天然氣管道摻氫輸送條件和應用場景展望

劉 倫,韓 毅

(漢中市天然氣投資發(fā)展有限公司，陜西 漢中 723000)

氫能源具有清潔和燃燒后無污染、零碳排放等優(yōu)勢，被認為是極具發(fā)展前景的二次能源。為占領(lǐng)氫能源戰(zhàn)略高地，我國2021年以來相繼出臺了多項促進清潔能源開發(fā)利用。落實碳減排的政策。2022年3月23日，國家出臺《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃(2021—2035年)》，明確了氫能產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略定位和目標，以及產(chǎn)業(yè)鏈的部署安排等，將有力促進氫能的產(chǎn)供銷、儲、用相關(guān)行業(yè)的崛起。然而氫氣的輸送和大規(guī)模應用，一直受技術(shù)、成本、安全等因素的制約[1]，致使氫能無法進行規(guī)?；裼煤蜕逃谩?/p>

因此，眾多專家和團隊普遍認為，利用現(xiàn)有國內(nèi)已建成的天然氣管網(wǎng)，摻入一定比例的氫氣輸送，并在終端使用，是目前最為合適的輸送與應用方式[2]。本文結(jié)合國內(nèi)天然氣管道摻氫輸送研究最新應用現(xiàn)狀，梳理了以陜西省為例的氫能支持政策、產(chǎn)業(yè)布局、資源條件及天然氣產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，分析了開展天然氣摻氫輸送的可行性及發(fā)展建議，旨在為促進氫能產(chǎn)業(yè)和天然氣摻氫技術(shù)的推廣發(fā)展提供指引，不斷擴大氫能應用場景，為碳達峰、碳減排做貢獻。

1 國內(nèi)天然氣管道摻氫輸送研究應用現(xiàn)狀

近年來，國外開展了多個天然氣管網(wǎng)摻氫試驗示范項目，部分項目中的最高摻氫比例已達到20%(體積比)[3]。在壓力、摻氫比、管道材質(zhì)等特定條件下，實踐天然氣管道摻氫氣輸送的可行性和實用性，國內(nèi)多地已啟動了天然氣管道摻氫輸送的示范項目研究。

1.1 國內(nèi)天然氣管網(wǎng)摻氫試驗示范項目介紹

國家電投集團于2018年啟動了天然氣摻氫輸送方面的研究工作，隨后建設了國內(nèi)首個“綠氫”摻入天然氣輸送應用示范——遼寧朝陽天然氣摻氫示范項目。2019年9月30日，第一階段工程圓滿完工；2021年5月已經(jīng)進入試驗階段，10月該天然氣摻氫項目按10%的摻氫比例，在終端燃氣具上應用驗證成功?，F(xiàn)已安全運行1年多。該示范項目在役管道與氫氣的相容性、天然氣摻氫混氣工藝、摻氫天然氣管道輸送工藝、管道安全保障技術(shù)和終端燃燒應用等方面開展了相關(guān)研究，為其他示范項目提供了重要的理論和數(shù)據(jù)支撐。

2020年9月11日，由張家口鴻華清潔能源科技有限公司牽頭，國家電投集團等公司參研，共同聯(lián)合承擔的項目——河北省首個天然氣摻氫示范項目正式啟動。據(jù)公開報道，該項目中摻氫天然氣將應用于張家口市的部分居民和商業(yè)用戶，以及HCNG汽車。該項目的實施，對我國實現(xiàn)氫能多元化綜合利用、天然氣摻氫多場景應用、管道摻氫輸氫均具有重要示范意義。

2021年，寧夏回族自治區(qū)啟動了“輸氫管道及燃氣管網(wǎng)天然氣摻氫降碳示范化工程中試項目”；深圳燃氣亦正在開展管道燃氣摻氫等前期研究工作；內(nèi)蒙古“中低壓純氫與摻氫燃氣管道輸送及其應用關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)”項目已啟動。四川、山西、寧夏、內(nèi)蒙等省市也陸續(xù)啟動了天然氣管道摻氫輸送相關(guān)技術(shù)研究和推動著示范項目。

雖然國內(nèi)各地如雨后春筍般地啟動了相關(guān)天然氣管道摻氫輸送的試驗研究，根據(jù)各地不同的政策和資源，以及應用市場等條件來選取示范點和范圍，不斷地在探索相關(guān)試驗數(shù)據(jù)和管道運行安全影響因素方面進行了分析與總結(jié)，主要圍繞局部管段或區(qū)域特定用戶的示范應用，但尚未開展廣泛應用天然氣管道摻氫輸送，國內(nèi)也無天然氣管道摻氫輸送的專用標準和規(guī)范來參考或執(zhí)行[4]。

