天然氣摻氫管道輸運及終端應用1)

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

*(國家電投集團東北電力有限公司，沈陽 110181)?(朝陽燕山湖發(fā)電有限公司，遼寧朝陽 122099)

**(西安交通大學動力工程多相流國家重點實驗室，西安 710049)

??(國家電投集團科學技術研究院有限公司，北京 102209)

當前全球能源主要由三大化石能源石油、煤和天然氣供應。截止到2019年，石油、煤和天然氣在全球能源供應體系中合計占比為84%[1]。我國在2020年宣布了“2030碳達峰，2060碳中和”的目標，為了實現(xiàn)這一目標，必須改變現(xiàn)有的能源結構，大力發(fā)展風、光可再生能源。可再生能源的主要問題是波動性，氫是優(yōu)良的可再生能源儲能載體，氫能將在能源、石化、有色、航空、運輸?shù)戎T多領域助力深度脫碳[2]。

根據(jù)國際氫能委員會預測，到2050年，氫能將在世界范圍內(nèi)創(chuàng)造3 000萬個工作崗位，減少60億噸二氧化碳排放，創(chuàng)造25萬億美元產(chǎn)值，在全球能源中所占比重有望達到18%[3]。截至2020年6月，全國范圍內(nèi)省及直轄市級的氫能產(chǎn)業(yè)規(guī)劃超過10個，地級市及區(qū)縣級的氫能專項規(guī)劃超過30個。由國務院印發(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]《中國制造2025》[5]《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》[6]等國家綱領性規(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《政府工作報告》，明確將推動加氫等設施建設。2019年底，《能源統(tǒng)計報表制度》首度將氫氣納入2020年能源統(tǒng)計，15部門印發(fā)《關于推動先進制造業(yè)和現(xiàn)代服務業(yè)深度融合發(fā)展的實施意見》，推動氫能產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新、集聚發(fā)展，完善氫能制備、儲運、加注等設施和服務[7]。2020年4月，國家能源局發(fā)布《中華人民共和國能源法（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、儲存、輸運、應用四大環(huán)節(jié)，由于大規(guī)模儲氫成本高、氫燃料電池技術不成熟、氫氣基礎設施不完善，純氫的利用還需要相當長的時間，氫能運輸需要合適的管道網(wǎng)絡系統(tǒng)，而管道網(wǎng)絡的巨大基建費用阻礙了氫氣應用的進一步推廣。國外研究表明，氫氣管道的造價約為天然氣管道的2倍多[9]。利用現(xiàn)有天然氣管道進行天然氣摻氫的輸運可以節(jié)省龐大的基建成本，探索天然氣摻氫應用場景，是實現(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景之一是通過現(xiàn)有燃氣管網(wǎng)入戶實現(xiàn)在民用燃氣具終端上的使用。氫氣作為燃氣利用不僅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)化我國的能源供給結構。英國、德國、法國、荷蘭已經(jīng)開始逐步實施天然氣管網(wǎng)摻氫，用于終端設備的項目。但是國內(nèi)由于燃具和燃氣相關標準的欠缺，燃氣管網(wǎng)摻氫的適應性和安全性有待驗證，所以管道摻氫應用未進行有效推進。天然氣摻氫管道輸運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行，建立相應的規(guī)范和標準。同時，摻氫天然氣在燃氣具上應用的行業(yè)和國家標準尚未完善，阻礙了摻氫天然氣的應用推廣，天然氣摻氫在燃氣具中的燃燒特性與天然氣摻氫或純氫燃料本身的燃燒基礎特性密切相關，天然氣在摻混氫氣之后，燃氣的熱值、密度、燃燒、傳熱特性將發(fā)生變化，所以也需要對天然氣摻氫之后在終端的應用進行研究。本文充分調(diào)研了國際天然氣摻氫的研究和示范項目，包括天然氣管道摻氫的關鍵技術，天然氣摻氫在燃燒器中的應用，以及相關經(jīng)濟性分析，總結了項目結論和經(jīng)驗，為我國天然氣摻氫產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供經(jīng)驗指導。

