中國儲能網(wǎng)訊：天然氣摻氫相關(guān)應(yīng)用技術(shù)在2000年之后開始被深入研究。據(jù)IEA數(shù)據(jù)，全球開展了近40個摻氫天然氣管道輸送系統(tǒng)應(yīng)用示范項目，研究了天然氣管道系統(tǒng)中摻入不同比例氫氣后輸送以及終端應(yīng)用等的安全性。盡管摻氫天然氣管道輸送示范項目較多，國際上對于天然氣管道系統(tǒng)中可摻氫比例仍未形成一致結(jié)論。
各國/地區(qū)天然氣管道內(nèi)最高氫體積分?jǐn)?shù)限制
IEA數(shù)據(jù)顯示，2020年全球天然氣摻氫的規(guī)模從2013年的500噸增加到3500噸，增長了7倍。所有正在推進的天然氣摻氫項目都能落地，2030年，其規(guī)模將可能增加700多倍，氫氣總摻入量將大于200萬噸。若需要達到2030年全球凈零排放的要求，氫氣總摻入了需要可以達到5300萬噸。巨大的需求缺口，表明天然氣摻氫市場前景可觀。
國際天然氣管網(wǎng)摻氫情況及預(yù)估 來源：IEA
在實際應(yīng)用中，天然氣摻氫的討論與項目集中在天然氣管網(wǎng)摻氫中，用以解決氫氣運輸成本高的問題。在下游應(yīng)用中，國內(nèi)積極探索了HCNG汽車、摻氫天然氣發(fā)電、天然氣摻氫內(nèi)燃機、民用摻氫天然氣等應(yīng)用，其中又以“氫進萬家”為代表的民用天然氣摻氫最受關(guān)注。由于管道運輸和民用領(lǐng)域?qū)τ诎踩珕栴}敏感，項目的實驗驗證周期長，因此天然氣摻氫一直處于示范的階段，而且規(guī)模有限，商業(yè)化進程推進緩慢。
（一）國外典型天然氣管道摻氫項目案例
歐盟NaturalHy 項目。為了評估摻氫對現(xiàn)有天然氣管網(wǎng)的影響，39 個歐盟合作單位2004至2009年大范圍實驗研究了工業(yè)用和家用加氫天然氣的氣體溢出和爆炸行為，評估了加氫量的影響。摻氫天然氣比從100%、70%、50%至 20%進行了管道斷裂韌性和安全風(fēng)險相關(guān)實驗和研究。實驗表明：從產(chǎn)生氣體積聚的本性來看，HCNG建筑內(nèi)的溢出特性和天然氣類似。但是，氣體的濃度和聚集的體積隨著氫氣的添加而增加，不過50%內(nèi)的增加值很輕微；室內(nèi)爆炸的嚴(yán)重性會隨著氫氣的增加而加重，但是對于 20%的HCNG來說危害的加重微乎其微。
NaturalHy概念圖
英國Hy Deploy示范項目2020年1月正式投入運營。項目包括試驗研究和示范工作兩個階段。前期試驗研究工作表明，在摻氫比例為20%的摻氫天然氣條件下，家用燃氣用具和配送管道使用性能良好，而現(xiàn)有氣體探測器易受氫氣干擾無法保證測量準(zhǔn)確度，需另開發(fā)新型可在摻氫天然氣環(huán)境下工作的氣體探測器。示范階段向基爾大學(xué)專用天然氣管網(wǎng)和英國北部天然氣管網(wǎng)注入20%比例的氫氣，為100戶家庭和30棟教學(xué)樓提供摻氫天然氣。測試表明，所測試的各種家用電器都能在氫氣濃度高達28.4 %的情況下安全運行。全國范圍內(nèi)推廣使用20 %氫氣混合物可減少的碳排放量相當(dāng)于減少了250萬輛汽車行駛。
Hy Deploy 項目設(shè)計流程圖
荷蘭Ameland項目于2008至2011年開展了有關(guān)將風(fēng)電制氫摻入當(dāng)?shù)靥烊粴夤芫W(wǎng)的研究，其中2010年年平均氫氣摻入體積分?jǐn)?shù)達到12%。
德國Falkenhagen 2MW電轉(zhuǎn)氫能示范電廠于2013年完全服役，制取的氫氣被直接送入天然氣管線。法國環(huán)境與能源控制署(ADEME)贊助的“GRHYD”項目則將可再生能源制得的氫氣摻入天然氣中供加氫站和居民使用，摻氫體積分?jǐn)?shù)最高將達到20%。
德國意昂(E.ON)的子公司Ava-con2019年8月計劃將其天然氣管網(wǎng)的氫氣混合率提高到20%。Ava-con在斯科普斯多夫市安裝400套供暖系統(tǒng)并和其他用戶設(shè)備進行“酸性試驗”。
