于子龍 張立業(yè) 寧 晨 孫 鋼 劉泓芳 安振華 王金華 ,2) 黃佐華 魯仰輝 ,3) 楊沐村

*(國(guó)家電投集團(tuán)東北電力有限公司，沈陽(yáng) 110181)?(朝陽(yáng)燕山湖發(fā)電有限公司，遼寧朝陽(yáng) 122099)

**(西安交通大學(xué)動(dòng)力工程多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710049)

??(國(guó)家電投集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 102209)

當(dāng)前全球能源主要由三大化石能源石油、煤和天然氣供應(yīng)。截止到2019年，石油、煤和天然氣在全球能源供應(yīng)體系中合計(jì)占比為84%[1]。我國(guó)在2020年宣布了“2030碳達(dá)峰，2060碳中和”的目標(biāo)，為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，必須改變現(xiàn)有的能源結(jié)構(gòu)，大力發(fā)展風(fēng)、光可再生能源。可再生能源的主要問題是波動(dòng)性，氫是優(yōu)良的可再生能源儲(chǔ)能載體，氫能將在能源、石化、有色、航空、運(yùn)輸?shù)戎T多領(lǐng)域助力深度脫碳[2]。

根據(jù)國(guó)際氫能委員會(huì)預(yù)測(cè)，到2050年，氫能將在世界范圍內(nèi)創(chuàng)造3 000萬(wàn)個(gè)工作崗位，減少60億噸二氧化碳排放，創(chuàng)造25萬(wàn)億美元產(chǎn)值，在全球能源中所占比重有望達(dá)到18%[3]。截至2020年6月，全國(guó)范圍內(nèi)省及直轄市級(jí)的氫能產(chǎn)業(yè)規(guī)劃超過10個(gè)，地級(jí)市及區(qū)縣級(jí)的氫能專項(xiàng)規(guī)劃超過30個(gè)。由國(guó)務(wù)院印發(fā)的《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012—2020年）》[4]《中國(guó)制造2025》[5]《“十三五”國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》[6]等國(guó)家綱領(lǐng)性規(guī)劃文件，均指出要發(fā)展氫能源產(chǎn)業(yè)。2019年3月，氫能源首次寫入《政府工作報(bào)告》，明確將推動(dòng)加氫等設(shè)施建設(shè)。2019年底，《能源統(tǒng)計(jì)報(bào)表制度》首度將氫氣納入2020年能源統(tǒng)計(jì)，15部門印發(fā)《關(guān)于推動(dòng)先進(jìn)制造業(yè)和現(xiàn)代服務(wù)業(yè)深度融合發(fā)展的實(shí)施意見》，推動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新、集聚發(fā)展，完善氫能制備、儲(chǔ)運(yùn)、加注等設(shè)施和服務(wù)[7]。2020年4月，國(guó)家能源局發(fā)布《中華人民共和國(guó)能源法（征求意見稿）》，氫能被列為能源范疇[8]。

氫能產(chǎn)業(yè)包括制取、儲(chǔ)存、輸運(yùn)、應(yīng)用四大環(huán)節(jié)，由于大規(guī)模儲(chǔ)氫成本高、氫燃料電池技術(shù)不成熟、氫氣基礎(chǔ)設(shè)施不完善，純氫的利用還需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，氫能運(yùn)輸需要合適的管道網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，而管道網(wǎng)絡(luò)的巨大基建費(fèi)用阻礙了氫氣應(yīng)用的進(jìn)一步推廣。國(guó)外研究表明，氫氣管道的造價(jià)約為天然氣管道的2倍多[9]。利用現(xiàn)有天然氣管道進(jìn)行天然氣摻氫的輸運(yùn)可以節(jié)省龐大的基建成本，探索天然氣摻氫應(yīng)用場(chǎng)景，是實(shí)現(xiàn)氫能大規(guī)模使用的可行途徑。摻氫天然氣的主要使用場(chǎng)景之一是通過現(xiàn)有燃?xì)夤芫W(wǎng)入戶實(shí)現(xiàn)在民用燃?xì)饩呓K端上的使用。氫氣作為燃?xì)饫貌粌H可以有效減少天然氣在使用中的污染和碳排放，還有利于優(yōu)化我國(guó)的能源供給結(jié)構(gòu)。英國(guó)、德國(guó)、法國(guó)、荷蘭已經(jīng)開始逐步實(shí)施天然氣管網(wǎng)摻氫，用于終端設(shè)備的項(xiàng)目。但是國(guó)內(nèi)由于燃具和燃?xì)庀嚓P(guān)標(biāo)準(zhǔn)的欠缺，燃?xì)夤芫W(wǎng)摻氫的適應(yīng)性和安全性有待驗(yàn)證，所以管道摻氫應(yīng)用未進(jìn)行有效推進(jìn)。天然氣摻氫管道輸運(yùn)的主要問題是管道材料的安全性，需要材料、安全、管理系統(tǒng)等綜合研究和示范運(yùn)行，建立相應(yīng)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，摻氫天然氣在燃?xì)饩呱蠎?yīng)用的行業(yè)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)尚未完善，阻礙了摻氫天然氣的應(yīng)用推廣，天然氣摻氫在燃?xì)饩咧械娜紵匦耘c天然氣摻氫或純氫燃料本身的燃燒基礎(chǔ)特性密切相關(guān)，天然氣在摻混氫氣之后，燃?xì)獾臒嶂?、密度、燃燒、傳熱特性將發(fā)生變化，所以也需要對(duì)天然氣摻氫之后在終端的應(yīng)用進(jìn)行研究。本文充分調(diào)研了國(guó)際天然氣摻氫的研究和示范項(xiàng)目，包括天然氣管道摻氫的關(guān)鍵技術(shù)，天然氣摻氫在燃燒器中的應(yīng)用，以及相關(guān)經(jīng)濟(jì)性分析，總結(jié)了項(xiàng)目結(jié)論和經(jīng)驗(yàn)，為我國(guó)天然氣摻氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)。