1 天然氣摻氫研究與示范項目

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

1.1 歐盟Naturalhy項目

Naturalhy是一個綜合項目，從2004年1月5日啟動，項目持續(xù)時間為5年，項目總預算為1 730萬歐元。該項目由歐盟委員會通過第六框架計劃進行共同資助，項目團隊由39個合作伙伴組成，其中包含多家氣體商業(yè)公司，咨詢機構及高校，整體由荷蘭的天然氣基礎設施和運輸公司NV Nederlandse Gasunie統(tǒng)籌協(xié)調(diào)。Naturalhy項目主要目的有三條：（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]。整個項目內(nèi)容大致可以分為三個方面，第一是經(jīng)濟性方面，分析過渡性天然氣/氫氣系統(tǒng)的社會經(jīng)濟性影響；第二是技術方面，對使用摻氫天然氣技術過程中的安全性、耐用性和管道完整性的問題將進行調(diào)查并開發(fā)出新的設備；第三是決策方面，開發(fā)決策支持工具，以評估現(xiàn)有天然氣系統(tǒng)對氫氣/天然氣混合物的適用性。

對于輸氣網(wǎng)絡中管道的耐久性，研究結果表明：需要利用合適的方法減少氫氣對管道中材料的影響，主要由鋼鐵制成的輸運管道的使用壽命在氫氣的作用下有一定的降低。對于輸氣網(wǎng)絡中管道的完整性，研究結果表明：需要對整個輸運管道的完整性管理方案（pipeline integrity management system，PIMS）進行一定程度的修改以適應氫氣輸運的新工況。向供氣網(wǎng)絡中添加氫氣會導致燃氣引發(fā)的危害事件發(fā)生的可能性和危險程度進一步增加。摻氫天然氣在終端電器中應用的研究十分重要，Naturalhy項目對此方面的研究主要有如下結論：對于合適的最好是經(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到20%。對于固定的發(fā)動機以及燃氣輪機，需要對其進行新的調(diào)整和設計以讓其在使用摻氫天然氣時也能保持高效率。對于工業(yè)過程中需要使用天然氣的設備以及工業(yè)燃燒器均需要單獨的調(diào)整和重新設計，最好是進行所有工況的重新設計以保證其工作效率。

1.2 荷蘭可持續(xù)埃姆蘭項目

可持續(xù)埃姆蘭項目[13]是一個HCNG家用項目，于2007年啟動，項目周期為4年，在荷蘭Ameland島的公寓“Noorderlicht”實施，項目從民用角度展示了天然氣管網(wǎng)摻氫的應用前景。該項目的發(fā)起機構是GasTerra和Stedin，同時Joulz和Kiwa Gas Technology作為項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：測試網(wǎng)格），該公寓擁有14戶人家，且均有獨立的煤氣表、炊具和燃氣鍋爐可供測試。成功的能源過渡需要有廣泛的社會與群眾基礎，項目重點收集了終端用戶的經(jīng)驗和意見。

圖1 公寓小區(qū)“Noorderlicht”地圖、燃氣供應、攪拌機、燃氣網(wǎng)格Fig. 1 “Noorderlicht” map, gas supply, mixer and gas grid of apartment community

可持續(xù)埃姆蘭項目主要內(nèi)容有兩個方面，第一是對不同的材料和接頭進行了測試，確定摻氫對管道及接頭的機械和化學性能的影響；第二是對下游應用的三種廚具（內(nèi)置灶爐，獨立灶爐和帶電烤箱）進行污染物排放、回火、泄漏的測試。得出以下主要結論。

對于被檢測管道材料的物理老化、抗沖擊能力、拉伸強度、穩(wěn)定性等重要性能，氫氣的添加對其幾乎無影響。滲透試驗結果表明總體滲透率較低，預計不會導致任何安全問題，氫/天然氣混合物的滲透常數(shù)比純氫要低，同時研究中也沒有發(fā)現(xiàn)與氫有關的管道材料缺陷。對于測試的三種廚具，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氣的燃燒速度，但是廚具仍能夠通過回火測試。各個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，對相關部件的目視檢查也并沒有發(fā)現(xiàn)與氫有關的缺陷或污染。因此，三種廚具均能夠滿足法規(guī)對污染物排放、回火和泄漏的要求。

