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1 國外城燃管網(wǎng)摻氫發(fā)展現(xiàn)狀及規(guī)劃情況

2000 年以來，全球主要發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體逐步開展了天然氣摻氫相關(guān)應(yīng)用技術(shù)研究。根據(jù)IEA 數(shù)據(jù)顯示，目前全球共有超過40 個(gè)天然氣管網(wǎng)摻氫示范項(xiàng)目，重點(diǎn)研究了不同摻氫比例對天然氣輸配基礎(chǔ)設(shè)施、計(jì)量監(jiān)測及終端應(yīng)用設(shè)備等的影響等[1]。

以歐美為例，英國HyDeploy 城燃管網(wǎng)摻氫試驗(yàn)項(xiàng)目摻氫比例最高達(dá)到30%，且當(dāng)摻氫比例低于20%可實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行；意大利SNAM 公司實(shí)現(xiàn)城燃管網(wǎng)混氫比例10%以下穩(wěn)定運(yùn)行；荷蘭Ameland 公司于2008～2011年實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)年均摻氫12%；北美因天然氣和頁巖氣資源稟賦較好，對摻氫探索較歐洲保守，但已有實(shí)驗(yàn)證明，摻氫比例不高于5%時(shí)，幾乎不會影響天然氣鍋爐和燃?xì)庠畹冉K端設(shè)備的使用。天然氣基礎(chǔ)設(shè)施耐氫性研究結(jié)果見圖1。

圖1 天然氣基礎(chǔ)設(shè)施耐氫性研究結(jié)果

應(yīng)用場景方面，國外摻氫項(xiàng)目混合氣終端利用多為直接燃燒，多數(shù)用于民用灶具。根據(jù)目前實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，在摻氫比例不高于30%時(shí)，下游設(shè)備對氫氣具備的較好適應(yīng)性。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方面，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。如歐洲壓縮氣體協(xié)會的CGAG- 5.6- 2005 （Reaffirmed 2013） 《Hydrogen Pipeline Systems》、美國機(jī)械工程師協(xié)會的ASME B31.12—2019《氫氣管道和管線》（壓力管道規(guī)范）、亞洲工業(yè)氣體協(xié)會的AIGA 033/ 06- 2006 《Hydrogen Transportation Pipelines》（氫氣運(yùn)輸管道規(guī)范）等。

發(fā)展規(guī)劃方面，英國計(jì)劃投入227 億英鎊，于2028 年在英格蘭北部向數(shù)百萬家庭提供摻氫天然氣；法國計(jì)劃2030 年實(shí)現(xiàn)天然氣管網(wǎng)摻氫比例不低于20%；意大利SNAM 公司計(jì)劃通過摻氫每年向300 萬戶家庭提供70億m3氫氣；德國計(jì)劃2030 年實(shí)現(xiàn)天然氣管網(wǎng)摻氫輸送比例不低于10%，并提出將建設(shè)總里程達(dá)5900km 的輸氫網(wǎng)絡(luò)，其中90%將依托現(xiàn)有天然氣管道改造；俄羅斯計(jì)劃未來每年向歐洲提供最高20%比例氫氣的混合氣[2]。

2 我國城燃管網(wǎng)摻氫發(fā)展現(xiàn)狀及前景分析

國內(nèi)城燃管網(wǎng)摻氫處于起步期，唯一摻氫項(xiàng)目（遼寧朝陽燕山湖摻氫示范項(xiàng)目）也處于試驗(yàn)階段，項(xiàng)目采用綠電制氫（產(chǎn)能1000m3/ h）后進(jìn)入城燃管網(wǎng)。此外，張家口摻氫示范項(xiàng)目處于前期研究階段，該項(xiàng)目計(jì)劃氫氣輸送量達(dá)440 萬m3/ a，下游用戶主要為居民、公服及CNG 汽車交通；深圳、佛山等地也啟動了城燃管網(wǎng)摻氫前期研究及示范項(xiàng)目方案研究。

