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文/魏星 上海天然氣管網(wǎng)有限公司 上海煤氣

全球能源行業(yè)正經(jīng)歷著以低碳化、無碳化、低污染為方向的第三次能源變革。中國已明確要實現(xiàn)在2030年碳達(dá)峰，2060年碳中和的目標(biāo)。氫能作為清潔能源，可通過一次能源、二次能源及工業(yè)領(lǐng)域等多種途徑獲取，氫能將成為第三次能源變革的重要媒介。氫能一方面可以實現(xiàn)脫碳電力的消納，增加電網(wǎng)的彈性；另一方面可以減少對化石能源的依賴，對我國“碳中和”目標(biāo)至關(guān)重要。大力發(fā)展氫能，將有助力實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和。氫能利用中的輸送問題，特別是混氫天然氣管道的輸送問題，成為當(dāng)前的研究熱點。

1混氫天然氣管道輸送國內(nèi)外現(xiàn)狀

氫能利用離不開制氫、儲存、輸送、使用等環(huán)節(jié)。混氫天然氣管道輸送是解決氫氣輸送環(huán)節(jié)的一項重要技術(shù)方向。近年來，國際上對混氫天然氣的研究日益增多。目前，許多國家正在評估天然氣管網(wǎng)設(shè)施用于輸送混氫天然氣的可行性。

進入21世紀(jì)以來，歐洲國家率先開始進行天然氣摻氫的研究和示范項目，例如歐盟“天然氫”(NaturalHydrogen)項目、荷蘭“可持續(xù)阿默蘭島”(SustainableAmeland)項目、德國DVG項目、法國GRHYD項目、英國Hydeploy項目和“H21利茲市門”(H21LeedsCityGate)項目等。其中，部分示范項目中的最高摻氫比例已達(dá)到20%，證實了在特定條件下?lián)綒涞目尚行浴?br />
我國天然氣管道網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)框架已基本形成，天然氣管道輸送技術(shù)成熟。截止至2018年年底，我國天然氣干線管道總長度達(dá)7.6萬km，具有很好的硬件基礎(chǔ)。中國目前也在建設(shè)示范項目。如2019年，國家電力投資集團有限公司與浙江大學(xué)主持建設(shè)了“朝陽可再生能源摻氫示范項目第一階段工程”，摻氫比例為5%。

2混氫天然氣管道輸送技術(shù)路線及產(chǎn)業(yè)鏈

混氫天然氣管道輸送已構(gòu)成了完整的產(chǎn)業(yè)鏈，包括制氫、混氫、分離及應(yīng)用等多個環(huán)節(jié)，應(yīng)用端也涵蓋多個領(lǐng)域，用途廣泛。

2.1技術(shù)路線及優(yōu)勢

利用混氫天然氣管道進行氫氣輸送，是指在現(xiàn)有天然氣管道體系中摻入一定濃度的氫氣，形成氫氣天然氣混合氣體來進行運輸?shù)募夹g(shù)，如圖1所示。根據(jù)終端用戶的需求，氫氣天然氣混合氣體既可以作為燃料直接使用，也可以在管道下游分離出氫氣使用。混氫天然氣輸氫技術(shù)具有如下優(yōu)勢：

(1)氫源多元化?？梢岳枚喾N來源的氫氣和含氫氣體。

(2)低成本。利用現(xiàn)有天然氣管道設(shè)施，可實現(xiàn)氫氣的低成本和長距離運輸。

(3)低碳排放?？蔀閺V大用戶提供低碳的清潔燃料。

混氫天然氣技術(shù)被認(rèn)為是一種實現(xiàn)氫低成本輸送的方法?；鞖涮烊粴廨敋浼夹g(shù)不僅能提高能源系統(tǒng)的整體利用效率，而且有望結(jié)合多種氫能技術(shù)，成為邁向“氫經(jīng)濟”的重要過渡性技術(shù)。

2.2產(chǎn)業(yè)鏈

氫能產(chǎn)業(yè)鏈包括制氫、儲氫、加氫站、氫燃料電池應(yīng)用等多個環(huán)節(jié)，目前我國已初步建立起氫能全產(chǎn)業(yè)鏈。其中制氫端方面，我國擁有豐富的氫能供給，約占全球氫能供給三分之一，儲、運、加氫等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)有序進行，氫燃料電池性能已滿足商業(yè)化需求。按照《2022年中國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書》發(fā)展規(guī)劃，未來我國氫能發(fā)展將分階段穩(wěn)步進行：

(1)制氫產(chǎn)業(yè)。短期優(yōu)先選用工業(yè)副產(chǎn)氫，中期采用化石能源制氫結(jié)合碳捕捉技術(shù)，長期采用可再生能源電解水制氫。