1.3 其他國家主要摻氫項目

法國、美國、英國等相繼開展了天然氣摻氫相關研究。法國GRHYD項目[14]的主要目標是：在居民住房中和公共運輸部門進行摻氫天然氣的應用示范，評估和驗證摻氫天然氣使用中面臨的技術問題以及相應的經(jīng)濟意義，項目整體思路如圖2。整個GRHYD項目由兩個示范項目組成，分別為工業(yè)規(guī)模的Hythane燃料項目，將摻氫天然氣應用于公共交通，氫氣比例從6%逐漸增加到20%，另一個是將氫氣注入天然氣管道中的項目。美國國家可再生能源實驗室(NREL)于2013年3月發(fā)布了《天然氣管道摻氫的關鍵技術報告》[15]，總結了美國多年來在天然氣摻氫方面的研究進展以及相關成果，同時也介紹了國際上主要的研究成果，提出應該對管道系統(tǒng)和天然氣的組分進行評估與檢測，將氫氣引入天然氣系統(tǒng)之前需要對現(xiàn)有天然氣的監(jiān)測以及管理手段進行一定的修改，同時也要綜合評估改造所需的成本與氫氣引入天然氣系統(tǒng)的收益之間的關系。英國的HyDeploy項目旨在證明將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項目總體可分為三個部分，第一部分是進行詳細的基礎實驗研究以建立起盡可能寬泛的數(shù)據(jù)庫，以此為基礎向安全管理部門（HSE）提出氣體安全管理條例的相關豁免申請，得到相關的許可之后才能進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)的相關設備，包括相應的管道以及閥門的安裝，同時對運行人員進行相關的安全培訓；第三部分就是實際的入戶示范，進行正式的示范項目。

圖2 GRHYD項目內(nèi)容Fig. 2 Contents of GRHYD project

2 天然氣摻氫管道輸運研究

2.1 天然氣摻氫與天然氣管道材料的相容性

我國天然氣管路主要包括輸送管道、配送管道及其他儲壓調(diào)壓設備。輸送管道主要是實現(xiàn)城際之間的天然氣遠距離輸送，從氣源的氣體處理廠或起點壓氣站將氣體輸運到各大城市的配氣中心、大型用戶或儲氣庫，輸送壓力較高（我國西氣東輸工程中的部分管道設計壓力甚至達到12 MPa，其他長距離輸送管道的設計壓力也普遍在數(shù)個兆帕的量級），因此使用的鋼材強度等級較高，如X52，X56，X60，X65，X70及X80等，最大直徑可以達到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至終端使用，壓力一般小于1 MPa，小部分會大于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，長距離的輸送管道由于其工作壓力高，均是使用強度較高的鋼材，而對于配送管道，其中使用的金屬管道為低強度鋼或者鑄鐵和銅等材料，也會使用聚乙烯等非金屬材料。這就給氫氣對管道材料影響的相關研究增加了一定的復雜性。

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)的改變會成為管道輸運方面的安全隱患[19]。北京石油工程學院李敬法等[20]指出，分析摻氫天然氣管道相容性的關鍵在于確定管道材料的力學性能與摻氫比和輸送壓力等工作條件之間的關聯(lián)關系，可從宏觀角度通過測試和模擬材料典型力學性能分析氫氣對管材可能造成的影響，其中包括氫損傷[21]、氫脆[22]、氫腐蝕。對于輸運管道的材料而言，由于輸送管道的工作壓力較高，因此其所用材料的強度較高，而強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輸運管道材料的影響?？偟膩碚f，鋼的屈服強度和抗拉強度受氫影響不大，但其韌性會受氫影響而降低。普通管道等級碳鋼API 5L X52和ASTM A106等種類的鋼已經(jīng)廣泛應用于低壓氫氣的輸送，幾乎沒有出現(xiàn)問題。浙江大學趙永志等[23]對前人研究結果[24?25]的整合表明：氫氣對X52，X60，X65，X70，X80，X100的屈服強度和極限抗拉強度的影響較小，而斷面收縮率和斷后伸長率顯著減少。在5.5 MPa氫氣中進行的試驗表明：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，氫氣對斷面收縮率基本沒有影響[26]。

氫氣的添加會加速材料中疲勞裂紋的增長速度，同時也會加速材料的老化，氫的此種作用在較低的壓力即會出現(xiàn)，且在低溫時更加明顯。而壓力波動等因素會很容易造成材料中疲勞性裂紋的出現(xiàn)，因此需要對管道中出現(xiàn)的裂紋盡可能進行監(jiān)控。焊接區(qū)域同樣會受到氫氣的影響，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，必須相應強化管材的強度和韌性。