摻氫天然氣物性方面，摻氫天然氣氣質(zhì)組分隨著摻氫比例上升而變化，甲烷含量降低、氫氣含量上升，造成同等標(biāo)準(zhǔn)體積下天然氣熱值、華白數(shù)增大及燃燒速度指數(shù)減小，目前國內(nèi)城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)施均按照《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50028—2006）基于12t 基準(zhǔn)氣性能指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，天然氣熱值標(biāo)準(zhǔn)值為37.78MJ/ m3、華白數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值為50.73MJ/ m3、燃燒速度指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值為40.3。當(dāng)摻氫比例10%時(shí)，天然氣熱值降至35.6MJ/ m3；當(dāng)摻氫比例20%時(shí)，天然氣熱值降至33.1MJ/ m3，當(dāng)摻氫比例低于23%時(shí)，摻氫天然氣的性能指數(shù)仍處于規(guī)范準(zhǔn)許波動范圍內(nèi)，滿足終端用戶設(shè)備互換性要求。

技術(shù)可行性方面，我國城燃管網(wǎng)通常采用中、低壓兩級壓力機(jī)制，管網(wǎng)運(yùn)輸壓力一般低于4MPa，管道材質(zhì)一般采用低強(qiáng)度鋼和非金屬聚乙烯[3]，研究認(rèn)為，我國輸配管網(wǎng)在摻氫比例低于20%且氫氣分壓低于0.8MPa 時(shí)，不會對天然氣管道造成顯著影響，管道的氫脆基本可以忽略。在此工況下，燃?xì)庠O(shè)施實(shí)測熱負(fù)荷與額定熱負(fù)荷偏差一般小于6%[4]，低于《家用燃?xì)庠罹摺罚℅B 16410—2007）規(guī)定的±10%。另外，因工業(yè)燃?xì)庠O(shè)施類型多樣化，難以界定不同摻氫比例所引發(fā)的普遍影響，需基于特定工業(yè)用戶制定適用的摻氫標(biāo)準(zhǔn)；交通方面，CNG 汽車摻氫比例不宜高于18%否則容易出現(xiàn)發(fā)動機(jī)爆震現(xiàn)象。

經(jīng)濟(jì)可行性方面，不同于純氫管道、液氫和高壓氫氣運(yùn)輸，管道摻氫運(yùn)輸可充分利用現(xiàn)有城燃管網(wǎng)設(shè)施，運(yùn)輸成本僅需考慮管道可變運(yùn)行費(fèi)用，約0.05 元/ m3。氫氣制取成本方面，工業(yè)副產(chǎn)制氫無需增加額外資本及原料投入，制氫成本優(yōu)勢明顯僅0.9～1.45 元/ m3；若按風(fēng)光平價(jià)上網(wǎng)電價(jià)測算，電解水制氫成本約1.3～1.7 元/ m3，順價(jià)至終端氫氣成本約0.95～1.75 元/ m3，與等熱值交通用天然氣成本相近。遠(yuǎn)期，隨著綠電成本進(jìn)一步下降，若制氫成本低于0.8 元/ m3（度電成本低于0.13 元/ kWh），則氫能可與天然氣實(shí)現(xiàn)競爭，推動城市氫能整體替代。

發(fā)展前景方面，一是，受雙碳目標(biāo)下可再生主體能源定位推動和分散領(lǐng)域碳捕集需求增加，城鎮(zhèn)氫能中遠(yuǎn)期利用前景廣闊。《中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書》預(yù)測，2050 年我國氫能需求量約6000 萬t（6700 億m3氫氣），實(shí)現(xiàn)在居民、公服、交通、工業(yè)等終端領(lǐng)域普及應(yīng)用，在終端能源消費(fèi)占比將達(dá)到10%；結(jié)合國網(wǎng)能源研究院對我國中長期電力需求結(jié)構(gòu)預(yù)測，2050 年可再生能源制氫量將達(dá)到4000 萬t（4500 億m3氫氣），占總需求的67%。二是城燃管網(wǎng)摻氫將呈現(xiàn)“先摻后替”發(fā)展趨勢。根據(jù)相關(guān)機(jī)構(gòu)研究成果，我國城燃用氣高峰預(yù)計(jì)在2035～2040 年，居民公服用氣2040 年達(dá)峰峰值880 億m3，之后逐漸進(jìn)入平臺期、下降期；采暖用氣穩(wěn)增快降，逐步向調(diào)峰熱源轉(zhuǎn)變，2040 年峰值630 億m3；交通用氣CNG 逐年萎縮，LNG保持增長，2040 年峰值580 億m3。后期為實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)需進(jìn)一步加強(qiáng)小型化、分散式等不易碳捕集領(lǐng)域用能替代，2060 年我國城燃天然氣用量預(yù)計(jì)將下降至560 億m3。假設(shè)2040 年以前以摻氫為主（摻氫比例按20%計(jì)），則2040 年左右我國城燃管網(wǎng)摻氫量可達(dá)320 億m3，后期隨著城市用天然氣規(guī)模下降，城燃管道利用率將進(jìn)一步下降，2060 年摻氫量可達(dá)140 億m3。城燃設(shè)施將逐步向純氫輸送轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)氫能對天然氣逐步替代。