(2)氫能儲運。將按照“低壓到高壓”“氣態(tài)到多相態(tài)”的技術(shù)發(fā)展方向，逐步提升氫氣的儲存和運輸能力。

(3)加氫站。有機液體儲氫是利用某些不飽和有機物與氫氣進行可逆加氫和脫氫反應(yīng)，實現(xiàn)氫的儲存，加氫后形成的液體有機氫化物性能穩(wěn)定，安全性高。

(4)燃料電池系統(tǒng)。將持續(xù)圍繞功率、性能、壽命、成本四大要素而發(fā)展，具體應(yīng)用集中在交通領(lǐng)域，從商用車切入、乘用車跟進。

3混氫天然氣管道輸送技術(shù)研究

混氫天然氣管道輸送主要包括摻氫環(huán)節(jié)、輸送環(huán)節(jié)和用戶環(huán)節(jié)。國內(nèi)外學(xué)者對混氫天然氣管道輸送各環(huán)節(jié)涉及到的技術(shù)研究非常廣泛，也取得了一些成果。

3.1摻氫環(huán)節(jié)

將氫氣摻入天然氣管道中輸送，首先需要確定合適的摻氫比，但摻氫比受多個因素制約，國內(nèi)外目前尚無統(tǒng)一確定標(biāo)準(zhǔn)。

芬蘭、瑞士、奧地利、西班牙等歐洲國家規(guī)定天然氣管道中摻氫比上限分別為1%、2%、4%、5%；澳大利亞可再生能源署指出，摻氫比小于10%時不會對天然氣管道、設(shè)備及法規(guī)等有明顯影響；德國規(guī)定天然氣管網(wǎng)的摻氫比上限為2%(個別為10%)。

根據(jù)當(dāng)前中國現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，向天然氣中摻入一定氫氣是符合要求的。GB/T33445－2016《煤制合成天然氣》標(biāo)準(zhǔn)中對氫氣體積分?jǐn)?shù)高限的設(shè)定為3.5%；GB/T37124－2018《進入天然氣長輸管道的氣體質(zhì)量要求》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，允許不超過3%(體積比)的氫氣進入天然氣管道中。

但是，我國針對摻氧天然氣環(huán)境下材料相容性的研究較少，無法考慮氧氣與硫化氫、一氧化碳及二氧化碳等氣體的綜合影響。因此，必須研究一定摻氫比例下管道材料的力學(xué)性能，以確定我國天然氣管網(wǎng)可接受的安全的摻氫比例。

3.2輸送環(huán)節(jié)

目前常用的氫氣輸送方式主要有液氫槽罐車輸送、高壓氫瓶長管拖車輸送和液氫駁船輸送等，但成本較高、效率較低。將氫氣以一定比例摻入天然氣中，然后利用天然氣管道或管網(wǎng)進行輸送，是實現(xiàn)氫氣大規(guī)模輸送的有效方式。與車載輸送和船載輸送方式相比，利用管道輸送混氫天然氣可充分利用我國現(xiàn)有在役天然氣管道和城市輸配氣管網(wǎng)，較容易實現(xiàn)氫氣大規(guī)模、長距離輸送，而且管道或管網(wǎng)的改造成本較低。

國際上已發(fā)布了一些適用于氫氣輸送管道的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，比如美國ASMEB31.12－2019、歐洲壓縮氣體協(xié)會的CGAG-5.6－2005、亞洲工業(yè)氣體協(xié)會的AIGA033/06－2006等。ASMEB31.12－2019標(biāo)準(zhǔn)適用于將氫氣、氫氣混合物及液氫從制造廠輸送到使用地的長輸管道、分輸管道，但不適用于氫氣體積分?jǐn)?shù)＜10%的管道系統(tǒng)。CGAG-5.6－2005適用于氫氣及氫氣混合物的輸送和配送系統(tǒng)，但只適用于氫氣摩爾分?jǐn)?shù)大于10%，或氫氣摩爾分?jǐn)?shù)小于10%且CO含量大于200μL/L的管道系統(tǒng)。

國內(nèi)關(guān)于氫氣管道的標(biāo)準(zhǔn)有GB50177－2005《氫氣站設(shè)計規(guī)范》、GB/T34542.2－2018《氫氣儲存輸送系統(tǒng)第2部分：金屬材料與氫環(huán)境相容性試驗方法》等。GB50177－2005適用于新建、改建、擴建的氫氣站、供氫站及廠區(qū)和車間的氫氣管道設(shè)計。GB/T34542.2－2018規(guī)定了含氫混合氣環(huán)境中材料原位力學(xué)性能的測試方法。上述標(biāo)準(zhǔn)對混氫天然氣管道相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的制定具有一定借鑒意義。

