尚娟，魯仰輝，鄭津洋，孫晨，花爭立，于文濤，張一葦

（1 浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所，浙江 杭州 310027；2 國家電投集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 102209）

在保障能源安全、改善環(huán)境質(zhì)量等因素的共同驅(qū)動下，世界各國開始重視可再生能源的發(fā)展和利用。其中，風(fēng)能和太陽能因其清潔無污染、產(chǎn)業(yè)鏈較成熟等特點(diǎn)受到廣泛青睞。截至2019 年底，國內(nèi)風(fēng)電裝機(jī)容量接近2.10億千瓦，太陽能發(fā)電裝機(jī)容量2.05 億千瓦，均占全國總裝機(jī)容量的10%以上[1]。但由于具有間歇性、隨機(jī)性等特點(diǎn)，大規(guī)模利用風(fēng)電、光電轉(zhuǎn)化的電能難以有效儲存，存在“棄風(fēng)棄光”問題，造成了嚴(yán)重的電力浪費(fèi)。目前國際上廣泛認(rèn)為，摻氫天然氣技術(shù)是解決“棄風(fēng)棄光”問題的有效途徑之一[2-3]。該技術(shù)將風(fēng)/光能轉(zhuǎn)化的部分電能用于電解水制氫，并將氫氣以一定比例摻入天然氣，形成摻氫天然氣，再利用新建管網(wǎng)或在役天然氣管網(wǎng)輸送至用戶終端、加氣站和儲氣庫等，可起到儲能和電力負(fù)荷削峰填谷的作用，同時避免了新建輸氫管道所需的高昂建造成本。國外研究表明，氫氣管道的造價約為天然氣管道的2倍多。此外，國際能源署研究了各種儲能方式的電力成本，研究表明，摻氫天然氣技術(shù)的電力成本最低?？梢?，向在役天然氣管道摻入氫氣能取得較好的經(jīng)濟(jì)效益，且大規(guī)模電解水制氫成本的降低將大大提高該技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。

然而與天然氣相比，氫氣易導(dǎo)致材料脆化、更易泄漏、具有更寬的爆炸極限，導(dǎo)致?lián)綒涮烊粴夤艿垒斔驮诓牧线x擇、設(shè)計(jì)制造、安全保障、法律法規(guī)、規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)等方面與天然氣管道輸送具有較大差異，需要相應(yīng)地開展系統(tǒng)的研究，以保障摻氫天然氣管道輸送安全。2016年，本文作者所在團(tuán)隊(duì)[4]發(fā)表了文章《摻氫天然氣管道輸送安全技術(shù)》，從材料相容性、完整性管理及風(fēng)險評估等方面總結(jié)討論了摻氫天然氣管道輸送的安全問題。近幾年，氫能管道發(fā)展迅速，在材料氫相容性、風(fēng)險評估等方面都有了新的重要進(jìn)展，本文將對摻氫天然氣管道輸送研究前沿進(jìn)行介紹，重點(diǎn)對管道氫相容性、設(shè)備摻氫適應(yīng)性、運(yùn)行安全保障、標(biāo)準(zhǔn)體系等技術(shù)研究現(xiàn)狀進(jìn)行深入討論，并指出目前摻氫天然氣管道輸送面臨的挑戰(zhàn)與建議，可為摻氫天然氣管道輸送系統(tǒng)發(fā)展提供一定的參考。