支持政策方面，目前城燃管網(wǎng)摻氫行業(yè)相關(guān)政策相對較少，呈現(xiàn)“頂層設(shè)計(jì)缺失、地方政策主導(dǎo)”特征。國家層面，尚未出臺明確支持政策，僅國務(wù)院新聞辦公室發(fā)布的《新時(shí)代的中國能源發(fā)展》提出“打造氫能技術(shù)應(yīng)用場景，加速發(fā)展綠氫制取、儲運(yùn)和應(yīng)用等氫能產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)裝備”。地方層面，部分省市實(shí)現(xiàn)先行，北京、天津、山東等地已陸續(xù)出臺管道摻氫相關(guān)政策，如2021 年10 月山東濰坊市發(fā)改委發(fā)布《關(guān)于支持氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的若干政策（征求意見稿）》，明確提出鼓勵(lì)天然氣管道摻氫及純氫管網(wǎng)建設(shè)，對天然氣管道摻氫項(xiàng)目按摻混站設(shè)備投資額30%進(jìn)行補(bǔ)貼，單個(gè)摻混站補(bǔ)貼不超過200 萬元；對總長度不少于5km 的純氫管道項(xiàng)目，按純氫管道設(shè)備投資額30%進(jìn)行補(bǔ)貼，補(bǔ)貼總額不超過300 萬元。

主要問題方面，一是國內(nèi)天然氣管網(wǎng)摻氫的示范案例極少，缺乏理化基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。國內(nèi)僅遼寧朝陽燕山湖摻氫示范項(xiàng)目處于試驗(yàn)階段，尚未發(fā)現(xiàn)其他公司開展城市燃?xì)夤芫W(wǎng)摻氫示范工程，缺乏管道材料與摻氫天然氣的相容性、摻氫天然氣泄漏與爆炸、混燃可燃范圍及燃燒速率等技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，此外也缺乏摻氫天然氣運(yùn)輸成本、對管道系統(tǒng)折舊費(fèi)用影響、終端承受價(jià)格等經(jīng)濟(jì)技術(shù)數(shù)據(jù)，城市燃?xì)夤芫W(wǎng)摻氫仍處于探索階段。二是國內(nèi)城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)摻氫評價(jià)方法及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范基本處于空白。我國天然氣管道摻氫仍處于初期起步階段，面臨安全隱患不明晰、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范不完善等諸多問題，現(xiàn)階段開展摻氫試驗(yàn)仍以參照國外標(biāo)準(zhǔn)體系為主。國家標(biāo)準(zhǔn)《進(jìn)入天然氣長輸管道的氣體質(zhì)量要求》（GB/ T 37124—2018）首次規(guī)定天然氣中最大允許含氫摩爾分?jǐn)?shù)≤3%，但主要針對管輸天然氣質(zhì)量要求，不適用于摻氫運(yùn)輸行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。隨著市場主體對天然氣管網(wǎng)摻氫標(biāo)準(zhǔn)需求日益突出，如《氫氣輸送工業(yè)管道技術(shù)規(guī)程》等摻氫領(lǐng)域相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)正加快制定中。

