掺氢天然气管道输送研究进展和挑战

尚娟，鲁仰辉，郑津洋，孙晨，花争立，于文涛，张一苇

（1 浙江大学化工机械研究所，浙江 杭州 310027；2 国家电投集团科学技术研究院有限公司，北京 102209）

在保障能源安全、改善环境质量等因素的共同驱动下，世界各国开始重视可再生能源的发展和利用。其中，风能和太阳能因其清洁无污染、产业链较成熟等特点受到广泛青睐。截至2019 年底，国内风电装机容量接近2.10亿千瓦，太阳能发电装机容量2.05 亿千瓦，均占全国总装机容量的10%以上[1]。但由于具有间歇性、随机性等特点，大规模利用风电、光电转化的电能难以有效储存，存在“弃风弃光”问题，造成了严重的电力浪费。目前国际上广泛认为，掺氢天然气技术是解决“弃风弃光”问题的有效途径之一[2-3]。该技术将风/光能转化的部分电能用于电解水制氢，并将氢气以一定比例掺入天然气，形成掺氢天然气，再利用新建管网或在役天然气管网输送至用户终端、加气站和储气库等，可起到储能和电力负荷削峰填谷的作用，同时避免了新建输氢管道所需的高昂建造成本。国外研究表明，氢气管道的造价约为天然气管道的2倍多。此外，国际能源署研究了各种储能方式的电力成本，研究表明，掺氢天然气技术的电力成本最低。可见，向在役天然气管道掺入氢气能取得较好的经济效益，且大规模电解水制氢成本的降低将大大提高该技术经济性。

然而与天然气相比，氢气易导致材料脆化、更易泄漏、具有更宽的爆炸极限，导致掺氢天然气管道输送在材料选择、设计制造、安全保障、法律法规、规范标准等方面与天然气管道输送具有较大差异，需要相应地开展系统的研究，以保障掺氢天然气管道输送安全。2016年，本文作者所在团队[4]发表了文章《掺氢天然气管道输送安全技术》，从材料相容性、完整性管理及风险评估等方面总结讨论了掺氢天然气管道输送的安全问题。近几年，氢能管道发展迅速，在材料氢相容性、风险评估等方面都有了新的重要进展，本文将对掺氢天然气管道输送研究前沿进行介绍，重点对管道氢相容性、设备掺氢适应性、运行安全保障、标准体系等技术研究现状进行深入讨论，并指出目前掺氢天然气管道输送面临的挑战与建议，可为掺氢天然气管道输送系统发展提供一定的参考。

1 应用示范

迄今为止，荷兰、德国、法国、中国等国家先后开展了多个掺氢天然气管道输送系统应用示范项目。2004 年，在欧洲委员会的支持下，国际上首次开展了“NaturalHy”项目，将氢气注入高压输送管线，并通过配送管网输送至最终用户。该项目较为系统地研究了天然气管道掺氢对包括天然气输送、配送及用户终端在内的整个系统的影响[5]，为后续的掺氢天然气管道输送系统示范应用项目创造了良好的开端。2007 年，在荷兰阿默兰岛上开展了“VG2”项目[6]，将氢气掺入当地低热值天然气配送管网供普通家庭使用，积累了电解、混合过程以及掺氢天然气对荷兰管道和传统燃气器具性能影响的经验。2012年，德国开展了风电制氢-天然气管道掺氢全过程示范项目[7]，将法尔肯哈根风电制氢示范项目制取的氢气直接送入天然气管线，进行了掺氢天然气管道输送全过程技术链的示范应用。2014 年，法国开始实施“GRHYD”项目[8]，开展了为期五年的混氢天然气应用示范，将氢气以6%～20%的比例注入当地天然气管网，供健康中心和100户居民生活使用。2016年，加利福尼亚大学欧文分校和Socal 气体公司合作开展了美国首个掺氢天然气示范项目，将电解槽生产的氢气掺入学校内部的天然气管道系统[9]。2017 年，英国开展了“HyDeploy”项目[10]，向基尔大学专用天然气网络和英国北部天然气网络注入氢气，为住宅、教学楼、企业等供气，探索在不影响终端用户安全或改装设备的情况下将氢气混合到全国天然气网络中的可行性。2019 年，意大利Snam 公司将氢和天然气混合到国家天然气输送网络中，研究掺氢天然气与发电厂涡轮压缩机、储存场和燃气锅炉等用户设备的兼容性[11]。2020 年，澳大利亚开展了“WSGG”项目，利用风/光电来电解水制氢，并将部分氢气注入Jemena 公司的新南威尔士州天然气网络，为当地居民供暖[12]。