1 應(yīng)用示范

迄今為止，荷蘭、德國、法國、中國等國家先后開展了多個摻氫天然氣管道輸送系統(tǒng)應(yīng)用示范項(xiàng)目。2004 年，在歐洲委員會的支持下，國際上首次開展了“NaturalHy”項(xiàng)目，將氫氣注入高壓輸送管線，并通過配送管網(wǎng)輸送至最終用戶。該項(xiàng)目較為系統(tǒng)地研究了天然氣管道摻氫對包括天然氣輸送、配送及用戶終端在內(nèi)的整個系統(tǒng)的影響[5]，為后續(xù)的摻氫天然氣管道輸送系統(tǒng)示范應(yīng)用項(xiàng)目創(chuàng)造了良好的開端。2007 年，在荷蘭阿默蘭島上開展了“VG2”項(xiàng)目[6]，將氫氣摻入當(dāng)?shù)氐蜔嶂堤烊粴馀渌凸芫W(wǎng)供普通家庭使用，積累了電解、混合過程以及摻氫天然氣對荷蘭管道和傳統(tǒng)燃?xì)馄骶咝阅苡绊懙慕?jīng)驗(yàn)。2012年，德國開展了風(fēng)電制氫-天然氣管道摻氫全過程示范項(xiàng)目[7]，將法爾肯哈根風(fēng)電制氫示范項(xiàng)目制取的氫氣直接送入天然氣管線，進(jìn)行了摻氫天然氣管道輸送全過程技術(shù)鏈的示范應(yīng)用。2014 年，法國開始實(shí)施“GRHYD”項(xiàng)目[8]，開展了為期五年的混氫天然氣應(yīng)用示范，將氫氣以6%～20%的比例注入當(dāng)?shù)靥烊粴夤芫W(wǎng)，供健康中心和100戶居民生活使用。2016年，加利福尼亞大學(xué)歐文分校和Socal 氣體公司合作開展了美國首個摻氫天然氣示范項(xiàng)目，將電解槽生產(chǎn)的氫氣摻入學(xué)校內(nèi)部的天然氣管道系統(tǒng)[9]。2017 年，英國開展了“HyDeploy”項(xiàng)目[10]，向基爾大學(xué)專用天然氣網(wǎng)絡(luò)和英國北部天然氣網(wǎng)絡(luò)注入氫氣，為住宅、教學(xué)樓、企業(yè)等供氣，探索在不影響終端用戶安全或改裝設(shè)備的情況下將氫氣混合到全國天然氣網(wǎng)絡(luò)中的可行性。2019 年，意大利Snam 公司將氫和天然氣混合到國家天然氣輸送網(wǎng)絡(luò)中，研究摻氫天然氣與發(fā)電廠渦輪壓縮機(jī)、儲存場和燃?xì)忮仩t等用戶設(shè)備的兼容性[11]。2020 年，澳大利亞開展了“WSGG”項(xiàng)目，利用風(fēng)/光電來電解水制氫，并將部分氫氣注入Jemena 公司的新南威爾士州天然氣網(wǎng)絡(luò)，為當(dāng)?shù)鼐用窆┡痆12]。

國內(nèi)摻氫天然氣管道輸送系統(tǒng)的示范應(yīng)用較少。2010 年，國新能源集團(tuán)與清華大學(xué)及中國氫能協(xié)會合作，在山西省河津市開展了摻氫天然氣加氣站示范項(xiàng)目的建設(shè)。2019 年，國家電力投資集團(tuán)公司與浙江大學(xué)合作，在遼寧省朝陽市開展了摻氫天然氣管道安全關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證示范項(xiàng)目，進(jìn)行電解水制氫-天然氣摻氫-工業(yè)級民用用戶供能示范，為未來氫氣通過管網(wǎng)運(yùn)輸提供經(jīng)驗(yàn)。

2 技術(shù)研究現(xiàn)狀

2.1 管材氫相容性

摻氫天然氣會使管道材料的強(qiáng)度、塑性和韌性等力學(xué)性能發(fā)生劣化，進(jìn)而影響管網(wǎng)服役的安全性。因此，管材與摻氫天然氣的相容性是開展在役天然氣管道輸送摻氫天然氣需要解決的首要問題。

近年來，國外眾多科研院校圍繞管材與摻氫天然氣的相容性問題展開了研究，美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)局、美國燃?xì)饧夹g(shù)研究院等機(jī)構(gòu)研究了X52、X65、X100 等管線鋼在純氫環(huán)境中的原位力學(xué)性能，韓國標(biāo)準(zhǔn)科學(xué)研究院、日本九州大學(xué)等在純氫及模擬摻氫天然氣（N2與H2的混合氣體）環(huán)境中開展了管線鋼的力學(xué)性能測試。研究表明，與空氣環(huán)境相比，材料在含氫環(huán)境中的強(qiáng)度變化不大，但延性、疲勞性能和斷裂韌性劣化明顯[13-15]。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)力三軸度的增大而增加[16-19]。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(kuò)展速率加快[16-18]。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[19-21]。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，待進(jìn)一步研究。同時，國際上對于摻氫天然氣與低強(qiáng)度鋼配送管材的相容性研究較少。對于非金屬配送管道，國際研究表明，聚乙烯、聚氯乙烯、氯丁橡膠、丁苯橡膠、氟橡膠等材料與氫氣同樣有較好的相容性[22]。大部分研究認(rèn)為摻氫天然氣配送管道存在的主要問題是泄漏，這對摻氫天然氣管道運(yùn)行安全保障技術(shù)提出了新要求。