3 城燃公司開展摻氫業(yè)務(wù)優(yōu)劣勢分析

雙碳愿景下，城燃業(yè)務(wù)峰值將出現(xiàn)在2035～2040 年，后續(xù)將進(jìn)入下降期，傳統(tǒng)城燃公司做好業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)型是保障行業(yè)中長期可持續(xù)發(fā)展的前提。整體來看，城燃公司開展管網(wǎng)摻氫具有“兩大優(yōu)勢、兩大劣勢”。優(yōu)勢方面，一是具有城市燃?xì)夤芫W(wǎng)基礎(chǔ)優(yōu)勢和用戶優(yōu)勢?；谘芯砍晒A(yù)計(jì)2025 年我國城燃用氣約為1200 億m3，考慮摻氫比例20%，城燃行業(yè)摻氫業(yè)務(wù)發(fā)展空間達(dá)240 億m3。二是具有儲運(yùn)設(shè)施運(yùn)營管理經(jīng)驗(yàn)優(yōu)勢。傳統(tǒng)城燃公司在銷售城市燃?xì)獾耐瑫r(shí)，還負(fù)責(zé)終端管網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的運(yùn)營與維護(hù)，具有豐富的儲運(yùn)設(shè)施運(yùn)營和管理經(jīng)驗(yàn)，有利于保障摻氫業(yè)務(wù)安全運(yùn)行。劣勢方面，一是缺乏相關(guān)技術(shù)儲備。我國氫能業(yè)務(wù)起步較晚，傳統(tǒng)城市燃?xì)夤踞槍芫W(wǎng)摻氫尚未實(shí)質(zhì)開展相關(guān)業(yè)務(wù)試點(diǎn)和技術(shù)開發(fā)，發(fā)展基礎(chǔ)薄弱。二是資源錯(cuò)配，不利于規(guī)?；_展摻氫業(yè)務(wù)。

4 建議

（1）啟動終端管網(wǎng)摻氫基礎(chǔ)研究和科技專項(xiàng)攻關(guān)，并推進(jìn)試點(diǎn)示范項(xiàng)目。目前的研究多是在純氫環(huán)境展開，需深入探究實(shí)際摻氫天然氣環(huán)境下以及不同氣體雜質(zhì)（O2、CO 等）環(huán)境下的氫脆問題。建議開展城市燃?xì)夤芫W(wǎng)摻氫業(yè)務(wù)發(fā)展專題研究，全面系統(tǒng)進(jìn)行城市燃?xì)夤芫W(wǎng)摻氫機(jī)會分析研究，研判我國不同區(qū)域摻氫市場空間。啟動科技專項(xiàng)攻關(guān)，理清不同工況和組分下混合氣體對管道、壓縮機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、計(jì)量設(shè)施等適應(yīng)性要求，制定傳統(tǒng)設(shè)施改進(jìn)技術(shù)方案。從以下幾個(gè)方面實(shí)現(xiàn)技術(shù)升級：提高檢測設(shè)備對混氫天然氣的敏感程度；提高氣相色譜儀組分檢測精度；建立不同工況下壓縮機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)適應(yīng)性運(yùn)行方案；提高超聲波流量計(jì)計(jì)量精度；形成適用于我國的高鋼級混氫輸送管道評價(jià)方法及評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。建議同步在全國范圍內(nèi)合理選取試點(diǎn)示范項(xiàng)目，推動城燃管網(wǎng)摻氫示范工程，積累不同鋼級、不同年限、不同摻氫比例等基礎(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立完整可行性評估體系。

（2）加快制定城燃管網(wǎng)摻氫行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)?！短烊粴夤艿罁綒漭斔鸵?guī)范》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定是我國規(guī)?；l(fā)展城市燃?xì)鈸綒涞闹匾A(chǔ)，是城燃行業(yè)低碳綠色發(fā)展的根本支撐，可助力我國早日實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)。

（3）研制適應(yīng)摻氫利用的終端設(shè)備。一方面天然氣摻氫后將降低熱值、華白數(shù)等參數(shù)，增大火焰燃燒速度引發(fā)燃具回火風(fēng)險(xiǎn)，降低燃?xì)庠睢⒐I(yè)鍋爐燃燒效率；另一方面現(xiàn)有終端檢測設(shè)備（如氣體檢測設(shè)備、氣相色譜儀、火焰電離檢測和熱傳導(dǎo)傳感器等）對氫氣不敏感，摻氫會對檢測結(jié)果可靠性和精度有較大影響[5]。建議研制適應(yīng)摻氫工況的燃具、爐具以及相關(guān)配套設(shè)備，從用戶側(cè)擴(kuò)大摻氫天然氣消費(fèi)空間，從生產(chǎn)側(cè)增加城燃及周邊業(yè)務(wù)盈利點(diǎn)，有力推動我國城燃行業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型。