国内掺氢天然气管道输送系统的示范应用较少。2010 年，国新能源集团与清华大学及中国氢能协会合作，在山西省河津市开展了掺氢天然气加气站示范项目的建设。2019 年，国家电力投资集团公司与浙江大学合作，在辽宁省朝阳市开展了掺氢天然气管道安全关键技术验证示范项目，进行电解水制氢-天然气掺氢-工业级民用用户供能示范，为未来氢气通过管网运输提供经验。

2 技术研究现状

2.1 管材氢相容性

掺氢天然气会使管道材料的强度、塑性和韧性等力学性能发生劣化，进而影响管网服役的安全性。因此，管材与掺氢天然气的相容性是开展在役天然气管道输送掺氢天然气需要解决的首要问题。

近年来，国外众多科研院校围绕管材与掺氢天然气的相容性问题展开了研究，美国国家标准技术局、美国燃气技术研究院等机构研究了X52、X65、X100 等管线钢在纯氢环境中的原位力学性能，韩国标准科学研究院、日本九州大学等在纯氢及模拟掺氢天然气（N2与H2的混合气体）环境中开展了管线钢的力学性能测试。研究表明，与空气环境相比，材料在含氢环境中的强度变化不大，但延性、疲劳性能和断裂韧性劣化明显[13-15]。管线钢拉伸性能的劣化程度随着加载速率、氢气压力和应力三轴度的增大而增加[16-19]。疲劳性能与氢气压力、应力比、加载频率、微观组织结构等有关，压力升高、应力比增大、加载频率减小都会引起疲劳裂纹扩展速率加快[16-18]。断裂韧性与加载速率、氢气压力、晶粒尺寸、马氏体/奥氏体含量等多种因素有关，加载速率降低、氢气压力升高通常会导致断裂韧性损减[19-21]。目前，含氢环境下管线钢的拉伸性能和疲劳性能研究较多，但断裂韧性相关研究成果较少，待进一步研究。同时，国际上对于掺氢天然气与低强度钢配送管材的相容性研究较少。对于非金属配送管道，国际研究表明，聚乙烯、聚氯乙烯、氯丁橡胶、丁苯橡胶、氟橡胶等材料与氢气同样有较好的相容性[22]。大部分研究认为掺氢天然气配送管道存在的主要问题是泄漏，这对掺氢天然气管道运行安全保障技术提出了新要求。

国内浙江大学在模拟掺氢天然气环境中对国产X70、X80 管线钢的力学性能进行了研究，发现两种管线钢的屈服强度和抗拉强度基本不变，但缺口抗拉强度有所降低，且氢气的掺入明显加快了材料的疲劳裂纹扩展速率，相对于氮气环境中提高了5～15倍[23-24]。此外，浙江大学开展了天然气配送管道常用材料20 钢在0.4MPa 真实掺氢天然气下力学性能原位测试，并与模拟掺氢天然气环境和纯氢环境中的测试结果对比，发现材料在真实掺氢天然气环境中的疲劳裂纹扩展速率与模拟掺氢天然气环境和纯氢环境有较大差异[25]。该新发现说明开展管材与真实掺氢天然气的相容性研究是十分有必要的。但目前世界各国掺氢天然气环境材料性能原位测试平台较少，掺氢天然气环境下管材力学性能数据极为有限，掺氢天然气与材料相容性数据库有待进一步完善。

2.2 设备掺氢适应性

掺氢天然气与设备的适应性面向整个天然气管网系统，包括管道、调压设备、储存设备、用户终端等。各国在对天然气管网输送系统的适应性进行评估时，突出了逐案分析的原则[22,26]。

2.2.1 储存设备

天然气管网系统中常见的储存设备主要包括储罐和地下储气库（利用枯竭油气田、地下含水层、含盐岩层或废矿井建造），关于储罐材料与氢的相容性已有较多研究[27]，本文不再赘述。针对枯竭油气田和地下含水层的研究表明，此两种地下储气库对氢气的适应性较差，这是由于氢气易破坏地下储气库的多孔地质结构，同时储气库内的微生物代谢反应会严重消耗储存的氢气，如产甲烷菌以H2和CO2为底物转化形成CH4、硫酸盐还原菌将硫酸盐还原成H2S 等[28]。国际能源署、欧洲燃气研究集团和德国燃料研究所研究认为，当前涉及地下储气库的天然气管道系统不能掺入氢气[3,26]。但也有研究表明，含盐岩层型地下储气库中岩盐床的化学性质较稳定，对氢适应性良好[3]，且英国和美国已有多年使用含盐岩层储气库储存纯氢的历史。然而，现有文献中未见我国在地下储气库储存掺氢天然气方面的研究成果。对于储氢罐，我国已开展较多研究，并形成成熟产品，其中全多层固定式储氢压力容器已成功应用于多座加氢站内。掺氢天然气储罐尚未见相关报道。