國內(nèi)浙江大學(xué)在模擬摻氫天然氣環(huán)境中對國產(chǎn)X70、X80 管線鋼的力學(xué)性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)兩種管線鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度基本不變，但缺口抗拉強(qiáng)度有所降低，且氫氣的摻入明顯加快了材料的疲勞裂紋擴(kuò)展速率，相對于氮?dú)猸h(huán)境中提高了5～15倍[23-24]。此外，浙江大學(xué)開展了天然氣配送管道常用材料20 鋼在0.4MPa 真實(shí)摻氫天然氣下力學(xué)性能原位測試，并與模擬摻氫天然氣環(huán)境和純氫環(huán)境中的測試結(jié)果對比，發(fā)現(xiàn)材料在真實(shí)摻氫天然氣環(huán)境中的疲勞裂紋擴(kuò)展速率與模擬摻氫天然氣環(huán)境和純氫環(huán)境有較大差異[25]。該新發(fā)現(xiàn)說明開展管材與真實(shí)摻氫天然氣的相容性研究是十分有必要的。但目前世界各國摻氫天然氣環(huán)境材料性能原位測試平臺較少，摻氫天然氣環(huán)境下管材力學(xué)性能數(shù)據(jù)極為有限，摻氫天然氣與材料相容性數(shù)據(jù)庫有待進(jìn)一步完善。

2.2 設(shè)備摻氫適應(yīng)性

摻氫天然氣與設(shè)備的適應(yīng)性面向整個天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)，包括管道、調(diào)壓設(shè)備、儲存設(shè)備、用戶終端等。各國在對天然氣管網(wǎng)輸送系統(tǒng)的適應(yīng)性進(jìn)行評估時，突出了逐案分析的原則[22,26]。

2.2.1 儲存設(shè)備

天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)中常見的儲存設(shè)備主要包括儲罐和地下儲氣庫（利用枯竭油氣田、地下含水層、含鹽巖層或廢礦井建造），關(guān)于儲罐材料與氫的相容性已有較多研究[27]，本文不再贅述。針對枯竭油氣田和地下含水層的研究表明，此兩種地下儲氣庫對氫氣的適應(yīng)性較差，這是由于氫氣易破壞地下儲氣庫的多孔地質(zhì)結(jié)構(gòu)，同時儲氣庫內(nèi)的微生物代謝反應(yīng)會嚴(yán)重消耗儲存的氫氣，如產(chǎn)甲烷菌以H2和CO2為底物轉(zhuǎn)化形成CH4、硫酸鹽還原菌將硫酸鹽還原成H2S 等[28]。國際能源署、歐洲燃?xì)庋芯考瘓F(tuán)和德國燃料研究所研究認(rèn)為，當(dāng)前涉及地下儲氣庫的天然氣管道系統(tǒng)不能摻入氫氣[3,26]。但也有研究表明，含鹽巖層型地下儲氣庫中巖鹽床的化學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定，對氫適應(yīng)性良好[3]，且英國和美國已有多年使用含鹽巖層儲氣庫儲存純氫的歷史。然而，現(xiàn)有文獻(xiàn)中未見我國在地下儲氣庫儲存摻氫天然氣方面的研究成果。對于儲氫罐，我國已開展較多研究，并形成成熟產(chǎn)品，其中全多層固定式儲氫壓力容器已成功應(yīng)用于多座加氫站內(nèi)。摻氫天然氣儲罐尚未見相關(guān)報道。