3.3用戶環(huán)節(jié)

對于終端用戶，由于氫氣與天然氣的基本性質(zhì)差別較大，摻氫后天然氣的密度、熱值、燃燒特性等發(fā)生改變，而燃?xì)庠罹?、燃?xì)獍l(fā)動機、鍋爐及燃?xì)廨啓C等燃燒設(shè)備由于各自燃燒性能的不同，對可接受的摻氫比范圍也不同，需充分考慮摻氫后的燃?xì)饣Q性及摻氫對燃燒性能的影響。對混氫天然氣燃燒特性指數(shù)的計算表明，當(dāng)摻氫比為30%時，混氫天然氣的熱值降低了21%，沃泊指數(shù)降低了10%，而燃燒勢增加了48%，同時爆炸上限增加了31%。

對使用混氫天然氣的爐灶進行實驗研究表明，將天然氣的摻氫比逐漸增加至回火極限，發(fā)現(xiàn)當(dāng)摻氫比達(dá)到34.7%時為燃燒上限，此時會出現(xiàn)明顯的回火現(xiàn)象。為合理確定摻氫比上限，需根據(jù)對熱值、燃燒勢及燃爆范圍等的要求，綜合確定滿足燃?xì)饣Q性的摻氫比上限。由于不同判別方法判斷燃?xì)饣Q性的指標(biāo)和側(cè)重點不同，最終得到的摻氫比上限也存在差異。研究表明，燃?xì)饣Q性及燃具要求的合理摻氫比上限為20%～27%。

4混氫天然氣管道輸送技術(shù)的難點

與甲烷相比，氫氣具有化學(xué)活性強、密度小、爆炸區(qū)間范圍寬、最小點火能量低、火焰溫度高、擴散系數(shù)大等特點，會使管道材料的強度、塑性和韌性等力學(xué)性能發(fā)生劣化，影響管道的整體安全性。同時，天然氣中混入氫氣后，將改變管道內(nèi)原有天然氣的氣質(zhì)條件，從而對管道系統(tǒng)的運行工況、設(shè)備性能、安全維護及終端用戶產(chǎn)生影響。

對于管道摻氫輸送帶來的材料氫損傷、管網(wǎng)系統(tǒng)適應(yīng)性和終端用戶影響等問題的研究尚不充分，是混氫天然氣管道輸送面臨的主要挑戰(zhàn)。

4.1氫相容性

天然氣摻氫后，管道本體、焊縫、配件、壓縮機等均暴露在高壓富氫環(huán)境中。除了常規(guī)天然氣管輸面臨的土壤腐蝕、應(yīng)力腐蝕和酸性氣體腐蝕之外，由于氫含量顯著增加，局部氫濃度飽和會引起材料塑性下降，誘發(fā)裂紋或產(chǎn)生滯后斷裂，發(fā)生氫脆，進而影響管網(wǎng)系統(tǒng)的安全運行。

4.1.1管材的氫相容性

混氫天然氣會使管道材料的強度、塑性和韌性等力學(xué)性能發(fā)生劣化，進而影響管網(wǎng)服役的安全性。研究表明，與空氣環(huán)境相比，材料在含氫環(huán)境中的強度變化不大，但延性、疲勞性能和斷裂韌性劣化明顯。管線鋼拉伸性能的劣化程度隨著加載速率、氫氣壓力和應(yīng)力的增大而增加；疲勞性能與氫氣壓力、應(yīng)力比、加載頻率、微觀組織結(jié)構(gòu)等有關(guān)，壓力升高、應(yīng)力比增大、加載頻率減小都會引起疲勞裂紋擴展速率加快；斷裂韌性與加載速率、氫氣壓力、晶粒尺寸、馬氏體/奧氏體含量等多種因素有關(guān)，加載速率降低、氫氣壓力升高通常會導(dǎo)致斷裂韌性損減。目前，含氫環(huán)境下管線鋼的拉伸性能和疲勞性能研究較多，但斷裂韌性相關(guān)研究成果較少，有待進一步研究。

我國天然氣管道材料主要是鋼質(zhì)，氫脆對不同牌號鋼材的影響不同，但都會導(dǎo)致材料性能惡化。小尺寸零件如螺栓、彈簧、鉚釘?shù)扔捎谄浼庸こ尚蜁r變形量大，晶粒粒徑小，更容易發(fā)生氫脆問題。同時，氫脆不僅影響管道材料，而且影響氣體壓縮機、管道閥門中的部件。此外，氫脆還很容易發(fā)生在管道的焊接部位，因此，更需要優(yōu)化管道的處理工藝。

