天然氣摻氫技術發(fā)展現狀及相關標準體系

上海舜華新能源系統有限公司 劉京京 李志軍 何宏凱

2021年10月，國務院印發(fā)《2030年前碳達峰行動方案》，明確要求到2030年前，非化石能源消費比重達到25%左右，加快氫能技術研發(fā)和示范應用，加快先進適用技術研發(fā)和推廣應用，集中力量開展復雜大電網安全穩(wěn)定運行和控制；大容量風電、高效光伏、低成本可再生能源制氫等，為推動各方進行能源低碳轉型，最終實現綠色發(fā)展提供了強大動力。

由于我國特殊的地理特征，在中西部地區(qū)蘊含豐富的水能、風能和太陽能資源，但風能和太陽能存在間歇性、波動性等不穩(wěn)定特性，導致該地區(qū)可再生能源的發(fā)電量難以完全消納或用于調峰，從而造成了“棄水棄風棄光”的后果。通過可再生能源“電轉氣(P2G)”技術用難以并網的發(fā)電量進行電解水得到氫氣，隨后進行氫氣的儲存、運輸和利用，是解決“棄水棄風棄光”問題的有效途徑之一。氫氣的輸送是連接全產業(yè)鏈上下游的關鍵環(huán)節(jié)，將其按一定比例摻入天然氣形成摻氫天然氣，然后利用在役的天然氣管道及其輸配管網進行輸送，是目前可實現安全高效、大規(guī)模和長距離輸氫至終端用戶的最佳潛在方式。

1 天然氣摻氫技術發(fā)展現狀

氫氣與甲烷的理化性質對比見表 1。氫氣較常規(guī)天然氣具有體積熱值低、最小點火能量低、火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?、爆炸極限范圍廣、擴散系數大等特點。因此，活潑的氫氣摻入天然氣后，改變了管道和設備內的氣質條件，必然對管道、設備的性能和安全維護帶來挑戰(zhàn)。

表1 氫氣與甲烷物化性質對比(101.325 kPa)

1.1 摻氫天然氣互換性

氫氣和天然氣的互換性是應用摻氫天然氣需要優(yōu)先考慮的問題。不同國家和地區(qū)所使用的天然氣氣質不同，進行燃氣互換性分析所得到的結果不盡相同，解決終端燃具對摻氫天然氣燃料的適應性問題，需要合理確定摻氫比例。燃氣互換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，我國基于P Delbourge判定法提出了采用燃燒特性指數華白數和燃燒勢來分析和判定燃氣互換性，并在規(guī)范 GB/T 13611－2006《城鎮(zhèn)燃氣分類和基本特性》中給出了華白數和燃燒勢的計算方法和取值范圍。

英國學者[1]研究得出，摻氫比例為10%時，當地使用的多數天然氣燃氣設備能夠較好地適應，家用灶具受華白數、回火指數的影響，摻氫比例不應超過23%。比利時學者[2]通過計算華白數得到將低于 17%的氫氣摻入本國天然氣后可直接供應于家用、商用燃具。國內馬向陽等人[3]以12T天然氣為基礎氣，采用高華白數和燃燒勢計算方法得出向12T天然氣中摻入氫氣的最高摻氫比例為23%，并對摻氫比例分別為5%、10%、15%、20%的摻氫天然氣進行了燃燒實驗，結果表明隨著摻氫比的增加，家用燃氣灶的熱負荷逐漸下降，熱效率不斷提高，燃燒所排放的污染物含量低于純天然氣。

不同的燃氣互換性判別方法側重點不同，故摻氫比例沒有統一的使用標準。天然氣摻氫后，熱值、華白數等參數會下降，火焰的燃燒速度會上升，將混氫天然氣作為燃料或工業(yè)用品供應于各個終端用戶使用的潛在影響，需要進行深入的研究。

1.2 摻氫天然氣與輸送管道材料相容性

氫氣與天然氣摻混后，由于氫含量增加，在管道局部區(qū)域可能會達到飽和，使材料的韌性降低，誘發(fā)裂紋或產生滯后斷裂，造成氫脆。同時，氫也會與天然氣管線鋼中的碳反應生成甲烷，造成鋼脫碳和產生微裂紋，導致鋼材的材料性能不可逆轉的惡化，出現氫損傷。因此，輸氣管道及其配套設施對氫氣的適應性是決定能否摻氫及摻氫比例多少的主要因素。目前，摻氫天然氣的運輸是以在役的天然氣管道為基礎，發(fā)生氫損傷的風險較大，而輸配管網管材多為聚乙烯管、低強度鋼管和球墨鑄鐵管，發(fā)生氫損傷的風險較低。