2.2.2 調(diào)壓設(shè)備

最初在天然氣長輸管網(wǎng)上使用的調(diào)壓設(shè)備包括往復(fù)式和離心式兩種壓縮機(jī)，但隨著技術(shù)的發(fā)展，離心式壓縮機(jī)機(jī)組呈現(xiàn)出逐步代替往復(fù)式壓縮機(jī)的趨勢[29]。往復(fù)式壓縮機(jī)的動力機(jī)構(gòu)是獨(dú)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(jī)的葉輪與摻氫天然氣接觸，材料可能受其影響。此外，為滿足相同能量需求，在離心式壓縮機(jī)中壓縮氫氣的體積是壓縮天然氣的3倍多，為了獲得相同的壓縮比，壓縮氫氣的旋轉(zhuǎn)速度要比天然氣高出約1.74倍，對離心式壓縮機(jī)的組件和密封性能提出了更高要求[30]。為降低氫脆和組件失效風(fēng)險，氫氣壓縮機(jī)往往是使用價格高昂的高性能材料，一定程度上增加了摻氫天然氣技術(shù)成本。針對上述問題，可以從摻氫比例優(yōu)化、新型材料、新型壓縮技術(shù)等方面提出解決方案。來自國際能源署、歐洲燃?xì)庋芯考瘓F(tuán)和德國燃料研究所的報告認(rèn)為，當(dāng)前涉及離心式壓縮機(jī)的天然氣管道系統(tǒng)不能摻入超過20%的氫氣[3,26]。驅(qū)動離心式壓縮機(jī)的在役燃?xì)廨啓C(jī)一般要求天然氣中H2體積分?jǐn)?shù)不超過1%，但通過采取調(diào)整措施和改造升級可以使其摻氫體積分?jǐn)?shù)達(dá)到15%[30]。目前關(guān)于壓縮機(jī)的最高容許摻氫比例還未形成定論，新型壓縮機(jī)用材料與壓縮技術(shù)報道較少。

2.2.3 用戶終端

摻氫天然氣作為燃料實(shí)際應(yīng)用時，用戶終端對摻氫天然氣的適應(yīng)性也是需考慮的重要問題。由于氫燃燒速度快，火焰溫度高，工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)和天然氣發(fā)動機(jī)燃燒摻氫天然氣時性能易受影響，NOx的產(chǎn)生量可多達(dá)天然氣燃燒的近兩倍，摻氫比例超過50%時發(fā)動機(jī)爆震的敏感性增加[31]。在役燃?xì)廨啓C(jī)的摻氫分?jǐn)?shù)極限一般為15%，而在役天然氣發(fā)動機(jī)一般要求天然氣中氫氣比例不超過2%，對于具有復(fù)雜控制系統(tǒng)的專用發(fā)動機(jī)，摻氫體積分?jǐn)?shù)可以達(dá)到10%[30]。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)和層流燃燒速度。計(jì)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)[26]。對于12T基準(zhǔn)天然氣，依據(jù)我國標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13611—2006《城鎮(zhèn)燃?xì)夥诸惡突咎匦浴吠ㄟ^華白數(shù)和燃燒勢計(jì)算出滿足燃?xì)饣Q性要求的天然氣極限摻氫比例為23%[32]。此外隨著摻氫比例的升高，家用炊具、燃?xì)鉄崴骱腿細(xì)獠膳療崴疇t的煙氣CO 和NOx排放值均在標(biāo)準(zhǔn)容許范圍內(nèi)，且排放煙氣的CO分?jǐn)?shù)隨摻入氫氣的增加呈降低趨勢[33]，家用燃?xì)饩邔綒浔壤?0%以下的摻氫天然氣適應(yīng)性良好。可以發(fā)現(xiàn)，目前用戶終端摻氫適應(yīng)性研究主要集中于其在不改造且保證性能與安全前提下的摻氫比例耐受范圍，但是不同應(yīng)用場景、不同性能、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(jìn)一步對多種代表性用戶終端進(jìn)行摻氫適應(yīng)性研究。