1 天然氣摻氫研究與示范項(xiàng)目

歐美國(guó)家認(rèn)為大規(guī)模輸運(yùn)氫氣的主要解決辦法之一是管道運(yùn)輸[10]。歐美多個(gè)國(guó)家正在研究在不調(diào)整現(xiàn)有天然氣管道設(shè)施的情況下，向管道中摻入氫氣的混輸試驗(yàn)和示范。如歐盟Naturalhy項(xiàng)目、荷蘭VG2和Sustainable Ameland項(xiàng)目、德國(guó)DVG項(xiàng)目、美國(guó)能源部國(guó)家燃料電池研究中心HIGG項(xiàng)目、法國(guó)GRHYD 項(xiàng)目、英國(guó)Hydeploy項(xiàng)目和H21 Leeds City Gate項(xiàng)目等。2007年荷蘭的天然氣摻氫項(xiàng)目Sustainable Ameland開始運(yùn)行，最高達(dá)到了12%摻氫比例。2014年法國(guó)的GRHYD項(xiàng)目啟動(dòng)，項(xiàng)目嘗試將工業(yè)生產(chǎn)中未消耗的電能轉(zhuǎn)化為氫氣，并摻混至天然氣網(wǎng)絡(luò)中供用戶使用，摻氫比例最高達(dá)20%。意大利Snam公司在南意大利的天然氣摻氫項(xiàng)目已于2019年4月開始輸送摻氫混合氣。2019年我國(guó)第一個(gè)天然氣摻氫項(xiàng)目——朝陽(yáng)可再生能源摻氫示范項(xiàng)目第一階段工程順利完工[11]。

1.1 歐盟Naturalhy項(xiàng)目

Naturalhy是一個(gè)綜合項(xiàng)目，從2004年1月5日啟動(dòng)，項(xiàng)目持續(xù)時(shí)間為5年，項(xiàng)目總預(yù)算為1 730萬(wàn)歐元。該項(xiàng)目由歐盟委員會(huì)通過第六框架計(jì)劃進(jìn)行共同資助，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)由39個(gè)合作伙伴組成，其中包含多家氣體商業(yè)公司，咨詢機(jī)構(gòu)及高校，整體由荷蘭的天然氣基礎(chǔ)設(shè)施和運(yùn)輸公司NV Nederlandse Gasunie統(tǒng)籌協(xié)調(diào)。Naturalhy項(xiàng)目主要目的有三條：（1）提升能源安全；（2）減少二氧化碳的排放；（3）提高區(qū)域的空氣質(zhì)量[12]。整個(gè)項(xiàng)目?jī)?nèi)容大致可以分為三個(gè)方面，第一是經(jīng)濟(jì)性方面，分析過渡性天然氣/氫氣系統(tǒng)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)性影響；第二是技術(shù)方面，對(duì)使用摻氫天然氣技術(shù)過程中的安全性、耐用性和管道完整性的問題將進(jìn)行調(diào)查并開發(fā)出新的設(shè)備；第三是決策方面，開發(fā)決策支持工具，以評(píng)估現(xiàn)有天然氣系統(tǒng)對(duì)氫氣/天然氣混合物的適用性。

對(duì)于輸氣網(wǎng)絡(luò)中管道的耐久性，研究結(jié)果表明：需要利用合適的方法減少氫氣對(duì)管道中材料的影響，主要由鋼鐵制成的輸運(yùn)管道的使用壽命在氫氣的作用下有一定的降低。對(duì)于輸氣網(wǎng)絡(luò)中管道的完整性，研究結(jié)果表明：需要對(duì)整個(gè)輸運(yùn)管道的完整性管理方案（pipeline integrity management system，PIMS）進(jìn)行一定程度的修改以適應(yīng)氫氣輸運(yùn)的新工況。向供氣網(wǎng)絡(luò)中添加氫氣會(huì)導(dǎo)致燃?xì)庖l(fā)的危害事件發(fā)生的可能性和危險(xiǎn)程度進(jìn)一步增加。摻氫天然氣在終端電器中應(yīng)用的研究十分重要，Naturalhy項(xiàng)目對(duì)此方面的研究主要有如下結(jié)論：對(duì)于合適的最好是經(jīng)過調(diào)整的家用電器以及品質(zhì)符合要求的天然氣，氫氣的摻混比例最高可以達(dá)到20%。對(duì)于固定的發(fā)動(dòng)機(jī)以及燃?xì)廨啓C(jī)，需要對(duì)其進(jìn)行新的調(diào)整和設(shè)計(jì)以讓其在使用摻氫天然氣時(shí)也能保持高效率。對(duì)于工業(yè)過程中需要使用天然氣的設(shè)備以及工業(yè)燃燒器均需要單獨(dú)的調(diào)整和重新設(shè)計(jì)，最好是進(jìn)行所有工況的重新設(shè)計(jì)以保證其工作效率。