4.1.2設(shè)備摻氫的適應(yīng)性

整個天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)所用到的設(shè)備都存在對混氫天然氣適應(yīng)性的問題，特別是一些關(guān)鍵設(shè)備。

(1)儲存設(shè)備和動設(shè)備。天然氣管網(wǎng)中儲存設(shè)備主要是天然氣儲罐、儲氣井，目前尚未見氫相容性方面的研究成果。天然氣管網(wǎng)動設(shè)備主要是壓縮機。往復(fù)式壓縮機的動力機構(gòu)是獨立于工作介質(zhì)工作的，無需考慮摻氫對設(shè)備帶來的影響，而離心式壓縮機的葉輪與混氫天然氣接觸，材料可能受其影響。為滿足相同能量需求，摻入氫氣后離心式壓縮機的旋轉(zhuǎn)速度需提高，該旋轉(zhuǎn)速度會受到材料強度的限制，而該強度也會受到摻入氣體中的氫的影響，對離心式壓縮機的組件和密封性能提出了更高要求。

(2)用戶終端。用戶終端對混氫天然氣的適應(yīng)性也是需考慮的重要問題。家用燃?xì)饩邔θ細(xì)獾倪m應(yīng)性有兩個主要指標(biāo)，即華白數(shù)和燃燒勢。計算表明，摻入10%氫氣時，這兩個評價指標(biāo)都在燃?xì)獾目苫Q區(qū)間內(nèi)。通過對照12T基準(zhǔn)天然氣華白數(shù)和燃燒勢的范圍，計算出滿足燃?xì)饣Q性要求的天然氣極限摻氫比例為23%。家用燃?xì)饩邔綒浔壤?0%以下的混氫天然氣適應(yīng)性良好。但是不同應(yīng)用場景、不同性質(zhì)、不同廠家等用戶終端的可摻氫比例范圍還沒有形成定論，仍需進一步進行混氫天然氣適應(yīng)性研究。

4.2滲漏

管道輸送過程中混氫天然氣的泄漏是一種連續(xù)泄漏，通常會產(chǎn)生氣體積聚的現(xiàn)象，可能引起窒息危險，遇明火容易發(fā)生燃爆，故需對氣體的泄漏與積聚進行研究。泄漏可以分兩種情況：一種是滲漏，主要發(fā)生在管道壁面和接觸密封處，滲漏速度較慢；另一種是意外情況下的泄漏，主要是由自然災(zāi)害及操作問題等引起的泄漏，泄漏速度較快。

正常工況下，混氫天然氣配送管網(wǎng)發(fā)生的泄漏主要是滲漏。滲漏氣體大部分是通過管道壁面滲透。由于氫比天然氣中的其他分子體積更小，所以對管網(wǎng)中滲漏問題的研究顯得非常重要。在天然氣管道系統(tǒng)使用的典型管道材料中，氫氣的滲漏速率一般比甲烷快4～5倍；另外，在接觸密封處也存在著氣體滲漏問題。

天然氣配送系統(tǒng)大多使用彈性體材料密封，相對于天然氣，它對氫氣的滲漏速率的影響更大。

理論計算表明，若有20%氫添加到天然氣管道系統(tǒng)中，氣體滲漏損失幾乎是系統(tǒng)僅輸送純天然氣時的2倍。雖然從經(jīng)濟性角度考慮時其影響較小，但是在狹小空間內(nèi)，隨著時間的推移滲漏氣體的積累可能會帶來安全問題。

5結(jié)語

氫能是當(dāng)下備受關(guān)注的清潔能源，氫氣長距離運輸面臨諸多難題，而混氫天然氣管道輸送技術(shù)為氫氣運輸提供了新的思路?；鞖涮烊粴獾氖褂媚軌蛱岣邭淠茉谀茉粗械谋壤?，減少對傳統(tǒng)化石燃料的依賴，還有助于擴大氫的需求并通過規(guī)?；档椭茪涑杀尽＿@對氫能在交通、建筑、制造業(yè)和電力等領(lǐng)域的推廣有著重要意義。

各國學(xué)者對混氫天然氣管道輸送開展了大量研究，但其中涉及的技術(shù)及安全等問題具有復(fù)雜性和多樣性，存在諸多挑戰(zhàn)。攻克混氫天然氣管道輸送安全關(guān)鍵技術(shù)、推動基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、完善相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，是推動混氫天然氣管道輸送規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化、市場化應(yīng)用的重要基礎(chǔ)。

原標(biāo)題：混氫天然氣管道輸送技術(shù)前景