為了保證混氫天燃氣管道的運行安全性，需要將氫氣的濃度控制在一定的范圍內，并且分析不同摻氫比條件下管材的適應性及需采取的風險應對措施。Capelle等人[4]使用帶有缺口的試樣鋼材X52、X70、X100進行了電化學充氫實驗，結果表明，存在一個臨界的氫濃度值，當氫濃度超過該值時，氫對鋼材的裂紋產生和擴展影響增大。為了保證輸氣管道在服役期間的運行可靠性，張小強等人[5]建立了在役天然氣管道摻氫后管材的適應性分析流程，當氫氣的摻混比例小于 10%時，若管道鋼級低于X52，可直接輸送摻氫天然氣；反之，則需要從管材韌性、化學元素、硬度和強度等方面進行適應性分析，確定需要采取的應對措施。蒙波等人[6]對天然氣X80管線鋼開展了氫與金屬相容性實驗，得到了12 MPa壓力下摻氫比分別為0%、5%、10%、20%、50%時的X80鋼的斷裂安全、疲勞壽命、性能劣化(拉伸性能、疲勞性能、氫脆敏感指數)的變化趨勢，總結了X80管材在富氫天然氣環(huán)境中的適用性。

總體來說，氫氣含量較低的摻氫天然氣對現有輸送管網有較好的相容性，隨著氫氣含量的增加，對輸送管道管材的要求更加嚴格。同時，需要開展不同摻氫比例對不同輸送管道材料的影響研究，建立相應的管道材料性能劣化數據庫，為后續(xù)實際大規(guī)模輸送混氫天然氣或氫氣提供豐富的數據基礎。

1.3 摻氫天然氣與所涉設備相容性

在天然氣中摻混氫氣不僅會影響輸送管道，還可能導致沿線部件產生氫脆、氫損傷，且隨著氫氣摻入量的變化，摻輸設備、計量設備的可靠性和準確性也會發(fā)生變化，存在失效的風險。因此，以上涉氫設備在材料選擇、設計制造、規(guī)范標準方面與純天然氣設備有較大不同。

離心壓縮機作為摻氫天然氣輸送管網中重要的旋轉機械設備，其性能對整個系統安全高效的運行意義重大。離心壓縮機做增壓工作時，氣體的動能轉化為壓能，隨著摻氫比的增加，氫氣的相對分子質量和密度較小，造成相同的速度減小量增壓較小，進而導致壓比和軸功率下降。離心壓縮機需要適當提高工作轉速以滿足相同的能量需求，可是制約旋轉速度提高的關鍵因素為材料強度，其受氣體介質中氫的影響。

摻氫天然氣流量計量包括與終端用戶的貿易交接以及長輸管道上的流量監(jiān)測。流量計量技術對于摻氫天然氣產業(yè)的市場化、規(guī)?；哂兄匾饬x。國外針對這兩部分建立了較多研究項目，得到了摻氫天然氣中氫氣含量對不同種類燃氣表和流量計的計量偏差和使用壽命的影響，氫氣含量低于15%的摻氫天然氣對家用燃氣表的計量偏差和使用壽命影響較小。對于長輸管道，摻氫天然氣組分的變化會改變氣體的壓縮因子，從而產生計量誤差，因此降低計量誤差的有效方法是進行氣體組分分析，可結合在線分析系統或離線分析手段來補充、完善氣體組分分析結果，從而保證計量的準確性。

1.4 泄漏、積聚與燃爆

氫氣的爆炸極限遠大于甲烷，高壓狀態(tài)下發(fā)生泄漏易自燃，而且氫氣分子直徑是甲烷分子直徑的75%，在管接頭處的滲漏速率約為天然氣的3倍，而且摻氫天然氣在管道輸送過程中連續(xù)泄漏，在受限空間內易積聚形成爆炸性氣體混合物，若未及時切斷泄漏，會引起窒息危險，遇明火容易發(fā)生爆燃。天然氣中摻氫增大了火焰燃燒速度，會導致更加劇烈的燃燒或爆炸，所以摻氫天然氣泄漏、積聚和燃爆是摻氫天然氣輸送領域的研究重點之一。