1.2 國內(nèi)現(xiàn)行可參考的規(guī)范標準

目前，國內(nèi)天然氣摻氫無標準規(guī)范依據(jù)。但《煤制合成天然氣》(GB/T33445-2016)標準規(guī)定氫氣體積分數(shù)高限為3.5%；《進入天然氣長輸管道的氣體質(zhì)量要求》(GB/T37124-2018)標準中規(guī)定不超過3%；在《天然氣》(GB17820-2018)以及新頒布的《燃氣工程項目規(guī)范》(GB55009-2021)標準規(guī)范中，未對具體氫氣含量給出限制，只提出要保證混氫天然氣的參數(shù)符合標準[5]。

在管道輸送氫氣方面，國內(nèi)處于起步探索應用階段。為快速適應對氫能的發(fā)展和利用，如《天然氣摻氫混氣站技術(shù)規(guī)程》《氫氣輸送工業(yè)管道技術(shù)規(guī)程》《城鎮(zhèn)民用氫氣輸配系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)程》等相關(guān)標準，有關(guān)行業(yè)團體已經(jīng)啟動編制或征求意見中。相信2022年即將會陸續(xù)出臺一些可依據(jù)的標準規(guī)范。

2 大規(guī)模遠距離天然氣管道摻氫輸送條件

根據(jù)目前的調(diào)查研究[6]，利用現(xiàn)有天然氣管道輸送較低摻氫體積比的摻氫天然氣，基本不會產(chǎn)生氫脆等問題。為了保證安全，可分別對不同鋼級管線進行氫脆的驗證。然后在后期研究優(yōu)化輸氣管線工藝時，通過先進技術(shù)不斷升級換擋。根據(jù)供應陜西省天然氣的氣田氣質(zhì)和管網(wǎng)布局情況，進一步細化天然氣輸送摻氫比例，或單獨低壓氫輸送，在保證管道的安全運行下不斷擴大應用場景。

1)陜西省強勢推動，政策即將配套出臺，支持力度空前

陜西省作為能源生產(chǎn)和消耗大省，“十四五”時期全省能耗強度要求下降13.5%，二氧化碳排放強度要求下降18%，因此實現(xiàn)碳達峰碳中和目標壓力大，綠色低碳轉(zhuǎn)型升級任務重。陜西作為能源大省，發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)具有豐富的資源優(yōu)勢、完善的產(chǎn)業(yè)配套、獨特的應用場景和雄厚的科教基礎。支持和推動氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，可以有效支撐全省“碳達峰碳中和”戰(zhàn)略目標的實現(xiàn)，打造新的綠色經(jīng)濟增長極。2021年3月1日起施行的《西部地區(qū)鼓勵類產(chǎn)業(yè)目錄(2020年本)》，鼓勵陜西省發(fā)展氫能新能源的發(fā)展。

2021年第二屆西部氫都氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展論壇，以“助力雙碳目標落實，探索氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展”為主題，于4月25日在西安隆重舉行。與會單位和專家們也在呼吁陜西須加快氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，出臺相應的支持政策。

據(jù)悉，陜西省正在根據(jù)國家氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃的最新部署安排，研究出臺《陜西省氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，全面推動氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，支持陜北、關(guān)中部分地區(qū)建設規(guī)?；碑a(chǎn)氫純化項目，同時，也在研究出臺促進建設加氫站和示范項目的運營補貼、準入、財稅、獎勵等配套政策。

2)陜西省氫氣資源豐富、廉價

陜西作為能源大省，可為氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供豐富、廉價的氫源保障。據(jù)網(wǎng)上公開信息報道，陜西省化工副產(chǎn)氫超200萬t/a，其中高品質(zhì)副產(chǎn)氫(氫體積分數(shù)65%以上)約20萬t/a，副產(chǎn)氫成本約8～10元/kg，兩百公里內(nèi)終端用氫成本低于35元/kg。陜西省也具有發(fā)展綠氫產(chǎn)業(yè)的豐富資源基礎，按照規(guī)劃，“十四五”期間可再生能源裝機將達到6500萬kW，基本形成以風電、光伏儲能、氫能等為主的可再生能源產(chǎn)業(yè)集群。另外,根據(jù)《中國化工報》2020年1月23日報道：榆林地區(qū)煤化工制氫成本低廉，以蘭炭尾氣經(jīng)PSA提氫為例，氫氣生產(chǎn)成本僅0.68元/m3?！坝芰肿鳛閲壹壞茉椿せ睾托履茉词痉冻鞘?，具有豐富的氫資源，氫產(chǎn)量至少達180萬t/a，其中年產(chǎn)5000萬噸的蘭炭尾氣含氫量130萬噸以上，化工副產(chǎn)氫20萬噸以上，利用風(光)電和電解煤礦疏干水可制備氫30萬噸，但目前榆林的氫氣沒有得到高值化有效利用”。