氫氣的添加還會對調(diào)壓站中一些設備產(chǎn)生影響[27?28]，調(diào)壓站主要有兩種類型的壓縮機：離心式壓縮機和活塞式壓縮機。天然氣摻氫對活塞式壓縮機影響較小。然而，在離心式壓縮機中使用氫，需要壓縮的體積是使用天然氣時的三倍。除此之外，要獲得相同的壓力比，壓縮氫時需要的旋轉速度要比壓縮天然氣的旋轉速度高1.74倍。而這種旋轉速度會受到材料強度以及壓縮機性能的限制，當氫氣通過現(xiàn)有的管道基礎設施輸送時，這可能會造成一些問題。不過實際使用中，摻入的氫氣比例一般相對較低，因此對壓縮機性能要求沒有那么高，但是氫氣的摻入會提高離心式壓縮機的性能要求。另外除了對性能的要求，氫氣的摻入對壓縮機使用安全的要求也需要進一步研究。

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，通常會產(chǎn)生氣體積聚的現(xiàn)象，氣體積聚一方面會使人窒息，另一方面遇明火極容易發(fā)生火災或者爆炸。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項目使用實際的管道材料對甲烷、混合氣的滲漏情況進行了分析。實驗采用三種不同等級（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中給出了部分的實驗結果。

表1 Naturalhy中部分工況的結果Table 1 Results of some working conditions in Naturalhy

從Naturalhy的研究結果中可以知道：（1）甲烷通過管道擴散有一定的遲滯時間，而氫氣通過管道擴散的遲滯時間為零；（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)的比例要遠遠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重；（5）實驗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）管道的老化似乎對氣體的滲漏系數(shù)幾乎沒有影響。其中實驗數(shù)據(jù)與理論計算外推數(shù)據(jù)的區(qū)別主要是實驗條件不同，在基礎數(shù)據(jù)庫中的相關數(shù)據(jù)多是基于基礎測量，所用材料多為膜狀材料。而實際情況中要復雜得多，一是使用的是混合氣體而非純氫；二是厚的管道會有效阻礙氫氣的滲透，降低氣體的泄漏量，因此導致理論外推結果的高估。后續(xù)GTI（gas technology institute）收集了IEA（international energy agency）等組織的技術報告及Naturalhy項目的報告，對相關材料的滲透性進行了總結。各種典型塑料管道的材料及相關彈性體對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械連接關節(jié)發(fā)生泄漏。GTI對天然氣和氫氣在此種情況下的泄漏情況進行了研究，結果表明：氫氣比天然氣的滲透速率高了3倍。

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

總的來說，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于天然氣更高，但是由于氣體接觸面積的關系，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%氫氣會使氣體的滲漏總量翻倍，雖然從經(jīng)濟角度上講，這些損失是微不足道的，但是從安全的角度上講，可能會帶來一些問題。

2.3 摻氫對管道輸氣功率的影響

輸氣功率用于評價管道對氣體的輸運能力，其定義為單位時間內(nèi)管道輸運氣體的負荷，即單位時間內(nèi)通過管道的混合氣體體積熱值與氣體流量的乘積。華中科技大學的黃明等[30]對此功率進行了計算，其結果如圖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，但在氫氣比例高于83%后，輸運功率出現(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]又對壓力降對輸氣功率的影響進行了研究，其結果如圖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數(shù)為0.23時，為保證輸氣功率不變，則起點壓力需從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數(shù)為0.23時，為保證輸氣功率不變，則起點壓力需從7 kPa增大到7.3 kPa。這說明微小提升壓力降，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

重慶大學的吳嫦[31]利用Pipeline studio軟件對重慶某片區(qū)的整體管道網(wǎng)絡進行了模擬分析，結果發(fā)現(xiàn)天然氣氣源點是最佳摻氫點，當摻氫比例低于25%時，摻氫對整個管網(wǎng)的水力工況影響不大。

