)安全摻氫比例標(biāo)準(zhǔn)尚無法確定。諸如管道材料與摻氫天然氣的相容性試驗(yàn)、摻氫天然氣的泄漏與燃燒爆炸問題等基礎(chǔ)研究工作需扎實(shí)推進(jìn)。

另外，將氫混合到天然氣中運(yùn)輸，如果需要在最終使用地點(diǎn)將氫分離(目前終端利用方式都需要此操作)，會(huì)增加較高的成本，以變壓吸附為例，根據(jù)混合水平和最終使用需求，有研究數(shù)據(jù)表明其成本在3-6美元/公斤。

天然氣摻氫發(fā)展趨勢(shì)展望

降低碳排放是全球所有國(guó)家的使命，氫以清潔、高熱值和零排放的優(yōu)勢(shì)未來必將成為完成這項(xiàng)使命的主角。但是，我們需要承認(rèn)的客觀事實(shí)是，氫的運(yùn)輸是每一個(gè)國(guó)家氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的薄弱環(huán)節(jié)，經(jīng)濟(jì)性和安全性都有待完善。無論是作為商業(yè)、民用氣燃料還是應(yīng)用于交通領(lǐng)域，天然氣管網(wǎng)摻氫都是解決上述問題的有效方案。未來主干管網(wǎng)在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能考慮未來輸送摻氫天然氣的需求，提高未來摻氫輸送的可行性。

現(xiàn)有研究成果尚不能較全面考慮實(shí)際情況，需繼續(xù)加強(qiáng)研究。例如，加強(qiáng)管道材料與摻氫天然氣的相容性試驗(yàn)，充分考慮摻氫引起的泄漏速率加快、可燃范圍增大及燃燒速率加快等影響，全面研究摻氫天然氣的泄漏與燃燒爆炸問題，加強(qiáng)對(duì)管道損傷、裂縫的探查和處理，為管道的安全管理工作提供依據(jù)；依據(jù)所建立材料的性能數(shù)據(jù)庫，測(cè)試現(xiàn)有天然氣管道檢測(cè)工具檢測(cè)的效果和修復(fù)方式的效果，建立摻氫天然氣管道輸送的完整性管理系統(tǒng)。

我國(guó)對(duì)天然氣摻氫的研究工作尚在起步階段，天然氣摻氫領(lǐng)域仍有許多問題亟待解決?，F(xiàn)有的研究成果不能完全考慮實(shí)際情況，且各國(guó)的天然氣組成、天然氣管網(wǎng)材料、工況存在差異，我國(guó)發(fā)展天然氣摻氫技術(shù)不能盲目借鑒國(guó)外的參數(shù)，需結(jié)合我國(guó)的實(shí)際情況，對(duì)輸送管道的性能進(jìn)行分析，研究摻氫比例的最佳范圍，并制定一系列關(guān)于天然氣摻氫的標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng)天然氣摻氫技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

盡管仍有較長(zhǎng)的路要走，但我國(guó)天然氣管網(wǎng)建設(shè)有相當(dāng)大空間，新增主干管網(wǎng)在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能考慮未來輸送摻氫天然氣的需求，提高未來摻氫輸送的可行性。在管材選擇上加強(qiáng)對(duì)氫脆現(xiàn)象的防護(hù)處理，加強(qiáng)對(duì)管道損傷、裂縫的探查和處理。對(duì)管道的焊縫要提出更高的要求，使其對(duì)氫脆現(xiàn)象有更強(qiáng)的防護(hù)能力。

與重新修建純氫管道相比，天然氣管道摻氫具有經(jīng)濟(jì)可行性高、投資成本低、接觸終端客戶多、未來商業(yè)化推廣相對(duì)容易等特點(diǎn)。未來，隨著摻氫混輸和摻氫分離技術(shù)的成熟、可再生能源快速發(fā)展、東部等發(fā)達(dá)地區(qū)氫氣需求增長(zhǎng)，利用西北地區(qū)廉價(jià)的電力資源制取氫氣，摻入天然氣管道，有望實(shí)現(xiàn)氫氣的大規(guī)模輸送，有助于解決中國(guó)能源地域分布不均等問題，促進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)大規(guī)?？焖侔l(fā)展。

天然氣摻氫發(fā)展相關(guān)建議

國(guó)內(nèi)外多個(gè)國(guó)家已開展摻氫天然氣技術(shù)的初步推廣，但現(xiàn)有的研究和實(shí)踐成果尚不能全面標(biāo)準(zhǔn)化，目前仍在積極推廣嘗試。由于各國(guó)技術(shù)發(fā)展水平各異，因此需充分考慮中國(guó)對(duì)摻氫天然氣系統(tǒng)的氫脆問題的研究水平，彌補(bǔ)現(xiàn)有天然氣摻氫理論研究與實(shí)踐操作中的不足，為此提出了適宜于中國(guó)天然氣摻氫輸送的建議。

1.中國(guó)摻氫天然氣管道輸送示范項(xiàng)目的研究正逐步展開，國(guó)家層面的戰(zhàn)略性統(tǒng)籌規(guī)劃較少，相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)尚不完善，相應(yīng)的法律法規(guī)、產(chǎn)業(yè)政策等配套支撐也有待完善。因此，為了實(shí)現(xiàn)天然氣摻氫產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展目標(biāo)，應(yīng)規(guī)劃部署天然氣摻氫輸送系統(tǒng)建設(shè)，確定中國(guó)天然氣摻氫管道輸送的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，完善天然氣摻氫技術(shù)的政策保障體系。

2.雖然中國(guó)在天然氣管道與摻氫天然氣的相容性研究方面取得了研究成果，但對(duì)天然氣摻氫系統(tǒng)各裝置的氫脆評(píng)價(jià)研究尚不足。建議開展并完善國(guó)產(chǎn)管材及設(shè)備的氫與金屬相容性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫的建設(shè)，建立天然氣摻氫系統(tǒng)各裝置相容性測(cè)試評(píng)價(jià)方法及性能指標(biāo)。

3.中國(guó)對(duì)于不同摻氫比下管材及其他關(guān)鍵設(shè)備的典型材料力學(xué)性能劣化研究規(guī)律的研究尚不足，對(duì)于摻氫比與材料氫破壞、管道壓力等之間的定量關(guān)系尚不明確。建議積極推進(jìn)天然氣摻氫示范項(xiàng)目建設(shè)，對(duì)現(xiàn)有天然氣管道及設(shè)備的安全性、材料的氫脆特性加快研究。同時(shí)，加強(qiáng)研摻氫天然氣對(duì)配套設(shè)施設(shè)備、管道、下游終端用戶以及整個(gè)輸送系統(tǒng)的影響進(jìn)行研究，并加快天然氣摻氫系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備的研發(fā)，保障系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。

4.構(gòu)建天然氣-氫氣領(lǐng)域的發(fā)展規(guī)劃及產(chǎn)業(yè)布局，增加天然氣摻氫輸送系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目，穩(wěn)步推進(jìn)天然氣摻氫輸送的商業(yè)化及規(guī)?；l(fā)展。

原標(biāo)題： 天然氣摻氫面臨的挑戰(zhàn)與相關(guān)建議