此外，德國天然氣網(wǎng)絡(luò)運營商協(xié)會（FNB Gas）曾指出，鑒于德國的天然氣基礎(chǔ)設(shè)施較為完善，氫氣適合在德發(fā)展，并將敦促政府逐年遞增天然氣管網(wǎng)納入氫氣的比例，如從2021年的1%升至2030年的10%。
法國計劃是到2023年工業(yè)用氫氣的生產(chǎn)脫碳約10%，并撥出1億歐元鼓勵使用氫氣，特別是用于運輸。為了達成該目標(biāo)，GRTgaz、GRDF、Eleng等運營商表示，法國網(wǎng)絡(luò)最初可以使用混合6%氫氣的天然氣。2019年11月，法國天然氣管道運營商表示，從2030年起，法國天然氣網(wǎng)絡(luò)可能會進行改造，以管道輸送天然氣與20%氫氣的混合物。
日本三菱日立動力系統(tǒng)有限公司（MHPS）將體積分?jǐn)?shù)30%的摻氫天然氣通入大型燒燃氣輪機中進行測試。結(jié)果表明，MHPS專用燃燒器燃燒摻氫天然氣可以實現(xiàn)燒燃氣輪機穩(wěn)定運行，與單純?nèi)紵烊粴庀啾?，CO2排放量可以減少10%，發(fā)電效率大于63%，且除了燃燒器外，其他部件可以不用改動，減少了改造的成本。
澳大利亞2020年初消息，昆士蘭政府與澳大利亞天然氣網(wǎng)絡(luò)公司合作，進行天然氣摻氫實驗。目前，該公司已獲得超過170萬美元的資金，用于建設(shè)一個混合設(shè)施，將10%的綠氫摻入到天然氣網(wǎng)絡(luò)中。這是澳大利亞首個將可再生氫與住宅、商業(yè)及工業(yè)客戶鏈接為一體的天然氣摻氫項目。
俄羅斯聯(lián)邦能源部2020年8月公布了其第一份氫能戰(zhàn)略發(fā)展路線圖，其中莫斯科方面最看重的應(yīng)用是出口氫氣，從而確保其全球能源市場地位。俄氣的重要氫能試點項目，就是研究在現(xiàn)有天然氣管網(wǎng)中摻氫，以向歐洲大陸輸送含有最高20%氫氣比例的混合氣。
（二）我國典型天然氣管道摻氫項目案例
2019年以來，在國電投、中石化、國家管網(wǎng)等央企努力下，國內(nèi)在天然氣管網(wǎng)摻氫項目上取得了突破性的進展。在社會認(rèn)知、技術(shù)積累、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、示范項目和發(fā)展規(guī)劃等方面均取得了實質(zhì)進展，帶動了全國部分省市將天然氣摻氫項目列入產(chǎn)業(yè)規(guī)劃。隨著天然氣管道摻氫運輸逐漸受到認(rèn)可，從2021年底、2022年初開始，國內(nèi)天然氣摻氫項目的熱點發(fā)生了兩個重點變化：從運輸環(huán)節(jié)向應(yīng)用環(huán)節(jié)發(fā)展，從民用領(lǐng)域向工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展。從運輸向應(yīng)用的轉(zhuǎn)變，有利于更快地形成商業(yè)化項目，推進能源終端應(yīng)用減碳；對比民用領(lǐng)域，工業(yè)領(lǐng)域的安全管理更加規(guī)范，更容易推行。
朝陽項目。國家電投集團燕山湖發(fā)電有限公司聯(lián)合國家電投集團科學(xué)技術(shù)研究院，于2018年在遼寧朝陽開展國內(nèi)首個天然氣摻氫示范項目研究。利用可再生能源電解堿液產(chǎn)生10Nm3/h的“綠氫”，設(shè)計摻氫比為3%-20%，實際運行以 10%的摻氫比例做為燃料使用，其采用電氣式隨動摻氫結(jié)構(gòu)。主氣源天然氣和隨動氣源氫氣根據(jù)各自的實時流量、溫度、壓力采集數(shù)值，通過 PLC（Programmable Logic Controller）控制系統(tǒng)，結(jié)合階梯過渡的算法，控制調(diào)節(jié)裝置開度，對混合氣實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)。