1.2 荷蘭可持續(xù)埃姆蘭項(xiàng)目

可持續(xù)埃姆蘭項(xiàng)目[13]是一個(gè)HCNG家用項(xiàng)目，于2007年啟動(dòng)，項(xiàng)目周期為4年，在荷蘭Ameland島的公寓“Noorderlicht”實(shí)施，項(xiàng)目從民用角度展示了天然氣管網(wǎng)摻氫的應(yīng)用前景。該項(xiàng)目的發(fā)起機(jī)構(gòu)是GasTerra和Stedin，同時(shí)Joulz和Kiwa Gas Technology作為項(xiàng)目的分包商也深度參與其中。公寓“Noorderlicht”地圖如圖1所示（黃色：天然氣；紅色：富氫天然氣；黃色虛線：參考網(wǎng)格；紅色虛線：測(cè)試網(wǎng)格），該公寓擁有14戶人家，且均有獨(dú)立的煤氣表、炊具和燃?xì)忮仩t可供測(cè)試。成功的能源過渡需要有廣泛的社會(huì)與群眾基礎(chǔ)，項(xiàng)目重點(diǎn)收集了終端用戶的經(jīng)驗(yàn)和意見。

圖1 公寓小區(qū)“Noorderlicht”地圖、燃?xì)夤?yīng)、攪拌機(jī)、燃?xì)饩W(wǎng)格Fig. 1 “Noorderlicht” map, gas supply, mixer and gas grid of apartment community

可持續(xù)埃姆蘭項(xiàng)目主要內(nèi)容有兩個(gè)方面，第一是對(duì)不同的材料和接頭進(jìn)行了測(cè)試，確定摻氫對(duì)管道及接頭的機(jī)械和化學(xué)性能的影響；第二是對(duì)下游應(yīng)用的三種廚具（內(nèi)置灶爐，獨(dú)立灶爐和帶電烤箱）進(jìn)行污染物排放、回火、泄漏的測(cè)試。得出以下主要結(jié)論。

對(duì)于被檢測(cè)管道材料的物理老化、抗沖擊能力、拉伸強(qiáng)度、穩(wěn)定性等重要性能，氫氣的添加對(duì)其幾乎無(wú)影響。滲透試驗(yàn)結(jié)果表明總體滲透率較低，預(yù)計(jì)不會(huì)導(dǎo)致任何安全問題，氫/天然氣混合物的滲透常數(shù)比純氫要低，同時(shí)研究中也沒有發(fā)現(xiàn)與氫有關(guān)的管道材料缺陷。對(duì)于測(cè)試的三種廚具，氫氣的加入能夠輕微降低污染物排放。氫氣的加入雖然加快了燃?xì)獾娜紵俣?，但是廚具仍能夠通過回火測(cè)試。各個(gè)暴露在富氫天然氣下的接頭、密封部件沒有表現(xiàn)出任何退化，對(duì)相關(guān)部件的目視檢查也并沒有發(fā)現(xiàn)與氫有關(guān)的缺陷或污染。因此，三種廚具均能夠滿足法規(guī)對(duì)污染物排放、回火和泄漏的要求。

1.3 其他國(guó)家主要摻氫項(xiàng)目

法國(guó)、美國(guó)、英國(guó)等相繼開展了天然氣摻氫相關(guān)研究。法國(guó)GRHYD項(xiàng)目[14]的主要目標(biāo)是：在居民住房中和公共運(yùn)輸部門進(jìn)行摻氫天然氣的應(yīng)用示范，評(píng)估和驗(yàn)證摻氫天然氣使用中面臨的技術(shù)問題以及相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)意義，項(xiàng)目整體思路如圖2。整個(gè)GRHYD項(xiàng)目由兩個(gè)示范項(xiàng)目組成，分別為工業(yè)規(guī)模的Hythane燃料項(xiàng)目，將摻氫天然氣應(yīng)用于公共交通，氫氣比例從6%逐漸增加到20%，另一個(gè)是將氫氣注入天然氣管道中的項(xiàng)目。美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)于2013年3月發(fā)布了《天然氣管道摻氫的關(guān)鍵技術(shù)報(bào)告》[15]，總結(jié)了美國(guó)多年來(lái)在天然氣摻氫方面的研究進(jìn)展以及相關(guān)成果，同時(shí)也介紹了國(guó)際上主要的研究成果，提出應(yīng)該對(duì)管道系統(tǒng)和天然氣的組分進(jìn)行評(píng)估與檢測(cè)，將氫氣引入天然氣系統(tǒng)之前需要對(duì)現(xiàn)有天然氣的監(jiān)測(cè)以及管理手段進(jìn)行一定的修改，同時(shí)也要綜合評(píng)估改造所需的成本與氫氣引入天然氣系統(tǒng)的收益之間的關(guān)系。英國(guó)的HyDeploy項(xiàng)目旨在證明將20%的氫氣與天然氣混合使用是一種安全、綠色的能源替代方案[16]。HyDeploy項(xiàng)目總體可分為三個(gè)部分，第一部分是進(jìn)行詳細(xì)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)研究以建立起盡可能寬泛的數(shù)據(jù)庫(kù)，以此為基礎(chǔ)向安全管理部門（HSE）提出氣體安全管理?xiàng)l例的相關(guān)豁免申請(qǐng)，得到相關(guān)的許可之后才能進(jìn)行摻氫天然氣的入戶示范；第二部分是配置電解槽以及氫氣入網(wǎng)的相關(guān)設(shè)備，包括相應(yīng)的管道以及閥門的安裝，同時(shí)對(duì)運(yùn)行人員進(jìn)行相關(guān)的安全培訓(xùn)；第三部分就是實(shí)際的入戶示范，進(jìn)行正式的示范項(xiàng)目。