2.3 運(yùn)行安全保障

2.3.1 混合與計(jì)量

通常，天然氣與氫氣在預(yù)混站內(nèi)通過科學(xué)混合后形成摻氫天然氣，再經(jīng)由管道輸送至用戶終端。目前氫氣和天然氣混合工藝主要有定壓配比系統(tǒng)和在線混合系統(tǒng)兩種[34]。其中，隨動流量比例調(diào)節(jié)對摻氫比精度控制較高，Hydeploy 項(xiàng)目、GRHYD 項(xiàng)目以及國內(nèi)朝陽示范項(xiàng)目都是采用該種方法。隨動流量混氣裝置是通過流量計(jì)量、信號傳輸反饋、指揮調(diào)節(jié)、比例修正等環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)摻混的目的。設(shè)備組件包括流量計(jì)、閥門、密封件、混合器、氣體成分分析儀、中央控制臺等。雖然隨動流量混氣裝置已經(jīng)成熟應(yīng)用于天然氣、煤制氣等領(lǐng)域，但因摻氫天然氣物化性質(zhì)的特殊性，需研究混氣裝置是否適合長期工作于摻氫天然氣環(huán)境。歐洲一些國家正在開展這方面的研究，同時歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會也正在有序開展摻氫天然氣混合技術(shù)及設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化工作。

摻氫天然氣計(jì)量技術(shù)是摻氫天然氣產(chǎn)業(yè)規(guī)模化和市場化的重要基礎(chǔ)。歐洲已經(jīng)著手開展相關(guān)研究，并制定了“歐洲計(jì)量創(chuàng)新和研究計(jì)劃”。該計(jì)劃側(cè)重于非常規(guī)氣體（摻氫天然氣、合成氣、生物甲烷等）流量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)化所需的計(jì)量學(xué)研究，確定非常規(guī)氣體在典型目標(biāo)用戶終端中的測量精度、成本和使用壽命。同時，該計(jì)劃將開發(fā)一種可追蹤的非常規(guī)氣體流量計(jì)的校準(zhǔn)方法。在我國，關(guān)于摻氫天然氣計(jì)量技術(shù)研究工作的報道較少，相關(guān)研究成果仍是空白。

2.3.2 安全評估技術(shù)

天然氣管道安全評估技術(shù)已經(jīng)較為成熟，但是摻入氫氣后，氣體的物理性質(zhì)和燃燒特性發(fā)生了變化，同時增大了管道失效的概率和管道失效后引發(fā)的后果[4]。美國標(biāo)準(zhǔn)ASME B31.12—2019 Hydrogen Piping and Pipelines、 英 國 標(biāo) 準(zhǔn)BS 7910—2019 Guide to methods for assessing the acceptability of flaws in metallic structures 和我國標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19624—2019《在用含缺陷壓力容器安全評定》等考慮了材料性能劣化導(dǎo)致的摻氫天然氣管道失效，提出了摻氫天然氣管道疲勞安全評定方法。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范與示范經(jīng)驗(yàn)，NaturalHy 項(xiàng)目開發(fā)了一套用于評估不同完整性管理情況下?lián)綒涮烊粴夤艿朗Э赡苄缘能浖24]，國內(nèi)浙江大學(xué)初步研發(fā)了一套基于斷裂力學(xué)的摻氫天然氣管道安全評定軟件。摻氫天然氣管道失效后，通常會發(fā)生氫氣泄漏，遇明火容易發(fā)生火災(zāi)或爆炸，造成一系列危險事故。受限于試驗(yàn)條件，后果量化評價通常采用基于各類CFD 模型的理論分析，包括用于模擬泄漏的統(tǒng)一擴(kuò)散模型，用于模擬爆炸的TNT 模型、TNO 模型、Baker-Strehlow 模型以及用于模擬射流火焰的API 模型和Shell 模型等。由于氫行為及其后果復(fù)雜、計(jì)算量大，國外已開發(fā)針對氫行為后果量化評價的商業(yè)化軟 件， 包 括 Gexcon 公 司 開 發(fā) 的 FLACSHYDROGEN 軟件和DNV 公司開發(fā)的PHAST 軟件?；谏鲜瞿Ｐ团c軟件，國內(nèi)學(xué)者對氫氣管道失效后果進(jìn)行了模擬分析[35-36]，但不同摻氫比例的摻氫天然氣管道失效后果研究較少，仍需進(jìn)一步研究不同場景的摻氫安全評估方法和技術(shù)。