2.2.2 调压设备

最初在天然气长输管网上使用的调压设备包括往复式和离心式两种压缩机，但随着技术的发展，离心式压缩机机组呈现出逐步代替往复式压缩机的趋势[29]。往复式压缩机的动力机构是独立于工作介质工作的，无需考虑掺氢对设备带来的影响，而离心式压缩机的叶轮与掺氢天然气接触，材料可能受其影响。此外，为满足相同能量需求，在离心式压缩机中压缩氢气的体积是压缩天然气的3倍多，为了获得相同的压缩比，压缩氢气的旋转速度要比天然气高出约1.74倍，对离心式压缩机的组件和密封性能提出了更高要求[30]。为降低氢脆和组件失效风险，氢气压缩机往往是使用价格高昂的高性能材料，一定程度上增加了掺氢天然气技术成本。针对上述问题，可以从掺氢比例优化、新型材料、新型压缩技术等方面提出解决方案。来自国际能源署、欧洲燃气研究集团和德国燃料研究所的报告认为，当前涉及离心式压缩机的天然气管道系统不能掺入超过20%的氢气[3,26]。驱动离心式压缩机的在役燃气轮机一般要求天然气中H2体积分数不超过1%，但通过采取调整措施和改造升级可以使其掺氢体积分数达到15%[30]。目前关于压缩机的最高容许掺氢比例还未形成定论，新型压缩机用材料与压缩技术报道较少。

2.2.3 用户终端

掺氢天然气作为燃料实际应用时，用户终端对掺氢天然气的适应性也是需考虑的重要问题。由于氢燃烧速度快，火焰温度高，工业燃气轮机和天然气发动机燃烧掺氢天然气时性能易受影响，NOx的产生量可多达天然气燃烧的近两倍，掺氢比例超过50%时发动机爆震的敏感性增加[31]。在役燃气轮机的掺氢分数极限一般为15%，而在役天然气发动机一般要求天然气中氢气比例不超过2%，对于具有复杂控制系统的专用发动机，掺氢体积分数可以达到10%[30]。家用燃气具对燃气的适应性有两个主要指标，即华白数和层流燃烧速度。计算表明，掺入10%氢气时，这两个评价指标都在燃气的可互换区间内[26]。对于12T基准天然气，依据我国标准GB/T 13611—2006《城镇燃气分类和基本特性》通过华白数和燃烧势计算出满足燃气互换性要求的天然气极限掺氢比例为23%[32]。此外随着掺氢比例的升高，家用炊具、燃气热水器和燃气采暖热水炉的烟气CO 和NOx排放值均在标准容许范围内，且排放烟气的CO分数随掺入氢气的增加呈降低趋势[33]，家用燃气具对掺氢比例20%以下的掺氢天然气适应性良好。可以发现，目前用户终端掺氢适应性研究主要集中于其在不改造且保证性能与安全前提下的掺氢比例耐受范围，但是不同应用场景、不同性能、不同厂家等用户终端的可掺氢比例范围还没有形成定论，仍需进一步对多种代表性用户终端进行掺氢适应性研究。

2.3 运行安全保障

2.3.1 混合与计量

通常，天然气与氢气在预混站内通过科学混合后形成掺氢天然气，再经由管道输送至用户终端。目前氢气和天然气混合工艺主要有定压配比系统和在线混合系统两种[34]。其中，随动流量比例调节对掺氢比精度控制较高，Hydeploy 项目、GRHYD 项目以及国内朝阳示范项目都是采用该种方法。随动流量混气装置是通过流量计量、信号传输反馈、指挥调节、比例修正等环节实现掺混的目的。设备组件包括流量计、阀门、密封件、混合器、气体成分分析仪、中央控制台等。虽然随动流量混气装置已经成熟应用于天然气、煤制气等领域，但因掺氢天然气物化性质的特殊性，需研究混气装置是否适合长期工作于掺氢天然气环境。欧洲一些国家正在开展这方面的研究，同时欧洲标准化委员会也正在有序开展掺氢天然气混合技术及设备的标准化工作。