圖2 GRHYD項(xiàng)目?jī)?nèi)容Fig. 2 Contents of GRHYD project

2 天然氣摻氫管道輸運(yùn)研究

2.1 天然氣摻氫與天然氣管道材料的相容性

我國(guó)天然氣管路主要包括輸送管道、配送管道及其他儲(chǔ)壓調(diào)壓設(shè)備。輸送管道主要是實(shí)現(xiàn)城際之間的天然氣遠(yuǎn)距離輸送，從氣源的氣體處理廠或起點(diǎn)壓氣站將氣體輸運(yùn)到各大城市的配氣中心、大型用戶或儲(chǔ)氣庫(kù)，輸送壓力較高（我國(guó)西氣東輸工程中的部分管道設(shè)計(jì)壓力甚至達(dá)到12 MPa，其他長(zhǎng)距離輸送管道的設(shè)計(jì)壓力也普遍在數(shù)個(gè)兆帕的量級(jí)），因此使用的鋼材強(qiáng)度等級(jí)較高，如X52，X56，X60，X65，X70及X80等，最大直徑可以達(dá)到1 420 mm[17]。輸送管道一般位于居民較少的郊外。配送管網(wǎng)中的低壓天然氣由輸送管道中壓力較高的氣體通過減壓站減壓后輸運(yùn)至終端使用，壓力一般小于1 MPa，小部分會(huì)大于3 MPa。配送管網(wǎng)分支稠密，可以確保將天然氣輸送到千家萬(wàn)戶，一般分布在居民集中的區(qū)域。配送管道的材料一般是鑄鐵、銅、鋼和非金屬材料。其使用的鋼通常是低強(qiáng)度鋼，如API5LA，APⅠ5LB，X42和X46；使用的非金屬材料包括聚乙烯（PE63，PE80，PE100）、聚氯乙烯（PVC）及其他彈性材料[18]。

總體而言，長(zhǎng)距離的輸送管道由于其工作壓力高，均是使用強(qiáng)度較高的鋼材，而對(duì)于配送管道，其中使用的金屬管道為低強(qiáng)度鋼或者鑄鐵和銅等材料，也會(huì)使用聚乙烯等非金屬材料。這就給氫氣對(duì)管道材料影響的相關(guān)研究增加了一定的復(fù)雜性。

氫氣和天然氣在理化性質(zhì)上有明顯不同，因此在天然氣摻氫后，混合氣體性質(zhì)的改變會(huì)成為管道輸運(yùn)方面的安全隱患[19]。北京石油工程學(xué)院李敬法等[20]指出，分析摻氫天然氣管道相容性的關(guān)鍵在于確定管道材料的力學(xué)性能與摻氫比和輸送壓力等工作條件之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，可從宏觀角度通過測(cè)試和模擬材料典型力學(xué)性能分析氫氣對(duì)管材可能造成的影響，其中包括氫損傷[21]、氫脆[22]、氫腐蝕。對(duì)于輸運(yùn)管道的材料而言，由于輸送管道的工作壓力較高，因此其所用材料的強(qiáng)度較高，而強(qiáng)度較高的材料更容易受到氫的影響。因此需要著重研究氫氣對(duì)輸運(yùn)管道材料的影響?？偟膩?lái)說(shuō)，鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度受氫影響不大，但其韌性會(huì)受氫影響而降低。普通管道等級(jí)碳鋼API 5L X52和ASTM A106等種類的鋼已經(jīng)廣泛應(yīng)用于低壓氫氣的輸送，幾乎沒有出現(xiàn)問題。浙江大學(xué)趙永志等[23]對(duì)前人研究結(jié)果[24?25]的整合表明：氫氣對(duì)X52，X60，X65，X70，X80，X100的屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度的影響較小，而斷面收縮率和斷后伸長(zhǎng)率顯著減少。在5.5 MPa氫氣中進(jìn)行的試驗(yàn)表明：X100的斷面收縮率由75%降低到30%左右，而X60，X70，X80的斷面收縮率由70%～90%下降到30%～60%之間，隨著氫氣壓力的繼續(xù)增加，氫氣對(duì)斷面收縮率基本沒有影響[26]。

氫氣的添加會(huì)加速材料中疲勞裂紋的增長(zhǎng)速度，同時(shí)也會(huì)加速材料的老化，氫的此種作用在較低的壓力即會(huì)出現(xiàn)，且在低溫時(shí)更加明顯。而壓力波動(dòng)等因素會(huì)很容易造成材料中疲勞性裂紋的出現(xiàn)，因此需要對(duì)管道中出現(xiàn)的裂紋盡可能進(jìn)行監(jiān)控。焊接區(qū)域同樣會(huì)受到氫氣的影響，因此為保證焊接區(qū)和熱影響區(qū)的材料在摻氫環(huán)境下可以正常工作，必須相應(yīng)強(qiáng)化管材的強(qiáng)度和韌性。

氫氣的添加還會(huì)對(duì)調(diào)壓站中一些設(shè)備產(chǎn)生影響[27?28]，調(diào)壓站主要有兩種類型的壓縮機(jī)：離心式壓縮機(jī)和活塞式壓縮機(jī)。天然氣摻氫對(duì)活塞式壓縮機(jī)影響較小。然而，在離心式壓縮機(jī)中使用氫，需要壓縮的體積是使用天然氣時(shí)的三倍。除此之外，要獲得相同的壓力比，壓縮氫時(shí)需要的旋轉(zhuǎn)速度要比壓縮天然氣的旋轉(zhuǎn)速度高1.74倍。而這種旋轉(zhuǎn)速度會(huì)受到材料強(qiáng)度以及壓縮機(jī)性能的限制，當(dāng)氫氣通過現(xiàn)有的管道基礎(chǔ)設(shè)施輸送時(shí)，這可能會(huì)造成一些問題。不過實(shí)際使用中，摻入的氫氣比例一般相對(duì)較低，因此對(duì)壓縮機(jī)性能要求沒有那么高，但是氫氣的摻入會(huì)提高離心式壓縮機(jī)的性能要求。另外除了對(duì)性能的要求，氫氣的摻入對(duì)壓縮機(jī)使用安全的要求也需要進(jìn)一步研究。

