天然气掺氢技术发展现状及相关标准体系

上海舜华新能源系统有限公司 刘京京 李志军 何宏凯

2021年10月，国务院印发《2030年前碳达峰行动方案》，明确要求到2030年前，非化石能源消费比重达到25%左右，加快氢能技术研发和示范应用，加快先进适用技术研发和推广应用，集中力量开展复杂大电网安全稳定运行和控制；大容量风电、高效光伏、低成本可再生能源制氢等，为推动各方进行能源低碳转型，最终实现绿色发展提供了强大动力。

由于我国特殊的地理特征，在中西部地区蕴含丰富的水能、风能和太阳能资源，但风能和太阳能存在间歇性、波动性等不稳定特性，导致该地区可再生能源的发电量难以完全消纳或用于调峰，从而造成了“弃水弃风弃光”的后果。通过可再生能源“电转气(P2G)”技术用难以并网的发电量进行电解水得到氢气，随后进行氢气的储存、运输和利用，是解决“弃水弃风弃光”问题的有效途径之一。氢气的输送是连接全产业链上下游的关键环节，将其按一定比例掺入天然气形成掺氢天然气，然后利用在役的天然气管道及其输配管网进行输送，是目前可实现安全高效、大规模和长距离输氢至终端用户的最佳潜在方式。

1 天然气掺氢技术发展现状

氢气与甲烷的理化性质对比见表 1。氢气较常规天然气具有体积热值低、最小点火能量低、火焰传播速度快、爆炸极限范围广、扩散系数大等特点。因此，活泼的氢气掺入天然气后，改变了管道和设备内的气质条件，必然对管道、设备的性能和安全维护带来挑战。

表1 氢气与甲烷物化性质对比(101.325 kPa)

1.1 掺氢天然气互换性

氢气和天然气的互换性是应用掺氢天然气需要优先考虑的问题。不同国家和地区所使用的天然气气质不同，进行燃气互换性分析所得到的结果不尽相同，解决终端燃具对掺氢天然气燃料的适应性问题，需要合理确定掺氢比例。燃气互换性的判定方法主要有 Weaver判定法、A.G.A判定法、P Delbourge判定法。1982年，我国基于P Delbourge判定法提出了采用燃烧特性指数华白数和燃烧势来分析和判定燃气互换性，并在规范 GB/T 13611－2006《城镇燃气分类和基本特性》中给出了华白数和燃烧势的计算方法和取值范围。

英国学者[1]研究得出，掺氢比例为10%时，当地使用的多数天然气燃气设备能够较好地适应，家用灶具受华白数、回火指数的影响，掺氢比例不应超过23%。比利时学者[2]通过计算华白数得到将低于 17%的氢气掺入本国天然气后可直接供应于家用、商用燃具。国内马向阳等人[3]以12T天然气为基础气，采用高华白数和燃烧势计算方法得出向12T天然气中掺入氢气的最高掺氢比例为23%，并对掺氢比例分别为5%、10%、15%、20%的掺氢天然气进行了燃烧实验，结果表明随着掺氢比的增加，家用燃气灶的热负荷逐渐下降，热效率不断提高，燃烧所排放的污染物含量低于纯天然气。

不同的燃气互换性判别方法侧重点不同，故掺氢比例没有统一的使用标准。天然气掺氢后，热值、华白数等参数会下降，火焰的燃烧速度会上升，将混氢天然气作为燃料或工业用品供应于各个终端用户使用的潜在影响，需要进行深入的研究。

1.2 掺氢天然气与输送管道材料相容性

氢气与天然气掺混后，由于氢含量增加，在管道局部区域可能会达到饱和，使材料的韧性降低，诱发裂纹或产生滞后断裂，造成氢脆。同时，氢也会与天然气管线钢中的碳反应生成甲烷，造成钢脱碳和产生微裂纹，导致钢材的材料性能不可逆转的恶化，出现氢损伤。因此，输气管道及其配套设施对氢气的适应性是决定能否掺氢及掺氢比例多少的主要因素。目前，掺氢天然气的运输是以在役的天然气管道为基础，发生氢损伤的风险较大，而输配管网管材多为聚乙烯管、低强度钢管和球墨铸铁管，发生氢损伤的风险较低。