3)陜西省天然氣輸送管網(wǎng)布局完善，應用消納規(guī)模大

陜北作為重要的能源供應基地，承擔向京津冀等地的天然氣供應和“北氣南輸”至各地的天然氣供應。目前，陜西省已經(jīng)形成了有著6家天然氣長輸管道企業(yè)、4000多公里高壓長輸管道、數(shù)萬公里城市中壓燃氣管道、縣縣通天然氣的市場應用規(guī)模，同時擁有著各類CNG/LNG加氣站600余座，能夠消納吸收大量的氫氣。

其中：①國家管網(wǎng)集團所轄的陜京天然氣管道系統(tǒng)和榆濟管網(wǎng)作為天然氣“全國一張網(wǎng)”的重要組成部分，設計年管輸能力已達1000億m3，供氣范圍覆蓋華北等7省一自治區(qū)多市。②陜西省天然氣股份有限公司是國內(nèi)專業(yè)的長輸管網(wǎng)省屬天然氣公司之一，主要負責陜西全省天然氣長輸管網(wǎng)的規(guī)劃、建設、運營和管理，建成投運長輸管道47條，管網(wǎng)總里程達 3769 km，年輸氣能力165億m3，形成了全省絕大部分地區(qū)雙管道供給,關(guān)中區(qū)域環(huán)網(wǎng)運行的全省“一張網(wǎng)”綠色資源輸配網(wǎng)絡。

綜上，陜西省氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有非常優(yōu)越的基礎條件和產(chǎn)業(yè)政策需求，完全可以集陜西延長石油等專業(yè)化天然氣企業(yè)的長輸、支線管網(wǎng)基礎設施完善，管道運維經(jīng)驗豐富、全省廣闊的市場用戶等一體化能力。因此，陜西省積極開展天然氣管道摻氫輸送技術(shù)研究和示范應用，具有重要的推廣價值和廣闊的發(fā)展前景。若能利用現(xiàn)有省內(nèi)和過境長輸管道摻氫輸送，不僅可低成本實現(xiàn)氫氣大范圍、長距離輸送，更有力地促進陜北地區(qū)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，尤其是可再生能源制氫的發(fā)展，為氫能產(chǎn)業(yè)提供綠色低廉的氫氣，并對實現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)綠色低碳轉(zhuǎn)型升級具有更為重要的意義。

3 天然氣摻氫輸送應用方向展望

隨著全球能源危機和碳排放的限制，同時，對生態(tài)環(huán)境保護要求的不斷提高，根據(jù)專家團隊的研究[7-8]，在天然氣管道摻氫一定比例范圍內(nèi)，可在民用、交通、發(fā)電等領(lǐng)域進行應用。結(jié)合陜西省的有利條件，利用現(xiàn)有天然氣的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)基礎，可以預見天然氣摻氫輸送應用方向場景。

1)方向一：天然氣摻氫直接供應終端用戶

陜西省有著規(guī)模大和應用廣泛的各類天然氣用戶，天然氣需求逐年增長，每年冬季采暖季供應指標短缺成為了焦點，采暖季天然氣保供壓力巨大。通過各地市城市門站后的天然氣城市輸配管網(wǎng)(主要為PE管道或壓力小于 1.6 MPa 的碳鋼管道)可直接向用戶輸送摻氫天然氣。天然氣管道摻氫使用具備規(guī)模化優(yōu)勢，等熱值計量后可降低終端用氣價格，其經(jīng)濟性也會相應得到提升，某種程度也有利于緩解天然氣保供壓力。結(jié)合化工副產(chǎn)氫氣生產(chǎn)成本和中石油以及延長石油等上游供氣企業(yè)對非居民用氣門站價格情況，以及現(xiàn)行的供氣銷售合同模式，具備商業(yè)價值。

