終端燃氣管網摻氫運輸發(fā)展分析及相關建議

師建光

中國石油天然氣銷售浙江分公司 浙江杭州 310051

1 國外城燃管網摻氫發(fā)展現狀及規(guī)劃情況

2000 年以來，全球主要發(fā)達經濟體逐步開展了天然氣摻氫相關應用技術研究。根據IEA 數據顯示，目前全球共有超過40 個天然氣管網摻氫示范項目，重點研究了不同摻氫比例對天然氣輸配基礎設施、計量監(jiān)測及終端應用設備等的影響等[1]。

以歐美為例，英國HyDeploy 城燃管網摻氫試驗項目摻氫比例最高達到30%，且當摻氫比例低于20%可實現管網穩(wěn)定運行；意大利SNAM 公司實現城燃管網混氫比例10%以下穩(wěn)定運行；荷蘭Ameland 公司于2008～2011年實現管網年均摻氫12%；北美因天然氣和頁巖氣資源稟賦較好，對摻氫探索較歐洲保守，但已有實驗證明，摻氫比例不高于5%時，幾乎不會影響天然氣鍋爐和燃氣灶等終端設備的使用。天然氣基礎設施耐氫性研究結果見圖1。

圖1 天然氣基礎設施耐氫性研究結果

應用場景方面，國外摻氫項目混合氣終端利用多為直接燃燒，多數用于民用灶具。根據目前實驗結果來看，在摻氫比例不高于30%時，下游設備對氫氣具備的較好適應性。行業(yè)標準方面，國際上仍然缺乏摻氫天然氣輸送管道專用的標準規(guī)范，但發(fā)布了適用于氫氣輸送管道的相關標準，具有一定的借鑒意義。如歐洲壓縮氣體協(xié)會的CGAG- 5.6- 2005 （Reaffirmed 2013） 《Hydrogen Pipeline Systems》、美國機械工程師協(xié)會的ASME B31.12—2019《氫氣管道和管線》（壓力管道規(guī)范）、亞洲工業(yè)氣體協(xié)會的AIGA 033/ 06- 2006 《Hydrogen Transportation Pipelines》（氫氣運輸管道規(guī)范）等。

發(fā)展規(guī)劃方面，英國計劃投入227 億英鎊，于2028 年在英格蘭北部向數百萬家庭提供摻氫天然氣；法國計劃2030 年實現天然氣管網摻氫比例不低于20%；意大利SNAM 公司計劃通過摻氫每年向300 萬戶家庭提供70億m3氫氣；德國計劃2030 年實現天然氣管網摻氫輸送比例不低于10%，并提出將建設總里程達5900km 的輸氫網絡，其中90%將依托現有天然氣管道改造；俄羅斯計劃未來每年向歐洲提供最高20%比例氫氣的混合氣[2]。

2 我國城燃管網摻氫發(fā)展現狀及前景分析

國內城燃管網摻氫處于起步期，唯一摻氫項目（遼寧朝陽燕山湖摻氫示范項目）也處于試驗階段，項目采用綠電制氫（產能1000m3/ h）后進入城燃管網。此外，張家口摻氫示范項目處于前期研究階段，該項目計劃氫氣輸送量達440 萬m3/ a，下游用戶主要為居民、公服及CNG 汽車交通；深圳、佛山等地也啟動了城燃管網摻氫前期研究及示范項目方案研究。

摻氫天然氣物性方面，摻氫天然氣氣質組分隨著摻氫比例上升而變化，甲烷含量降低、氫氣含量上升，造成同等標準體積下天然氣熱值、華白數增大及燃燒速度指數減小，目前國內城鎮(zhèn)燃氣設施均按照《城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范》（GB 50028—2006）基于12t 基準氣性能指標進行設計，天然氣熱值標準值為37.78MJ/ m3、華白數標準值為50.73MJ/ m3、燃燒速度指數標準值為40.3。當摻氫比例10%時，天然氣熱值降至35.6MJ/ m3；當摻氫比例20%時，天然氣熱值降至33.1MJ/ m3，當摻氫比例低于23%時，摻氫天然氣的性能指數仍處于規(guī)范準許波動范圍內，滿足終端用戶設備互換性要求。