为了保证混氢天燃气管道的运行安全性，需要将氢气的浓度控制在一定的范围内，并且分析不同掺氢比条件下管材的适应性及需采取的风险应对措施。Capelle等人[4]使用带有缺口的试样钢材X52、X70、X100进行了电化学充氢实验，结果表明，存在一个临界的氢浓度值，当氢浓度超过该值时，氢对钢材的裂纹产生和扩展影响增大。为了保证输气管道在服役期间的运行可靠性，张小强等人[5]建立了在役天然气管道掺氢后管材的适应性分析流程，当氢气的掺混比例小于 10%时，若管道钢级低于X52，可直接输送掺氢天然气；反之，则需要从管材韧性、化学元素、硬度和强度等方面进行适应性分析，确定需要采取的应对措施。蒙波等人[6]对天然气X80管线钢开展了氢与金属相容性实验，得到了12 MPa压力下掺氢比分别为0%、5%、10%、20%、50%时的X80钢的断裂安全、疲劳寿命、性能劣化(拉伸性能、疲劳性能、氢脆敏感指数)的变化趋势，总结了X80管材在富氢天然气环境中的适用性。

总体来说，氢气含量较低的掺氢天然气对现有输送管网有较好的相容性，随着氢气含量的增加，对输送管道管材的要求更加严格。同时，需要开展不同掺氢比例对不同输送管道材料的影响研究，建立相应的管道材料性能劣化数据库，为后续实际大规模输送混氢天然气或氢气提供丰富的数据基础。

1.3 掺氢天然气与所涉设备相容性

在天然气中掺混氢气不仅会影响输送管道，还可能导致沿线部件产生氢脆、氢损伤，且随着氢气掺入量的变化，掺输设备、计量设备的可靠性和准确性也会发生变化，存在失效的风险。因此，以上涉氢设备在材料选择、设计制造、规范标准方面与纯天然气设备有较大不同。

离心压缩机作为掺氢天然气输送管网中重要的旋转机械设备，其性能对整个系统安全高效的运行意义重大。离心压缩机做增压工作时，气体的动能转化为压能，随着掺氢比的增加，氢气的相对分子质量和密度较小，造成相同的速度减小量增压较小，进而导致压比和轴功率下降。离心压缩机需要适当提高工作转速以满足相同的能量需求，可是制约旋转速度提高的关键因素为材料强度，其受气体介质中氢的影响。

掺氢天然气流量计量包括与终端用户的贸易交接以及长输管道上的流量监测。流量计量技术对于掺氢天然气产业的市场化、规模化具有重要意义。国外针对这两部分建立了较多研究项目，得到了掺氢天然气中氢气含量对不同种类燃气表和流量计的计量偏差和使用寿命的影响，氢气含量低于15%的掺氢天然气对家用燃气表的计量偏差和使用寿命影响较小。对于长输管道，掺氢天然气组分的变化会改变气体的压缩因子，从而产生计量误差，因此降低计量误差的有效方法是进行气体组分分析，可结合在线分析系统或离线分析手段来补充、完善气体组分分析结果，从而保证计量的准确性。

1.4 泄漏、积聚与燃爆

氢气的爆炸极限远大于甲烷，高压状态下发生泄漏易自燃，而且氢气分子直径是甲烷分子直径的75%，在管接头处的渗漏速率约为天然气的3倍，而且掺氢天然气在管道输送过程中连续泄漏，在受限空间内易积聚形成爆炸性气体混合物，若未及时切断泄漏，会引起窒息危险，遇明火容易发生爆燃。天然气中掺氢增大了火焰燃烧速度，会导致更加剧烈的燃烧或爆炸，所以掺氢天然气泄漏、积聚和燃爆是掺氢天然气输送领域的研究重点之一。