2.2 摻氫天然氣的管道泄漏問題

管道中的氣體輸送過程是持續(xù)進(jìn)行的，因此管道輸送過程中的泄漏是一種連續(xù)性泄漏，通常會(huì)產(chǎn)生氣體積聚的現(xiàn)象，氣體積聚一方面會(huì)使人窒息，另一方面遇明火極容易發(fā)生火災(zāi)或者爆炸。所以摻氫天然氣的泄漏與積聚行為有必要被深入研究[29]。

正常工況下，除管道泄漏問題外，在配送管網(wǎng)的非金屬低壓管道中也常出現(xiàn)滲漏問題。在法蘭連接處的泄漏問題較為明顯，而大部分滲漏氣體是通過管道壁面滲透。Naturalhy項(xiàng)目使用實(shí)際的管道材料對(duì)甲烷、混合氣的滲漏情況進(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)采用三種不同等級(jí)（PE 63, PE 80,PE 100）的PE管道材料、多種管徑（從20 mm到200 mm）、多種操作壓力環(huán)境（100～120 kPa）以及多種環(huán)境溫度（5℃和25℃），表1中給出了部分的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表1 Naturalhy中部分工況的結(jié)果Table 1 Results of some working conditions in Naturalhy

從Naturalhy的研究結(jié)果中可以知道：（1）甲烷通過管道擴(kuò)散有一定的遲滯時(shí)間，而氫氣通過管道擴(kuò)散的遲滯時(shí)間為零；（2）甲烷和氫氣的滲透速率隨內(nèi)部壓力的增大而增大；（3）氫氣在PE中的滲透系數(shù)至少是甲烷的4 ～ 5倍，因此，氫氣在泄漏氣體中所占據(jù)的比例要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其在混合氣中的分壓比；（4）氫氣在PVC等材料中的滲透更加嚴(yán)重；（5）實(shí)驗(yàn)中各種材料下得到的氣體損失數(shù)據(jù)均低于理論推算的數(shù)據(jù)；（6）管道的老化似乎對(duì)氣體的滲漏系數(shù)幾乎沒有影響。其中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算外推數(shù)據(jù)的區(qū)別主要是實(shí)驗(yàn)條件不同，在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)中的相關(guān)數(shù)據(jù)多是基于基礎(chǔ)測(cè)量，所用材料多為膜狀材料。而實(shí)際情況中要復(fù)雜得多，一是使用的是混合氣體而非純氫；二是厚的管道會(huì)有效阻礙氫氣的滲透，降低氣體的泄漏量，因此導(dǎo)致理論外推結(jié)果的高估。后續(xù)GTI（gas technology institute）收集了IEA（international energy agency）等組織的技術(shù)報(bào)告及Naturalhy項(xiàng)目的報(bào)告，對(duì)相關(guān)材料的滲透性進(jìn)行了總結(jié)。各種典型塑料管道的材料及相關(guān)彈性體對(duì)氫氣和甲烷的滲漏性能如表2所示。

由表2可知，氫氣在絕大部分用于制作密封件的橡膠等彈性體中的滲漏系數(shù)比在管道材料中的滲漏系數(shù)要高得多，因此該位置更容易發(fā)生泄漏，但是由于氣體接觸面積的原因，主要還是從管道位置滲漏氣體。對(duì)于鋼和球磨鑄鐵等金屬管道系統(tǒng)中，氣體主要是通過螺紋或機(jī)械連接關(guān)節(jié)發(fā)生泄漏。GTI對(duì)天然氣和氫氣在此種情況下的泄漏情況進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：氫氣比天然氣的滲透速率高了3倍。

表2 各種材料對(duì)氣體的滲漏性能Table 2 Gas leakage performance of various materials

總的來(lái)說(shuō)，盡管接口處和密封件位置氣體更容易泄漏，且氫氣在此處的滲透率相對(duì)于天然氣更高，但是由于氣體接觸面積的關(guān)系，氣體的滲漏主要由管道材料所決定，管道材料中氫氣的滲透速率比天然氣高4～5倍，使得滲漏氣體總量增加，摻混20%氫氣會(huì)使氣體的滲漏總量翻倍，雖然從經(jīng)濟(jì)角度上講，這些損失是微不足道的，但是從安全的角度上講，可能會(huì)帶來(lái)一些問題。

2.3 摻氫對(duì)管道輸氣功率的影響

輸氣功率用于評(píng)價(jià)管道對(duì)氣體的輸運(yùn)能力，其定義為單位時(shí)間內(nèi)管道輸運(yùn)氣體的負(fù)荷，即單位時(shí)間內(nèi)通過管道的混合氣體體積熱值與氣體流量的乘積。華中科技大學(xué)的黃明等[30]對(duì)此功率進(jìn)行了計(jì)算，其結(jié)果如圖3所示，從圖中可知，保持壓力降恒定的條件下隨著摻氫比例的提高，管道輸氣功率呈下降趨勢(shì)，但在氫氣比例高于83%后，輸運(yùn)功率出現(xiàn)了小幅的回升，但是相較于原本天然氣的輸氣功率仍然要低得多。出現(xiàn)回升主要是由于相同壓力降下，氫氣的氣體流量要高得多。