掺氢天然气计量技术是掺氢天然气产业规模化和市场化的重要基础。欧洲已经着手开展相关研究，并制定了“欧洲计量创新和研究计划”。该计划侧重于非常规气体（掺氢天然气、合成气、生物甲烷等）流量计量标准化所需的计量学研究，确定非常规气体在典型目标用户终端中的测量精度、成本和使用寿命。同时，该计划将开发一种可追踪的非常规气体流量计的校准方法。在我国，关于掺氢天然气计量技术研究工作的报道较少，相关研究成果仍是空白。

2.3.2 安全评估技术

天然气管道安全评估技术已经较为成熟，但是掺入氢气后，气体的物理性质和燃烧特性发生了变化，同时增大了管道失效的概率和管道失效后引发的后果[4]。美国标准ASME B31.12—2019 Hydrogen Piping and Pipelines、 英 国 标 准BS 7910—2019 Guide to methods for assessing the acceptability of flaws in metallic structures 和我国标准GB/T 19624—2019《在用含缺陷压力容器安全评定》等考虑了材料性能劣化导致的掺氢天然气管道失效，提出了掺氢天然气管道疲劳安全评定方法。依据标准规范与示范经验，NaturalHy 项目开发了一套用于评估不同完整性管理情况下掺氢天然气管道失效可能性的软件[24]，国内浙江大学初步研发了一套基于断裂力学的掺氢天然气管道安全评定软件。掺氢天然气管道失效后，通常会发生氢气泄漏，遇明火容易发生火灾或爆炸，造成一系列危险事故。受限于试验条件，后果量化评价通常采用基于各类CFD 模型的理论分析，包括用于模拟泄漏的统一扩散模型，用于模拟爆炸的TNT 模型、TNO 模型、Baker-Strehlow 模型以及用于模拟射流火焰的API 模型和Shell 模型等。由于氢行为及其后果复杂、计算量大，国外已开发针对氢行为后果量化评价的商业化软 件， 包 括 Gexcon 公 司 开 发 的 FLACSHYDROGEN 软件和DNV 公司开发的PHAST 软件。基于上述模型与软件，国内学者对氢气管道失效后果进行了模拟分析[35-36]，但不同掺氢比例的掺氢天然气管道失效后果研究较少，仍需进一步研究不同场景的掺氢安全评估方法和技术。

尽管当前掺氢天然气管道的风险评价研究较多，可使用先进的软件工具高效率地对管道进行安全评估，但管道失效不可完全避免。有效利用火焰检测报警仪和气体检测报警仪等安全检测装置，可预防人身伤害以及火灾与爆炸事故的发生。氢火焰主要辐射红外线和紫外线，其燃烧时产生的淡蓝色火焰白天肉眼不易察觉，热辐射量也远远小于天然气火焰，现有的火焰探测器难以使用，此外为天然气泄漏设计的气体泄漏检测装置对掺氢天然气不敏感，需进一步升级。为检测泄漏氢气和氢气火焰，宜在易发生燃气泄漏和积聚的位置综合考虑精度、灵敏度、可靠性、可维护性、检测范围、响应时间等因素，选用安装氢气检测报警仪和氢火焰检测报警仪。

2.4 标准体系建设

目前，国际上仍然缺乏掺氢天然气输送管道专用的标准规范，但发布了适用于氢气输送管道的相关标准，具有一定的借鉴意义。国外已颁布的氢气长输管道标准规范包括美国机械工程师协会的ASME B31.12—2019、欧洲压缩气体协会的CGA G-5.6—2005 (Reaffirmed 2013) Hydrogen Pipeline Systems、亚洲工业气体协会的AIGA 033/06—2006 Hydrogen Transportation Pipelines 等 。 ASME B31.12—2019标准包括通用要求、工业管道、管线和附录4个部分，内容涉及设计、施工、操作和维护等多个方面，适用于将氢气、氢气混合物及液氢从制造厂输送到使用地的长输管道、分输管道和服务管线，但不适用于氢气体积分数小于10%的管道系统。AIGA 033/06—2006 与CGA G-5.6—2005内容基本一致，两者适用于氢气及氢气混合物的输送和配送系统，但只适用于氢气摩尔分数大于10%，或氢气摩尔分数小于10%且CO 含量大于200µL/L的管道系统。

