上海天然氣管網(wǎng)有限公司 魏 星

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)?；鞖涮烊粴夤艿垒斔褪墙鉀Q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[1]。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(jìn)入 21世紀(jì)以來，歐洲國家率先開始進(jìn)行天然氣摻氫的研究和示范項目，例如歐盟“天然氫”(Natural Hydrogen)項目、荷蘭“可持續(xù)阿默蘭島”(Sustainable Ameland)項目、德國DVG項目、法國 GRHYD項目、英國 Hydeploy項目和“H21利茲市門”(H21 Leeds City Gate)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?。此外，俄羅斯天然氣工業(yè)股份公司近期宣布將逐步提高通往歐洲的“北溪2號”天然氣管道中的氫氣含量，減少二氧化碳排放以提升其氣質(zhì)的競爭力。

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(tuán)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(jìn)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(jìn)行運(yùn)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?；鞖涮烊粴廨敋浼夹g(shù)具有如下優(yōu)勢：

圖1 混氫天然氣管道輸送及相關(guān)技 術(shù)線路

(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(yùn)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(jì)”的重要過渡性技術(shù)[2]。

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(yùn)、加氫等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)有序進(jìn)行，氫燃料電池性能已滿足商業(yè)化需求[3]。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(jìn)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(yùn)。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(yùn)輸能力。

(3) 加氫站。有機(jī)液體儲氫是利用某些不飽和有機(jī)物與氫氣進(jìn)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(jī)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(jìn)。

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/T 33445-2016《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/T 37124-2018《進(jìn)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(jìn)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(jìn)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ASME B31.12-2019、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AIGA 033/06-2006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)。CGA G-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200 μL/L的管道系統(tǒng)。

國內(nèi)關(guān)于氫氣管道的標(biāo)準(zhǔn)有 GB 50177-2005《氫氣站設(shè)計規(guī)范》、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)境相容性試驗方法》等。GB 50177-2005適用于新建、改建、擴(kuò)建的氫氣站、供氫站及廠區(qū)和車間的氫氣管道設(shè)計。GB/T 34542.2-2018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(jī)、鍋爐及燃?xì)廨啓C(jī)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(jìn)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(qiáng)、密度小、爆炸區(qū)間范圍寬、最小點火能量低、火焰溫度高、擴(kuò)散系數(shù)大等特點，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，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(yùn)行工況、設(shè)備性能、安全維護(hù)及終端用戶產(chǎn)生影響[1]。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(jī)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(jìn)而影響管網(wǎng)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

4.1.1 管材的氫相容性

混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。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。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(kuò)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[4]。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(jìn)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[5]。同時，氫脆不僅影響管道材料，而且影響氣體壓縮機(jī)、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(jī)。往復(fù)式壓縮機(jī)的動力機(jī)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(jī)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(jī)的旋轉(zhuǎn)速度需提高，該旋轉(zhuǎn)速度會受到材料強(qiáng)度的限制，而該強(qiáng)度也會受到摻入氣體中的氫的影響，對離心式壓縮機(jī)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12 T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(jìn)一步進(jìn)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(jìn)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(jì)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(yùn)輸面臨諸多難題，而混氫天然氣管道輸送技術(shù)為氫氣運(yùn)輸提供了新的思路。混氫天然氣的使用能夠提高氫能在能源中的比例，減少對傳統(tǒng)化石燃料的依賴，還有助于擴(kuò)大氫的需求并通過規(guī)模化降低制氫成本。這對氫能在交通、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)。