圖3 固定壓力降，輸氣功率隨摻氫比的變化Fig. 3 Variation of gas transmission power with hydrogen doping ratio under fixed pressure drop

由圖4可知，若固定壓力降，輸氣功率下降明顯，因此若想保持管道的輸氣能量不變，則需要進(jìn)一步改變管道兩端的壓力，增加其壓力降。因此黃明等[30]又對(duì)壓力降對(duì)輸氣功率的影響進(jìn)行了研究，其結(jié)果如圖4所示，壓力降增加能夠顯著增加氣體的輸氣功率，在中壓條件下，混合氣體中氫氣的體積分?jǐn)?shù)為0.23時(shí)，為保證輸氣功率不變，則起點(diǎn)壓力需從0.38 MPa增大到0.384 MPa。在低壓條件下，混合氣體中氫氣的體積分?jǐn)?shù)為0.23時(shí)，為保證輸氣功率不變，則起點(diǎn)壓力需從7 kPa增大到7.3 kPa。這說(shuō)明微小提升壓力降，就能保證管道的輸氣能力不變。

圖4 壓力降對(duì)輸氣功率的影響 (a) 中壓管道(b) 低壓管道Fig. 4 Effect of pressure drop on gas transmission power (a)Medium pressure pipeline(b) Low pressure pipeline

重慶大學(xué)的吳嫦[31]利用Pipeline studio軟件對(duì)重慶某片區(qū)的整體管道網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了模擬分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)天然氣氣源點(diǎn)是最佳摻氫點(diǎn)，當(dāng)摻氫比例低于25%時(shí)，摻氫對(duì)整個(gè)管網(wǎng)的水力工況影響不大。

3 天然氣摻氫終端燃?xì)饩邞?yīng)用

從燃燒特征理化參數(shù)來(lái)看，氫氣具有強(qiáng)反應(yīng)性、強(qiáng)擴(kuò)散性特征，與天然氣性質(zhì)差異顯著，氫氣層流火焰速度約為天然氣7倍，天然氣摻氫會(huì)對(duì)燃燒器終端產(chǎn)生較大影響。富氫天然氣家用燃?xì)饩呤菄?guó)際燃?xì)饫妙I(lǐng)域的重要課題，目前全球家用燃?xì)淙細(xì)饩咴囼?yàn)、示范項(xiàng)目約有40個(gè)。國(guó)外具有代表性的天然氣摻氫研究及示范主要有歐盟的Naturalhy項(xiàng)目、美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室管道摻氫項(xiàng)目、荷蘭“可持續(xù)埃姆蘭”項(xiàng)目以及法國(guó)GRHYD項(xiàng)目等。其中荷蘭可持續(xù)埃姆蘭項(xiàng)目在2007年啟動(dòng)，該項(xiàng)目對(duì)家用燃具不同的材料和接頭進(jìn)行了測(cè)試，確定摻氫對(duì)管道及接頭的影響，為燃?xì)淙細(xì)饩叩氖袌?chǎng)準(zhǔn)入提供了依據(jù)。清華大學(xué)、西安交通大學(xué)聯(lián)合相關(guān)企業(yè)開展了摻氫天然氣在民用燃?xì)饩呱系倪m應(yīng)性研究，萬(wàn)和電氣開展了富氫天然氣熱水器、燃具的制造及國(guó)產(chǎn)化核心零部件研發(fā)，推出了適應(yīng)氫氣混合比例不超過20%的富氫燃?xì)獾漠a(chǎn)品以及純氫燃?xì)饩?，在家用燃?xì)淙細(xì)饩哳I(lǐng)域取得了一定成果。國(guó)家電投集團(tuán)在遼寧朝陽(yáng)開展了天然氣摻氫示范項(xiàng)目，第一階段工程已順利實(shí)施。

3.1 天然氣摻氫在灶具中的燃燒應(yīng)用

由于期望能夠?qū)錃庖胩烊粴夤芫W(wǎng)中直接使用，不對(duì)終端的設(shè)備進(jìn)行較大改變，因此應(yīng)對(duì)摻氫天然氣的互換性進(jìn)行基礎(chǔ)理論的分析，判斷氣體摻混比例是否適合。表3給出各類互換性判別方法的綜合結(jié)果。由表3可得，各方法的結(jié)果各不相同，單一使用某一標(biāo)定方法會(huì)有局限性，所以應(yīng)結(jié)合各個(gè)指數(shù)判定結(jié)果以確定最優(yōu)摻氫比。考慮到我國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13611—2018《城鎮(zhèn)燃?xì)夥诸惡突咎匦浴穂32]中，推薦進(jìn)行燃?xì)饣Q性分析判斷時(shí)采用華白數(shù)和燃燒勢(shì)共同判斷方法，因此可得氫氣百分比低于24%時(shí)摻氫天然氣能夠替代天然氣的結(jié)論。

表3 互換性判定綜合結(jié)果Table 3 Comprehensive results of interchangeability determination