在国内，专用于掺氢天然气管道的标准规范也尚未颁布，与掺氢天然气管道有关的标准只有GB/T 34542.2—2018《氢气储存输送系统第2部分：金属材料与氢环境相容性试验方法》，规定了含氢混合气环境中材料原位力学性能的测试方法。现有的天然气及氢气管道相关标准包括GB 50251《输气管道工程设计规范》、GB 4962《氢气使用安全技术规程》、GB/T 29729《氢系统安全的基本要求》、GB/T 34542.1《氢气储存输送系统第1部分：通用要求》、GB/T 34542.3 《氢气储存输送系统第3 部分：金属材料氢脆敏感度试验方法》、GB 50177《氢气站设计规范》等，对掺氢天然气管道相关标准规范的制定具有一定借鉴意义。

3 面临的挑战

我国天然气管网比较完善，管道规模大，分布范围广，向已有的天然气管道掺入氢气，有利于实现氢能的大规模输运。目前我国对掺氢天然气管道输送技术的研究多集中于科研院校，相关示范应用项目经验较少，整体来说，与国际发达国家还有较大差距。结合我国掺氢天然气管道输送发展现状，从基础设施、管材与装备、安全保障与标准体系、产业化与市场形成方面提出国内发展掺氢天然气管道输送面临的挑战与建议。

（1）掺氢天然气基础设施规划与建设 2020年4月，国家能源局发布了《中华人民共和国能源法（征求意见稿）》[37]，明确将氢能纳入能源种类，这意味着氢能包括掺氢天然气产业的发展迈出了重要一步。然而，目前我国掺氢天然气发展缺少国家层面的战略性统筹规划，相应的法律法规和产业政策等配套支撑也未完善。建议针对我国掺氢天然气产业发展现状及趋势，整合氢能、天然气、电力等产业链资源，规划部署掺氢天然气管道输送网络，因地制宜，有序推进掺氢天然气基础设施建设，促进掺氢天然气管道输送系统的可协调发展。

（2）掺氢天然气管道材料与关键装备 目前我国天然气管道与掺氢天然气的相容性研究已取得阶段性成果，但管材与真实掺氢天然气的相容性数据库仍不够完善。宜搭建多个掺氢天然气环境材料力学性能原位测试平台，建立金属及非金属管材掺氢相容性测试评价方法和性能指标，研究管材在真实掺氢天然气环境下服役性能劣化规律和机理，提出掺氢天然气管道失效控制方法，为相关项目的实施以及规范标准的制定提供有力支撑。同时，应加快掺氢天然气用压缩机、报警仪、混气撬等关键设备的研发，保障掺氢天然气管道输送系统的运行与安全。

（3）掺氢天然气管道输送系统安全保障技术及标准体系 掺氢天然气管网失效后的泄漏和爆炸问题较为复杂，今后需针对这些问题展开深入研究，同时数值模拟与试验结果是否吻合也亟待检验，为掺氢天然气管道输送涉及的掺氢比例选取、管道监测检查、风险评价等提供理论依据，以形成泄漏监测与防护、量化风险评价、应急处置等系统安全保障成套技术。针对国内外尚缺乏掺氢天然气管道输送专用标准规范问题，研究建立符合我国国情的掺氢天然气管道设计、建造、运行、管理等一系列标准，形成既有针对性又有整体性的掺氢天然气管道规范体系，促进氢能产业发展。

（4）产业化与市场形成 我国掺氢天然气产业化处于初步发展阶段，除上述挑战外，还需构建“制氢-储/运氢-用氢-商业运营”一体化的产业体系，因地制宜、分区施策，形成适合我国掺氢天然气产业发展特点的多元化发展模式。在此基础上，从国家政策税收、技术研发等层面出发，降低包括可再生能源制氢、气体输运、用户终端调试等在内的掺氢天然气系统成本，并保证其性能和使用寿命，为掺氢天然气市场形成提供支撑。同时，可通过氢能信息传播与教育、掺氢天然气应用示范等手段提高公众接受度，尽快实现掺氢天然气市场化。

4 结语

掺氢天然气管道输送是解决风光电消纳问题的有效方式之一，也是目前输送氢气的有效手段之一。各国学者对掺氢天然气管道输送开展了大量的理论和试验研究，相应的掺氢天然气管道系统示范应用项目也陆续开展。但掺氢天然气管道输送系统涉及的技术及安全等问题具有复杂性和多样性，存在诸多挑战。攻克掺氢天然气管道输送安全关键技术、推动基础设施建设、积累示范应用经验、完善相关技术标准体系，是推动掺氢天然气管道输送规模化、产业化、市场化应用的重要基础。