2)方向二：CNG加氣站轉(zhuǎn)型HCNG合建站

在國家大力提倡新能源汽車的發(fā)展形勢下，城市出租車、公交車等CNG市場主要用戶發(fā)展已趨于飽和過剩，全國各地均已陸續(xù)開展以電動汽車替代天然氣汽車的行動，CNG車用氣市場面臨全面萎縮，對已建的單一CNG加氣站將面臨著巨大的虧損壓力，因此經(jīng)營企業(yè)升級轉(zhuǎn)型意愿強烈。根據(jù)清華大學汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室研究發(fā)現(xiàn)：在CNG汽車燃料中摻氫可以增加燃料性能和穩(wěn)定性，當摻氫比為20%時效果最佳[9]。因此，陜西可以利用現(xiàn)有CNG加氣站的土地設施和客戶源優(yōu)勢，轉(zhuǎn)型布局HCNG 合建站。

3)方向三：管網(wǎng)終端分離制氫擴大應用市場

近兩年來，隨著氫氣氣源、燃料電池和加氫站主要設備成本的下降，以陜汽為首的氫燃料電池汽車的發(fā)展進入快車道。加氫站的經(jīng)營與管理模式與天然氣加氣站有著極高的相似性，借陜西省有著眾多的油氣站和長期的經(jīng)營管理經(jīng)驗，轉(zhuǎn)型加氫站運營的路徑也較為順滑。終端分離提純或制氫改建加氫合建站，全面升級換代服務于交通領(lǐng)域的氫燃料電池車和拓展多個行業(yè)應用。

在加氫站中建設一個小型的氫氣轉(zhuǎn)換裝置，將天然氣摻氫的氫氣進行分離或以小型撬裝天然氣制氫設備制氫，會順利掀開加氫站和終端用氫快速發(fā)展的大門，推動氫能產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展和朝著多個市場行業(yè)的涉及。

4)方向四：長輸管網(wǎng)區(qū)域性分離液化制氫

2021年5月，我國出臺了《氫能汽車用燃料液氫》《液氫生產(chǎn)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》和《液氫貯存和運輸技術(shù)要求》三項國家標準，于11月1日起實施。上述標準實現(xiàn)了我國液氫產(chǎn)業(yè)民用領(lǐng)域標準“零”突破，為液氫產(chǎn)業(yè)市場化發(fā)展提供了重要支撐。

陜西省地域南北長、東西窄，周邊與8個省市接壤，是鄰接省區(qū)數(shù)量最多的省份，具有承東啟西、連接西部的區(qū)位之便。充分利用陜西已建成LNG液化工廠的有利條件，若能發(fā)展實施終端液化分離制氫技術(shù)，把氫能作為一種應急儲備能源或者大型儲運基地，分裝后可向周邊不具備管網(wǎng)輸送條件的任一區(qū)域以液化/壓縮槽車方式運輸，將會使氫的使用更加便捷和靈活。

4 結(jié)語

雖然受國內(nèi)摻氫輸送技術(shù)和氫氣分離成本高等因素影響，目前還未實施有天然氣管道摻氫輸送后再分離使用的示范項目。但隨著國內(nèi)外摻氫分離技術(shù)的成熟，陸續(xù)出臺的《加氫站安全技術(shù)規(guī)范》和《汽車加油加氣加氫站技術(shù)標準》的實施為大力發(fā)展加氫站提供了有利統(tǒng)一的技術(shù)標準。車用能源向電氣化、氫能化轉(zhuǎn)型已成為一種必然趨勢。對于現(xiàn)有CNG經(jīng)營企業(yè)而言，現(xiàn)階段應該把握車用能源市場動向，積極進行場站設備設施改造，利用現(xiàn)有加氣站的土地設施和客戶源優(yōu)勢，以HCNG 合建站或綜合能源站的形式走向加氫市場，有效降低初期投資成本和土地審批取證的難度，也可在近階段通過“以氣養(yǎng)氫”的模式，解決加氫站短期經(jīng)濟效應不足的問題。

綜上，以陜西省為例，氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展具備大規(guī)模遠距離天然氣管道摻氫輸送的條件。陜西省應集已有企業(yè)、高校等科技技術(shù)人才，積極爭取老舊燃氣管網(wǎng)改造項目資金支持的有利政策，以突破并掌握天然氣長輸管道改造摻氫，并以實現(xiàn)終端分離提純或制氫等核心技術(shù)為目標，集中力量開展研究和測試工作。同時，提高多樣化利用水平，在具備條件的陜北、關(guān)中地區(qū)率先開展天然氣摻氫混燒領(lǐng)域和終端交通運輸領(lǐng)域的示范應用，有利于促進氫能規(guī)模消納，為推動氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展和增長提供有利的基礎條件。