技術可行性方面，我國城燃管網通常采用中、低壓兩級壓力機制，管網運輸壓力一般低于4MPa，管道材質一般采用低強度鋼和非金屬聚乙烯[3]，研究認為，我國輸配管網在摻氫比例低于20%且氫氣分壓低于0.8MPa 時，不會對天然氣管道造成顯著影響，管道的氫脆基本可以忽略。在此工況下，燃氣設施實測熱負荷與額定熱負荷偏差一般小于6%[4]，低于《家用燃氣灶具》（GB 16410—2007）規(guī)定的±10%。另外，因工業(yè)燃氣設施類型多樣化，難以界定不同摻氫比例所引發(fā)的普遍影響，需基于特定工業(yè)用戶制定適用的摻氫標準；交通方面，CNG 汽車摻氫比例不宜高于18%否則容易出現發(fā)動機爆震現象。

經濟可行性方面，不同于純氫管道、液氫和高壓氫氣運輸，管道摻氫運輸可充分利用現有城燃管網設施，運輸成本僅需考慮管道可變運行費用，約0.05 元/ m3。氫氣制取成本方面，工業(yè)副產制氫無需增加額外資本及原料投入，制氫成本優(yōu)勢明顯僅0.9～1.45 元/ m3；若按風光平價上網電價測算，電解水制氫成本約1.3～1.7 元/ m3，順價至終端氫氣成本約0.95～1.75 元/ m3，與等熱值交通用天然氣成本相近。遠期，隨著綠電成本進一步下降，若制氫成本低于0.8 元/ m3（度電成本低于0.13 元/ kWh），則氫能可與天然氣實現競爭，推動城市氫能整體替代。

發(fā)展前景方面，一是，受雙碳目標下可再生主體能源定位推動和分散領域碳捕集需求增加，城鎮(zhèn)氫能中遠期利用前景廣闊。《中國氫能源及燃料電池產業(yè)白皮書》預測，2050 年我國氫能需求量約6000 萬t（6700 億m3氫氣），實現在居民、公服、交通、工業(yè)等終端領域普及應用，在終端能源消費占比將達到10%；結合國網能源研究院對我國中長期電力需求結構預測，2050 年可再生能源制氫量將達到4000 萬t（4500 億m3氫氣），占總需求的67%。二是城燃管網摻氫將呈現“先摻后替”發(fā)展趨勢。根據相關機構研究成果，我國城燃用氣高峰預計在2035～2040 年，居民公服用氣2040 年達峰峰值880 億m3，之后逐漸進入平臺期、下降期；采暖用氣穩(wěn)增快降，逐步向調峰熱源轉變，2040 年峰值630 億m3；交通用氣CNG 逐年萎縮，LNG保持增長，2040 年峰值580 億m3。后期為實現碳中和目標需進一步加強小型化、分散式等不易碳捕集領域用能替代，2060 年我國城燃天然氣用量預計將下降至560 億m3。假設2040 年以前以摻氫為主（摻氫比例按20%計），則2040 年左右我國城燃管網摻氫量可達320 億m3，后期隨著城市用天然氣規(guī)模下降，城燃管道利用率將進一步下降，2060 年摻氫量可達140 億m3。城燃設施將逐步向純氫輸送轉型，實現氫能對天然氣逐步替代。

支持政策方面，目前城燃管網摻氫行業(yè)相關政策相對較少，呈現“頂層設計缺失、地方政策主導”特征。國家層面，尚未出臺明確支持政策，僅國務院新聞辦公室發(fā)布的《新時代的中國能源發(fā)展》提出“打造氫能技術應用場景，加速發(fā)展綠氫制取、儲運和應用等氫能產業(yè)鏈技術裝備”。地方層面，部分省市實現先行，北京、天津、山東等地已陸續(xù)出臺管道摻氫相關政策，如2021 年10 月山東濰坊市發(fā)改委發(fā)布《關于支持氫能產業(yè)發(fā)展的若干政策（征求意見稿）》，明確提出鼓勵天然氣管道摻氫及純氫管網建設，對天然氣管道摻氫項目按摻混站設備投資額30%進行補貼，單個摻混站補貼不超過200 萬元；對總長度不少于5km 的純氫管道項目，按純氫管道設備投資額30%進行補貼，補貼總額不超過300 萬元。