3 天然氣摻氫終端燃氣具應用

從燃燒特征理化參數(shù)來看，氫氣具有強反應性、強擴散性特征，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，天然氣摻氫會對燃燒器終端產(chǎn)生較大影響。富氫天然氣家用燃氣具是國際燃氣利用領域的重要課題，目前全球家用燃氫燃氣具試驗、示范項目約有40個。國外具有代表性的天然氣摻氫研究及示范主要有歐盟的Naturalhy項目、美國可再生能源實驗室管道摻氫項目、荷蘭“可持續(xù)埃姆蘭”項目以及法國GRHYD項目等。其中荷蘭可持續(xù)埃姆蘭項目在2007年啟動，該項目對家用燃具不同的材料和接頭進行了測試，確定摻氫對管道及接頭的影響，為燃氫燃氣具的市場準入提供了依據(jù)。清華大學、西安交通大學聯(lián)合相關企業(yè)開展了摻氫天然氣在民用燃氣具上的適應性研究，萬和電氣開展了富氫天然氣熱水器、燃具的制造及國產(chǎn)化核心零部件研發(fā)，推出了適應氫氣混合比例不超過20%的富氫燃氣的產(chǎn)品以及純氫燃氣具，在家用燃氫燃氣具領域取得了一定成果。國家電投集團在遼寧朝陽開展了天然氣摻氫示范項目，第一階段工程已順利實施。

3.1 天然氣摻氫在灶具中的燃燒應用

由于期望能夠?qū)錃庖胩烊粴夤芫W(wǎng)中直接使用，不對終端的設備進行較大改變，因此應對摻氫天然氣的互換性進行基礎理論的分析，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果。由表3可得，各方法的結果各不相同，單一使用某一標定方法會有局限性，所以應結合各個指數(shù)判定結果以確定最優(yōu)摻氫比?？紤]到我國的國家標準GB/T 13611—2018《城鎮(zhèn)燃氣分類和基本特性》[32]中，推薦進行燃氣互換性分析判斷時采用華白數(shù)和燃燒勢共同判斷方法，因此可得氫氣百分比低于24%時摻氫天然氣能夠替代天然氣的結論。

表3 互換性判定綜合結果Table 3 Comprehensive results of interchangeability determination

在對摻氫天然氣的互換性進行基礎理論的分析之后，重慶大學的黃明等[30]通過實驗進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，并得出以下結論：（1）對于灶具熱負荷，其隨摻氫比的上升而下降，由于《家用燃氣灶具》（GB 16410—2007）中規(guī)定燃燒器的實測折算熱負荷與額定熱負荷的偏差應在 ±10%以內(nèi)，因此只有在摻氫比小于20%以內(nèi)時，天然氣摻氫不影響家用燃氣灶的正常使用；（2）對于一次空氣系數(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。

國外的研究者同樣進行了很多相關研究。英國的Judd等[33]的研究同樣表明對于常用家用灶具，其正常工作為摻氫比低于23%，結論由華白數(shù)和回火指數(shù)分析得出。Naturalhy項目的研究表示氫濃度高達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”項目與法國GRHYD項目中均證明了20%氫氣的添加并不會對灶具產(chǎn)生可見的影響。HyDeploy項目前期的預實驗中，大部分的灶具均通過了30%氫氣比例的測試。這些充分說明低比例的氫氣添加并不會對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用

對于鍋爐而言，情況有所不同。尤其是現(xiàn)在的冷凝鍋爐多是采用預混燃燒的模式，與灶具中的非預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，鍋爐的碳排放會有所降低，因此氫氣的添加能夠降低單位能量消耗所導致的碳排放，但是低摻氫比例下作用并不明顯。同時，由于氫氣的體積熱值相較甲烷要低得多，因此想要達到相同的負荷所需燃料流量也會隨之增加，但是對于預混燃燒而言，保持相同當量比時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。研究者同樣評估了氫氣的摻加對最大冷凝水量的影響，相同的輸出功率下，氫氣的添加會導致最大冷凝水量的增加，其結果如圖5(b)所示。