同時，經(jīng)混合氣體經(jīng)靜態(tài)混合器中多組渦流發(fā)生器將兩種氣體充分互混合，供終端用戶使用。2021 年 10月，該項目在民用終端應(yīng)用驗證方面取得了新進展，成功召開了應(yīng)用成果見證會。此項目已安全運行了 1 年，在此過程中，探索了天然氣摻氫工藝、輸送過程、摻氫比對管道的腐蝕作用、以及安全監(jiān)測以及使用過程的整體流程研究，達到全面驗證示范氫氣“制取-儲運-摻混-綜合利用”產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵技術(shù)的目的。鑒于此項目的理論和實踐積累，編制了“天然氣摻氫混氣站技術(shù)規(guī)程”團體標(biāo)準(zhǔn)意見稿。為我國天然氣摻氫輸送技術(shù)發(fā)展提供了整體設(shè)計和工程實現(xiàn)的理論依據(jù)和實踐經(jīng)驗。
朝陽示范項目具體布局示意圖
張家口項目。2020年9月，“天然氣摻氫關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用示范”項目啟動會在張家口市召開，該項目是河北省首個天然氣摻氫示范項目，摻氫天然氣最終將應(yīng)用于張家口市的商用用戶、民用用戶和HCNG汽車，未來預(yù)計每年可向張家口市區(qū)輸送氫氣400余萬立方米，每年減少150余萬立方米天然氣用量及3000余噸碳排放量。
目前吉林省白城市、四川省成都市、內(nèi)蒙古烏海、安徽省六安市等城市的氫能規(guī)劃中均提及天然氣摻氫內(nèi)容。
（三）天然氣摻氫燃燒發(fā)電案例
近年來，日本三菱日立、美國通用電氣、德國西門子能源和意大利安薩爾多能源公司等國際主要燃機廠商，均針對對摻氫燃料用于燃機開展研究、試驗和示范應(yīng)用工作，并已取得一定的技術(shù)突破和少量的實際應(yīng)用經(jīng)驗，也分析指出燃氫電廠在未來電源結(jié)構(gòu)中將起到重要的儲能調(diào)峰作用。三菱日立動力系統(tǒng)公司2018年開展了大型氫燃料燃機測試，氫氣含量30%的氫燃料測試結(jié)果表明，新開發(fā)的專有燃燒器可以實現(xiàn)混氫燃料的穩(wěn)定燃燒，與純天然氣發(fā)電相比可減少10%的二氧化碳排放，聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率高于63%。西門子能源也致力于提高燃氣輪機的燃氫能力。2019年，西門子能源承諾，將在2030年前實現(xiàn)100%燃氫燃氣輪機，并且涵蓋從小功率到重型燃氣輪機的所有產(chǎn)品組合。
燃機廠商氫燃料燃機研究進展
國內(nèi)積極探索了HCNG汽車、摻氫天然氣發(fā)電、天然氣摻氫內(nèi)燃機等應(yīng)用。其中，摻氫天然氣發(fā)電項目在全球都屬于前沿探索領(lǐng)域。
1．荊門綠動電廠摻氫項目
2021年12月23日，國家電投荊門綠動電廠在運燃機，成功實現(xiàn)15%摻氫燃燒改造和運行，機組具備了純天然氣和天然氣摻氫兩種運行模式的兼容能力。12月26日，改造后的機組接受電網(wǎng)調(diào)度，正式投入運行，整體方案可行性得到驗證，這標(biāo)志著國內(nèi)已掌握一套完整的燃氣輪機電站摻氫改造工程設(shè)計方案。
國家電投湖北分公司荊門氫混燃機示范項目為改造項目，設(shè)計最高摻氫比例為30%。天然氣取自原天然氣管網(wǎng)，氫氣在初始階段由氣體公司經(jīng)管束車供氣，遠期考慮鋪設(shè)氫氣管道輸送至電廠。
因氫氣快速的燃燒速度與廣泛的自燃溫度范圍，在燃機中使用摻氫天然氣易存在閃回的風(fēng)險（向后火焰分布到燃燒器中）。本項目中燃氣輪機氫氣含量的最大允許變化率限制為±0.5vol%/s，壓力保持在燃氣輪機允許的限度內(nèi)。因此對于混氣站的摻氫精度、穩(wěn)定性都有較高要求。