盡管當(dāng)前摻氫天然氣管道的風(fēng)險評價研究較多，可使用先進(jìn)的軟件工具高效率地對管道進(jìn)行安全評估，但管道失效不可完全避免。有效利用火焰檢測報警儀和氣體檢測報警儀等安全檢測裝置，可預(yù)防人身傷害以及火災(zāi)與爆炸事故的發(fā)生。氫火焰主要輻射紅外線和紫外線，其燃燒時產(chǎn)生的淡藍(lán)色火焰白天肉眼不易察覺，熱輻射量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于天然氣火焰，現(xiàn)有的火焰探測器難以使用，此外為天然氣泄漏設(shè)計(jì)的氣體泄漏檢測裝置對摻氫天然氣不敏感，需進(jìn)一步升級。為檢測泄漏氫氣和氫氣火焰，宜在易發(fā)生燃?xì)庑孤┖头e聚的位置綜合考慮精度、靈敏度、可靠性、可維護(hù)性、檢測范圍、響應(yīng)時間等因素，選用安裝氫氣檢測報警儀和氫火焰檢測報警儀。

2.4 標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)

目前，國際上仍然缺乏摻氫天然氣輸送管道專用的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，但發(fā)布了適用于氫氣輸送管道的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，具有一定的借鑒意義。國外已頒布的氫氣長輸管道標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范包括美國機(jī)械工程師協(xié)會的ASME B31.12—2019、歐洲壓縮氣體協(xié)會的CGA G-5.6—2005 (Reaffirmed 2013) Hydrogen Pipeline Systems、亞洲工業(yè)氣體協(xié)會的AIGA 033/06—2006 Hydrogen Transportation Pipelines 等 。 ASME B31.12—2019標(biāo)準(zhǔn)包括通用要求、工業(yè)管道、管線和附錄4個部分，內(nèi)容涉及設(shè)計(jì)、施工、操作和維護(hù)等多個方面，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、分輸管道和服務(wù)管線，但不適用于氫氣體積分?jǐn)?shù)小于10%的管道系統(tǒng)。AIGA 033/06—2006 與CGA G-5.6—2005內(nèi)容基本一致，兩者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)。

在國內(nèi)，專用于摻氫天然氣管道的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范也尚未頒布，與摻氫天然氣管道有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)只有GB/T 34542.2—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(yàn)方法》，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?，F(xiàn)有的天然氣及氫氣管道相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)包括GB 50251《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB 4962《氫氣使用安全技術(shù)規(guī)程》、GB/T 29729《氫系統(tǒng)安全的基本要求》、GB/T 34542.1《氫氣儲存輸送系統(tǒng)第1部分：通用要求》、GB/T 34542.3 《氫氣儲存輸送系統(tǒng)第3 部分：金屬材料氫脆敏感度試驗(yàn)方法》、GB 50177《氫氣站設(shè)計(jì)規(guī)范》等，對摻氫天然氣管道相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的制定具有一定借鑒意義。

3 面臨的挑戰(zhàn)

我國天然氣管網(wǎng)比較完善，管道規(guī)模大，分布范圍廣，向已有的天然氣管道摻入氫氣，有利于實(shí)現(xiàn)氫能的大規(guī)模輸運(yùn)。目前我國對摻氫天然氣管道輸送技術(shù)的研究多集中于科研院校，相關(guān)示范應(yīng)用項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)較少，整體來說，與國際發(fā)達(dá)國家還有較大差距。結(jié)合我國摻氫天然氣管道輸送發(fā)展現(xiàn)狀，從基礎(chǔ)設(shè)施、管材與裝備、安全保障與標(biāo)準(zhǔn)體系、產(chǎn)業(yè)化與市場形成方面提出國內(nèi)發(fā)展摻氫天然氣管道輸送面臨的挑戰(zhàn)與建議。