在對(duì)摻氫天然氣的互換性進(jìn)行基礎(chǔ)理論的分析之后，重慶大學(xué)的黃明等[30]通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步研究了摻混氫氣的天然氣在現(xiàn)有家用灶具中的燃燒特性，并得出以下結(jié)論：（1）對(duì)于灶具熱負(fù)荷，其隨摻氫比的上升而下降，由于《家用燃?xì)庠罹摺罚℅B 16410—2007）中規(guī)定燃燒器的實(shí)測(cè)折算熱負(fù)荷與額定熱負(fù)荷的偏差應(yīng)在 ±10%以內(nèi)，因此只有在摻氫比小于20%以內(nèi)時(shí)，天然氣摻氫不影響家用燃?xì)庠畹恼Ｊ褂茫唬?）對(duì)于一次空氣系數(shù)和熱效率，二者都隨摻氫比上升而上升，因此在空氣系數(shù)和熱效率上摻氫有利于天然氣的高效利用；（3）對(duì)于污染物，CO，NO，NOx均隨摻氫比上升而下降，因此摻氫有利于碳中和和降低污染物的排放。

國(guó)外的研究者同樣進(jìn)行了很多相關(guān)研究。英國(guó)的Judd等[33]的研究同樣表明對(duì)于常用家用灶具，其正常工作為摻氫比低于23%，結(jié)論由華白數(shù)和回火指數(shù)分析得出。Naturalhy項(xiàng)目的研究表示氫濃度高達(dá)28%的情況下可以安全地使用現(xiàn)有的灶具。荷蘭“可持續(xù)埃姆蘭”項(xiàng)目與法國(guó)GRHYD項(xiàng)目中均證明了20%氫氣的添加并不會(huì)對(duì)灶具產(chǎn)生可見的影響。HyDeploy項(xiàng)目前期的預(yù)實(shí)驗(yàn)中，大部分的灶具均通過了30%氫氣比例的測(cè)試。這些充分說(shuō)明低比例的氫氣添加并不會(huì)對(duì)廚房中家電的使用產(chǎn)生過多的影響。

3.2 摻氫天然氣在其他燃燒器中的應(yīng)用

對(duì)于鍋爐而言，情況有所不同。尤其是現(xiàn)在的冷凝鍋爐多是采用預(yù)混燃燒的模式，與灶具中的非預(yù)混燃燒有一定的差異。意大利的Schiro等[34]研究了富氫條件下鍋爐燃燒性能的改變。隨著摻氫比的增加，鍋爐的碳排放會(huì)有所降低，因此氫氣的添加能夠降低單位能量消耗所導(dǎo)致的碳排放，但是低摻氫比例下作用并不明顯。同時(shí)，由于氫氣的體積熱值相較甲烷要低得多，因此想要達(dá)到相同的負(fù)荷所需燃料流量也會(huì)隨之增加，但是對(duì)于預(yù)混燃燒而言，保持相同當(dāng)量比時(shí)所需的空氣流量同樣隨摻氫比例的增加而減少，但總體而言，總流量隨摻氫比例的增加而輕微增加，如圖5(a)所示。研究者同樣評(píng)估了氫氣的摻加對(duì)最大冷凝水量的影響，相同的輸出功率下，氫氣的添加會(huì)導(dǎo)致最大冷凝水量的增加，其結(jié)果如圖5(b)所示。

圖5 摻氫比對(duì)功率和冷凝水的影響. (a)相同功率下氣體流量隨摻氫比的變化, (b)冷凝水隨摻氫比例的變化Fig. 5 Effect of hydrogen doping ratio on power and condensate. (a) Change of gas flow with hydrogen doping ratio at the same power, (b) change of condensate with hydrogen doping ratio

最大冷凝水量的增加可能需要重新評(píng)估熱交換器的設(shè)計(jì)以達(dá)到最大效率。同時(shí)由于氫氣的燃燒速度要高于甲烷，因此摻加氫氣后要增加氣體的流速以防止發(fā)生回火，其恰好與氣體流量的增加相對(duì)應(yīng)，但是高摻氫比下仍需要對(duì)流道進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。同時(shí)摻氫也會(huì)對(duì)鍋爐原有的檢測(cè)手段產(chǎn)生影響，現(xiàn)有的檢測(cè)設(shè)備對(duì)摻氫火焰雖然同樣適用，但是其安裝位置與相應(yīng)的閾值在高摻氫比例下可能需要重新調(diào)整，同時(shí)氫氣火焰的可視化診斷可能也會(huì)是氫氣應(yīng)用的一個(gè)挑戰(zhàn)。總體而言，研究者認(rèn)為對(duì)于低于20%的氫氣比例，現(xiàn)有的鍋爐可以直接使用，對(duì)于更高的氫氣比例，鍋爐需要進(jìn)行一定程度的改造以確保其使用效率不受影響。同時(shí)荷蘭“可持續(xù)埃姆蘭”項(xiàng)目與法國(guó)GRHYD項(xiàng)目以及英國(guó)的HyDeploy項(xiàng)目等示范項(xiàng)目也對(duì)鍋爐進(jìn)行了測(cè)試，在整個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行中鍋爐均未因?yàn)閾綒涠鴮?dǎo)致額外的事故發(fā)生。其中荷蘭“可持續(xù)埃姆蘭”項(xiàng)目更是測(cè)試了三種不同類型的鍋爐，均能正常工作，而英國(guó)HyDeploy項(xiàng)目中更是測(cè)試了功率達(dá)600 kW的大型鍋爐，其表現(xiàn)正常。而這些項(xiàng)目中均未對(duì)鍋爐進(jìn)行專門的改造，這足以說(shuō)明低比例氫氣在鍋爐中的適用性。