在不同的泄漏方式中(渗漏与积聚、意外泄漏与扩散)，掺氢混合物的泄漏情况在掺氢比和材料的影响下表现为不同的规律，而且掺氢混合物的泄漏量与泄漏速度远大于甲烷，但由于氢气的密度低、浮力大，近地面处的氢气积累量较小，降低了混合物被点燃的风险。Maria等人[7]研究了压力、温度以及掺氢比对掺氢天然气爆炸范围的影响，结果表明氢气的体积分数为10%时，没有对掺氢天然气的爆炸范围产生明显影响，但把氢气体积分数提高到25%以上，掺氢天然气的爆炸范围显著增加。Lowesmith等人[8]对开放空间内掺氢混合物的燃烧与爆炸风险进行了实验研究，结果表明：当掺氢比大于20%时，混合物燃烧会出现明显的超压；当掺氢比大于40%时，发生由爆燃转变为爆轰的风险较高。花争立等人[9]对掺氢天然气管道失效引起的欠膨胀喷射火进行了数值模拟研究，得到了掺氢比、管道压力和喷口尺寸对火焰长度和轴线温度分布的影响，发现掺氢比增大加剧了化学反应，导致轴线上的温度上升；随着管道压力、喷口尺寸的增大，泄漏气体燃烧放出的功率增大，使火焰长度也随之增大。

综上，针对掺氢天然气管道泄漏、积聚和燃爆等安全事故已开展了相应的研究，但仍然不够充分，缺少不同工况下掺氢天然气管道发生上述安全事故的特征和演化规律，同时也要大力研究和发展输送管道中潜在安全事故的预警设备和措施，从而为安全事故的防治提供技术支持。

2 天然气掺氢技术相关标准体系

近年来，国内外对天然气掺氢技术开展了相应的研究和示范工作，不断促进相关技术的发展，但仍然面临着许多挑战，相关技术标准和规范存在欠缺。国外针对纯氢气长途输送管道颁布了若干个设计和建造标准，如欧洲工业气体协会EIGA的IGC Doc1 21/41《Hydrogen Pipeline System》、美国机械工程师协会的 ASME B 31.12－2019《Hydrogen Piping and Pipelines》、亚洲压缩气体协会的CGA-5.6《Hydrogen Pipeline System》等，但尚无针对管道长途输运掺氢天然气的相关标准。我国颁布的GB/T 37124－2018《进入天然气长输管道的气体质量要求》中指出，管输气中氢气的摩尔分数应小于 3%，但无氢气输送管道和掺氢天然气输送管道的相关标准。随着对掺氢天然气技术研究的深入，迫切需要建立相应的标准来促进和规范掺氢天然气技术的发展和应用，相关机构正在积极开展标准的立项、起草、编制和审查工作，团体标准《天然气掺氢混气站技术规程》已进入征求意见阶段。

3 结语

氢能是当下被高度关注的清洁能源，是解决“弃水弃风弃光”问题的有效方式之一，现已出现多种具有竞争优势的制氢技术，掺氢天然气技术是输送氢气的最佳潜在方式，但氢气的长距离运输仍面临诸多挑战。本文对掺氢天然气的燃气互换性、与输送管道材料相容性、与所涉设备相容性、安全事故以及标准体系等关键问题进行了文献调研，发现掺氢天然气技术所涉研究领域庞大，合适掺氢比例的确定是掺氢天然气技术的核心，其受系统安全性和经济性的制约。我国对天然气掺氢核心技术的研究仍有很大的不足，仍存在天然气掺氢相关的安全隐患不清晰、标准规范缺乏、应用场景少、改造成本大等重重阻力。

为通过促进掺氢天然气技术的进步，实现推动氢能产业向前发展的目的，建议行业内各方机构共同努力开展核心技术攻关，如天然气掺氢后的管道相容性、氢脆机理、风险与控制措施等；制定和完善天然气掺氢的完整技术管理体系、标准，形成涉氢材料性能关于掺氢比例变化的数据库，并积极开展相关的实验研究和示范工作。