主要問題方面，一是國內天然氣管網摻氫的示范案例極少，缺乏理化基礎數據。國內僅遼寧朝陽燕山湖摻氫示范項目處于試驗階段，尚未發(fā)現其他公司開展城市燃氣管網摻氫示范工程，缺乏管道材料與摻氫天然氣的相容性、摻氫天然氣泄漏與爆炸、混燃可燃范圍及燃燒速率等技術基礎數據，此外也缺乏摻氫天然氣運輸成本、對管道系統(tǒng)折舊費用影響、終端承受價格等經濟技術數據，城市燃氣管網摻氫仍處于探索階段。二是國內城鎮(zhèn)燃氣管網摻氫評價方法及標準規(guī)范基本處于空白。我國天然氣管道摻氫仍處于初期起步階段，面臨安全隱患不明晰、標準規(guī)范不完善等諸多問題，現階段開展摻氫試驗仍以參照國外標準體系為主。國家標準《進入天然氣長輸管道的氣體質量要求》（GB/ T 37124—2018）首次規(guī)定天然氣中最大允許含氫摩爾分數≤3%，但主要針對管輸天然氣質量要求，不適用于摻氫運輸行業(yè)標準。隨著市場主體對天然氣管網摻氫標準需求日益突出，如《氫氣輸送工業(yè)管道技術規(guī)程》等摻氫領域相關標準正加快制定中。

3 城燃公司開展摻氫業(yè)務優(yōu)劣勢分析

雙碳愿景下，城燃業(yè)務峰值將出現在2035～2040 年，后續(xù)將進入下降期，傳統(tǒng)城燃公司做好業(yè)務轉型是保障行業(yè)中長期可持續(xù)發(fā)展的前提。整體來看，城燃公司開展管網摻氫具有“兩大優(yōu)勢、兩大劣勢”。優(yōu)勢方面，一是具有城市燃氣管網基礎優(yōu)勢和用戶優(yōu)勢?；谘芯砍晒?，預計2025 年我國城燃用氣約為1200 億m3，考慮摻氫比例20%，城燃行業(yè)摻氫業(yè)務發(fā)展空間達240 億m3。二是具有儲運設施運營管理經驗優(yōu)勢。傳統(tǒng)城燃公司在銷售城市燃氣的同時，還負責終端管網基礎設施的運營與維護，具有豐富的儲運設施運營和管理經驗，有利于保障摻氫業(yè)務安全運行。劣勢方面，一是缺乏相關技術儲備。我國氫能業(yè)務起步較晚，傳統(tǒng)城市燃氣公司針對管網摻氫尚未實質開展相關業(yè)務試點和技術開發(fā)，發(fā)展基礎薄弱。二是資源錯配，不利于規(guī)?；_展摻氫業(yè)務。

4 建議

（1）啟動終端管網摻氫基礎研究和科技專項攻關，并推進試點示范項目。目前的研究多是在純氫環(huán)境展開，需深入探究實際摻氫天然氣環(huán)境下以及不同氣體雜質（O2、CO 等）環(huán)境下的氫脆問題。建議開展城市燃氣管網摻氫業(yè)務發(fā)展專題研究，全面系統(tǒng)進行城市燃氣管網摻氫機會分析研究，研判我國不同區(qū)域摻氫市場空間。啟動科技專項攻關，理清不同工況和組分下混合氣體對管道、壓縮機、燃氣輪機、計量設施等適應性要求，制定傳統(tǒng)設施改進技術方案。從以下幾個方面實現技術升級：提高檢測設備對混氫天然氣的敏感程度；提高氣相色譜儀組分檢測精度；建立不同工況下壓縮機和燃氣輪機適應性運行方案；提高超聲波流量計計量精度；形成適用于我國的高鋼級混氫輸送管道評價方法及評價標準。建議同步在全國范圍內合理選取試點示范項目，推動城燃管網摻氫示范工程，積累不同鋼級、不同年限、不同摻氫比例等基礎試驗數據，建立完整可行性評估體系。

（2）加快制定城燃管網摻氫行業(yè)標準。《天然氣管道摻氫輸送規(guī)范》等相關標準的制定是我國規(guī)?；l(fā)展城市燃氣摻氫的重要基礎，是城燃行業(yè)低碳綠色發(fā)展的根本支撐，可助力我國早日實現碳中和目標。

（3）研制適應摻氫利用的終端設備。一方面天然氣摻氫后將降低熱值、華白數等參數，增大火焰燃燒速度引發(fā)燃具回火風險，降低燃氣灶、工業(yè)鍋爐燃燒效率；另一方面現有終端檢測設備（如氣體檢測設備、氣相色譜儀、火焰電離檢測和熱傳導傳感器等）對氫氣不敏感，摻氫會對檢測結果可靠性和精度有較大影響[5]。建議研制適應摻氫工況的燃具、爐具以及相關配套設備，從用戶側擴大摻氫天然氣消費空間，從生產側增加城燃及周邊業(yè)務盈利點，有力推動我國城燃行業(yè)綠色低碳轉型。