圖5 摻氫比對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估熱交換器的設計以達到最大效率。同時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應，但是高摻氫比下仍需要對流道進行重新設計。同時摻氫也會對鍋爐原有的檢測手段產(chǎn)生影響，現(xiàn)有的檢測設備對摻氫火焰雖然同樣適用，但是其安裝位置與相應的閾值在高摻氫比例下可能需要重新調(diào)整，同時氫氣火焰的可視化診斷可能也會是氫氣應用的一個挑戰(zhàn)?？傮w而言，研究者認為對于低于20%的氫氣比例，現(xiàn)有的鍋爐可以直接使用，對于更高的氫氣比例，鍋爐需要進行一定程度的改造以確保其使用效率不受影響。同時荷蘭“可持續(xù)埃姆蘭”項目與法國GRHYD項目以及英國的HyDeploy項目等示范項目也對鍋爐進行了測試，在整個項目進行中鍋爐均未因為摻氫而導致額外的事故發(fā)生。其中荷蘭“可持續(xù)埃姆蘭”項目更是測試了三種不同類型的鍋爐，均能正常工作，而英國HyDeploy項目中更是測試了功率達600 kW的大型鍋爐，其表現(xiàn)正常。而這些項目中均未對鍋爐進行專門的改造，這足以說明低比例氫氣在鍋爐中的適用性。

對于氣體發(fā)動機和氣體燃氣輪機等，情況較為復雜[22]，盡管摻氫天然氣在燃機的生產(chǎn)、儲存、分配和燃燒方面具有多種優(yōu)勢和協(xié)同效應，但需要對其系統(tǒng)及控制程序進行簡單地修改，從而使燃料與燃機的性能進行匹配，如果直接將燃料進行替換，則會影響到熱機的效率以及安全性。

3.3 天然氣摻氫輸運經(jīng)濟學分析

天然氣摻氫輸運經(jīng)濟學分析以天然氣摻氫輸氣的成本為研究對象，目標是分析在不同氫氣價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的表達式為

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

式(2)為輸氣增量比β的表達式，由于氫氣的體積熱值比氫氣小，因此天然氣摻氫時為保證總輸氣熱量不變（設單位熱量為標況下1 m3的天然氣的熱量，即 3 9 MJ ），應有更多的氣量輸運。參考文獻[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，研究氫氣價格、摻氫比與輸氣成本的關系。得到結果如圖6。

圖6 輸氣成本隨氫氣價格、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可以得出在當前氫氣價格1.8～7 ￥/m3的范圍內(nèi)，輸氣成本比原輸運天然氣高。預計在2030年，氫氣價格會降至0.9～1.5 ￥/m3，摻氫不會使輸氣成本增加。預計在2050年，氫氣價格會降至0.62 ￥/m3，摻氫使輸氣成本降低。當氫氣價格為0.94 ￥/m3時，恰好處于臨界價格，即摻氫不會使輸氣成本增加。大于臨界價格時，成本隨摻氫比上升而明顯上升。

4 結語

本文對國際上現(xiàn)有的具有代表性的天然氣摻氫的研究及示范項目進行了調(diào)研總結，包括歐盟的Naturlhy項目，荷蘭“可持續(xù)埃姆蘭”項目，法國GRHYD項目，英國HyDeploy項目等示范性項目。同時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管道輸氣功率的影響三個方面對天然氣摻氫管道輸運開展了調(diào)研研究，并分析了天然氣摻氫對終端燃氣具的影響，通過經(jīng)濟性分析核算了天然氣摻氫的輸運成本。本文主要得出以下結論。

（1）國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)中并不會造成相關事故風險及危害的明顯增加，在對系統(tǒng)進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)。同時指出燃氣終端對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)標準下廚房灶具等在不進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調(diào)整過的傳統(tǒng)家電的安全規(guī)章以及當?shù)氐奶烊粴赓|(zhì)量所共同決定，各地的標準有所不同。

（2）對于管道系統(tǒng)而言，摻入的氫氣會一定程度上影響天然氣管道網(wǎng)絡的總體運行風險，隨著摻氫比例的增加風險會不斷增大，但是低比例的摻氫導致的風險增加在可接受范圍內(nèi)。鑒于各個國家在天然氣成分、管道條件和管道材料上的不同，我國應根據(jù)實際的管路、氣體具體情況開展對于天然氣摻氫的分析研究。

（3）對應用終端而言，多數(shù)標準下廚房灶具等在不進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燃燒器進行重新設計。對于摻氫經(jīng)濟性而言，以目前氫氣價格摻氫會使成本上升，預計在2030年后，每平方米氫氣價格低于0.94元，摻氫會降低管道輸運成本。