對(duì)于氣體發(fā)動(dòng)機(jī)和氣體燃?xì)廨啓C(jī)等，情況較為復(fù)雜[22]，盡管摻氫天然氣在燃機(jī)的生產(chǎn)、儲(chǔ)存、分配和燃燒方面具有多種優(yōu)勢(shì)和協(xié)同效應(yīng)，但需要對(duì)其系統(tǒng)及控制程序進(jìn)行簡(jiǎn)單地修改，從而使燃料與燃機(jī)的性能進(jìn)行匹配，如果直接將燃料進(jìn)行替換，則會(huì)影響到熱機(jī)的效率以及安全性。

3.3 天然氣摻氫輸運(yùn)經(jīng)濟(jì)學(xué)分析

天然氣摻氫輸運(yùn)經(jīng)濟(jì)學(xué)分析以天然氣摻氫輸氣的成本為研究對(duì)象，目標(biāo)是分析在不同氫氣價(jià)格及不同摻氫比情況下，輸氣成本的一般變化規(guī)律。輸氣成本C的表達(dá)式為

式中每平方米天然氣價(jià)格PCH4為2.5元，模型的輸入信息有氫氣價(jià)格PH2，摻氫比α，輸出信息為輸氣成本C。

式(2)為輸氣增量比β的表達(dá)式，由于氫氣的體積熱值比氫氣小，因此天然氣摻氫時(shí)為保證總輸氣熱量不變（設(shè)單位熱量為標(biāo)況下1 m3的天然氣的熱量，即 3 9 MJ ），應(yīng)有更多的氣量輸運(yùn)。參考文獻(xiàn)[35]氫氣和天然氣的體積熱值分別為HH2= 13 MJ/m3，HCH4= 39 MJ/m3。

分別在α= 0.1, 0.2, 0.5, 1的不同摻氫比下作圖，研究氫氣價(jià)格、摻氫比與輸氣成本的關(guān)系。得到結(jié)果如圖6。

圖6 輸氣成本隨氫氣價(jià)格、摻氫比的變化Fig. 6 Variation of gas transmission cost with hydrogen price and hydrogen blending ratio

根據(jù)圖6可以得出在當(dāng)前氫氣價(jià)格1.8～7 ￥/m3的范圍內(nèi)，輸氣成本比原輸運(yùn)天然氣高。預(yù)計(jì)在2030年，氫氣價(jià)格會(huì)降至0.9～1.5 ￥/m3，摻氫不會(huì)使輸氣成本增加。預(yù)計(jì)在2050年，氫氣價(jià)格會(huì)降至0.62 ￥/m3，摻氫使輸氣成本降低。當(dāng)氫氣價(jià)格為0.94 ￥/m3時(shí)，恰好處于臨界價(jià)格，即摻氫不會(huì)使輸氣成本增加。大于臨界價(jià)格時(shí)，成本隨摻氫比上升而明顯上升。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)國(guó)際上現(xiàn)有的具有代表性的天然氣摻氫的研究及示范項(xiàng)目進(jìn)行了調(diào)研總結(jié)，包括歐盟的Naturlhy項(xiàng)目，荷蘭“可持續(xù)埃姆蘭”項(xiàng)目，法國(guó)GRHYD項(xiàng)目，英國(guó)HyDeploy項(xiàng)目等示范性項(xiàng)目。同時(shí)從天然氣摻氫與天然氣管道材料的相容性、摻氫天然氣的管道泄漏問題以及摻氫對(duì)管道輸氣功率的影響三個(gè)方面對(duì)天然氣摻氫管道輸運(yùn)開展了調(diào)研研究，并分析了天然氣摻氫對(duì)終端燃?xì)饩叩挠绊?，通過經(jīng)濟(jì)性分析核算了天然氣摻氫的輸運(yùn)成本。本文主要得出以下結(jié)論。

（1）國(guó)際天然氣摻氫的示范研究表明，低比例的氫氣（20%）加入天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)中并不會(huì)造成相關(guān)事故風(fēng)險(xiǎn)及危害的明顯增加，在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行輕微改變的情況下最高可以允許50%的氫氣摻入天然氣的管網(wǎng)系統(tǒng)。同時(shí)指出燃?xì)饨K端對(duì)氫氣比例的要求是最敏感的，決定了摻氫比例的上限。多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)下廚房灶具等在不進(jìn)行任何改造的情況下可以接受24%以下的氫氣比例。各地所允許的最大氫氣含量由適當(dāng)調(diào)整過的傳統(tǒng)家電的安全規(guī)章以及當(dāng)?shù)氐奶烊粴赓|(zhì)量所共同決定，各地的標(biāo)準(zhǔn)有所不同。

（2）對(duì)于管道系統(tǒng)而言，摻入的氫氣會(huì)一定程度上影響天然氣管道網(wǎng)絡(luò)的總體運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，隨著摻氫比例的增加風(fēng)險(xiǎn)會(huì)不斷增大，但是低比例的摻氫導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)增加在可接受范圍內(nèi)。鑒于各個(gè)國(guó)家在天然氣成分、管道條件和管道材料上的不同，我國(guó)應(yīng)根據(jù)實(shí)際的管路、氣體具體情況開展對(duì)于天然氣摻氫的分析研究。

（3）對(duì)應(yīng)用終端而言，多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)下廚房灶具等在不進(jìn)行任何改造的情況下可以接受24%以下的摻氫比例，鍋爐在20%以下比例氫氣中也不需過多調(diào)整，但是高比例的氫氣摻入需要對(duì)燃燒器進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。對(duì)于摻氫經(jīng)濟(jì)性而言，以目前氫氣價(jià)格摻氫會(huì)使成本上升，預(yù)計(jì)在2030年后，每平方米氫氣價(jià)格低于0.94元，摻氫會(huì)降低管道輸運(yùn)成本。