（1）摻氫天然氣基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃與建設(shè) 2020年4月，國家能源局發(fā)布了《中華人民共和國能源法（征求意見稿）》[37]，明確將氫能納入能源種類，這意味著氫能包括摻氫天然氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展邁出了重要一步。然而，目前我國摻氫天然氣發(fā)展缺少國家層面的戰(zhàn)略性統(tǒng)籌規(guī)劃，相應(yīng)的法律法規(guī)和產(chǎn)業(yè)政策等配套支撐也未完善。建議針對我國摻氫天然氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢，整合氫能、天然氣、電力等產(chǎn)業(yè)鏈資源，規(guī)劃部署摻氫天然氣管道輸送網(wǎng)絡(luò)，因地制宜，有序推進(jìn)摻氫天然氣基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，促進(jìn)摻氫天然氣管道輸送系統(tǒng)的可協(xié)調(diào)發(fā)展。

（2）摻氫天然氣管道材料與關(guān)鍵裝備 目前我國天然氣管道與摻氫天然氣的相容性研究已取得階段性成果，但管材與真實(shí)摻氫天然氣的相容性數(shù)據(jù)庫仍不夠完善。宜搭建多個摻氫天然氣環(huán)境材料力學(xué)性能原位測試平臺，建立金屬及非金屬管材摻氫相容性測試評價方法和性能指標(biāo)，研究管材在真實(shí)摻氫天然氣環(huán)境下服役性能劣化規(guī)律和機(jī)理，提出摻氫天然氣管道失效控制方法，為相關(guān)項(xiàng)目的實(shí)施以及規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的制定提供有力支撐。同時，應(yīng)加快摻氫天然氣用壓縮機(jī)、報警儀、混氣撬等關(guān)鍵設(shè)備的研發(fā)，保障摻氫天然氣管道輸送系統(tǒng)的運(yùn)行與安全。

（3）摻氫天然氣管道輸送系統(tǒng)安全保障技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)體系 摻氫天然氣管網(wǎng)失效后的泄漏和爆炸問題較為復(fù)雜，今后需針對這些問題展開深入研究，同時數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果是否吻合也亟待檢驗(yàn)，為摻氫天然氣管道輸送涉及的摻氫比例選取、管道監(jiān)測檢查、風(fēng)險評價等提供理論依據(jù)，以形成泄漏監(jiān)測與防護(hù)、量化風(fēng)險評價、應(yīng)急處置等系統(tǒng)安全保障成套技術(shù)。針對國內(nèi)外尚缺乏摻氫天然氣管道輸送專用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范問題，研究建立符合我國國情的摻氫天然氣管道設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)行、管理等一系列標(biāo)準(zhǔn)，形成既有針對性又有整體性的摻氫天然氣管道規(guī)范體系，促進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

（4）產(chǎn)業(yè)化與市場形成 我國摻氫天然氣產(chǎn)業(yè)化處于初步發(fā)展階段，除上述挑戰(zhàn)外，還需構(gòu)建“制氫-儲/運(yùn)氫-用氫-商業(yè)運(yùn)營”一體化的產(chǎn)業(yè)體系，因地制宜、分區(qū)施策，形成適合我國摻氫天然氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展特點(diǎn)的多元化發(fā)展模式。在此基礎(chǔ)上，從國家政策稅收、技術(shù)研發(fā)等層面出發(fā)，降低包括可再生能源制氫、氣體輸運(yùn)、用戶終端調(diào)試等在內(nèi)的摻氫天然氣系統(tǒng)成本，并保證其性能和使用壽命，為摻氫天然氣市場形成提供支撐。同時，可通過氫能信息傳播與教育、摻氫天然氣應(yīng)用示范等手段提高公眾接受度，盡快實(shí)現(xiàn)摻氫天然氣市場化。

4 結(jié)語

摻氫天然氣管道輸送是解決風(fēng)光電消納問題的有效方式之一，也是目前輸送氫氣的有效手段之一。各國學(xué)者對摻氫天然氣管道輸送開展了大量的理論和試驗(yàn)研究，相應(yīng)的摻氫天然氣管道系統(tǒng)示范應(yīng)用項(xiàng)目也陸續(xù)開展。但摻氫天然氣管道輸送系統(tǒng)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)。攻克摻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)、積累示范應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)、完善相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，是推動摻氫天然氣管道輸送規(guī)?；a(chǎn)業(yè)化、市場化應(yīng)用的重要基礎(chǔ)。