在不同的泄漏方式中(滲漏與積聚、意外泄漏與擴散)，摻氫混合物的泄漏情況在摻氫比和材料的影響下表現為不同的規(guī)律，而且摻氫混合物的泄漏量與泄漏速度遠大于甲烷，但由于氫氣的密度低、浮力大，近地面處的氫氣積累量較小，降低了混合物被點燃的風險。Maria等人[7]研究了壓力、溫度以及摻氫比對摻氫天然氣爆炸范圍的影響，結果表明氫氣的體積分數為10%時，沒有對摻氫天然氣的爆炸范圍產生明顯影響，但把氫氣體積分數提高到25%以上，摻氫天然氣的爆炸范圍顯著增加。Lowesmith等人[8]對開放空間內摻氫混合物的燃燒與爆炸風險進行了實驗研究，結果表明：當摻氫比大于20%時，混合物燃燒會出現明顯的超壓；當摻氫比大于40%時，發(fā)生由爆燃轉變?yōu)楸Z的風險較高?；幜⒌热薣9]對摻氫天然氣管道失效引起的欠膨脹噴射火進行了數值模擬研究，得到了摻氫比、管道壓力和噴口尺寸對火焰長度和軸線溫度分布的影響，發(fā)現摻氫比增大加劇了化學反應，導致軸線上的溫度上升；隨著管道壓力、噴口尺寸的增大，泄漏氣體燃燒放出的功率增大，使火焰長度也隨之增大。

綜上，針對摻氫天然氣管道泄漏、積聚和燃爆等安全事故已開展了相應的研究，但仍然不夠充分，缺少不同工況下摻氫天然氣管道發(fā)生上述安全事故的特征和演化規(guī)律，同時也要大力研究和發(fā)展輸送管道中潛在安全事故的預警設備和措施，從而為安全事故的防治提供技術支持。

2 天然氣摻氫技術相關標準體系

近年來，國內外對天然氣摻氫技術開展了相應的研究和示范工作，不斷促進相關技術的發(fā)展，但仍然面臨著許多挑戰(zhàn)，相關技術標準和規(guī)范存在欠缺。國外針對純氫氣長途輸送管道頒布了若干個設計和建造標準，如歐洲工業(yè)氣體協會EIGA的IGC Doc1 21/41《Hydrogen Pipeline System》、美國機械工程師協會的 ASME B 31.12－2019《Hydrogen Piping and Pipelines》、亞洲壓縮氣體協會的CGA-5.6《Hydrogen Pipeline System》等，但尚無針對管道長途輸運摻氫天然氣的相關標準。我國頒布的GB/T 37124－2018《進入天然氣長輸管道的氣體質量要求》中指出，管輸氣中氫氣的摩爾分數應小于 3%，但無氫氣輸送管道和摻氫天然氣輸送管道的相關標準。隨著對摻氫天然氣技術研究的深入，迫切需要建立相應的標準來促進和規(guī)范摻氫天然氣技術的發(fā)展和應用，相關機構正在積極開展標準的立項、起草、編制和審查工作，團體標準《天然氣摻氫混氣站技術規(guī)程》已進入征求意見階段。

3 結語

氫能是當下被高度關注的清潔能源，是解決“棄水棄風棄光”問題的有效方式之一，現已出現多種具有競爭優(yōu)勢的制氫技術，摻氫天然氣技術是輸送氫氣的最佳潛在方式，但氫氣的長距離運輸仍面臨諸多挑戰(zhàn)。本文對摻氫天然氣的燃氣互換性、與輸送管道材料相容性、與所涉設備相容性、安全事故以及標準體系等關鍵問題進行了文獻調研，發(fā)現摻氫天然氣技術所涉研究領域龐大，合適摻氫比例的確定是摻氫天然氣技術的核心，其受系統安全性和經濟性的制約。我國對天然氣摻氫核心技術的研究仍有很大的不足，仍存在天然氣摻氫相關的安全隱患不清晰、標準規(guī)范缺乏、應用場景少、改造成本大等重重阻力。

為通過促進摻氫天然氣技術的進步，實現推動氫能產業(yè)向前發(fā)展的目的，建議行業(yè)內各方機構共同努力開展核心技術攻關，如天然氣摻氫后的管道相容性、氫脆機理、風險與控制措施等；制定和完善天然氣摻氫的完整技術管理體系、標準，形成涉氫材料性能關于摻氫比例變化的數據庫，并積極開展相關的實驗研究和示范工作。