本混氫站摻混點位于天然氣調(diào)壓站后。天然氣從調(diào)壓站后管道引出，與氫氣經(jīng)氫氣調(diào)壓撬后管道通過三通進行并氣，并氣后混合氣體進入混合撬進行靜態(tài)預(yù)混，預(yù)混后的混合氣燃料通入燃氣輪機燃料進氣主管路。
燃機混氫站流程簡圖
混氫站主要含卸氫部分、氫氣調(diào)壓部分、混氫部分及控制系統(tǒng)。卸氫部分主要是卸車柱的設(shè)計，卸氫壓力為4-20MPa，集卸車、吹掃、超壓保護于一體，保障安全卸氣。調(diào)壓撬塊是將氫氣調(diào)壓至3.2MPa，采用1×100%運行設(shè)計，預(yù)留吹掃放空功能，并設(shè)置緊急切斷系統(tǒng)?；鞖洳糠种饕少|(zhì)量流量計、調(diào)節(jié)閥、靜態(tài)混合器等構(gòu)成，高精度流量計帶壓力溫度補償，保證氫氣、天然氣流量的準(zhǔn)確性；氣動調(diào)節(jié)閥316材質(zhì)，在純氫介質(zhì)下能夠長期抵制氫脆現(xiàn)象，精度控制在1%以內(nèi)；靜態(tài)混合器設(shè)計異向擾流器，同時保證摻混罐容積，保證混合氣的停留時間，提高摻混均勻性。控制系統(tǒng)主要用于保障氫氣混合的精度以及整站的安全運行。天然氣根據(jù)燃機負(fù)荷控制進氣流量，氫氣管路按照（天然氣的流量/70%）×30%（最大）的流量設(shè)定值控制閥門開度，天然氣流量、氫氣流量、混合氣的氫濃度與氫氣管路的比例調(diào)節(jié)閥形成閉環(huán)控制；混合器下游設(shè)置的色譜儀，對混合后的燃料熱值和氫氣比例進行動態(tài)監(jiān)測，并設(shè)定報警，高高報警，氫氣比例超限的連鎖保護等。
此外，混氫站配備有完善的氮氣置換吹掃系統(tǒng)、安防報警系統(tǒng)、安全放散系統(tǒng)，包含緊急切斷閥、止回閥、過濾器、安全閥等必要的閥件；放空、排污采用雙閥，減少泄漏風(fēng)險；充分考慮防火間距，保持氫氣使用區(qū)域的良好通風(fēng)；所有設(shè)備均滿足ExZone1IIBT4；氫氣管路材質(zhì)附件滿足GB50516、50177等相關(guān)規(guī)定，避免氫脆。同時，因氫氣的焦湯負(fù)效應(yīng)，氫氣在減壓節(jié)流過程中產(chǎn)生一定的溫升，本項目根據(jù)計算滿足燃機對于氣體燃料進氣溫度要求。
2．浙江石化燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)電站項目
2022年3月，水發(fā)派思燃氣參與建設(shè)的浙江石化燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)電站項目三臺西門子SGT5-2000E機組，先后點火成功。水發(fā)派思燃氣為電站供應(yīng)調(diào)壓站設(shè)備，此項目為世界首套天然氣與氫氣、一氧化碳混合介質(zhì)調(diào)壓站。
3．惠州中國首座摻氫燃燒電廠
2021年12月，通用電氣（簡稱GE）宣布，廣東省能源集團旗下的惠州大亞灣石化區(qū)綜合能源站正式向GE及哈電集團訂購含兩臺9HA.01重型燃氣輪機的聯(lián)合循環(huán)機組。3月29日，由中國能建廣東院設(shè)計、廣東火電承建的國內(nèi)首個兼具氫能利用的一體化綜合能源示范基地項目惠州大亞灣石化區(qū)綜合能源站項目進行了第一方混凝土澆筑，標(biāo)志著項目正式開工。項目規(guī)劃建設(shè)4×600兆瓦級燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)熱電冷聯(lián)產(chǎn)機組，本期建設(shè)2×600兆瓦9H型燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)熱電冷聯(lián)產(chǎn)機組，相關(guān)機組由哈電通用燃氣輪機（秦皇島）有限公司生產(chǎn)。項目投產(chǎn)后，兩臺燃機將采用10%（按體積計算）的氫氣摻混比例與天然氣混合燃燒。
（四）示范項目存在的不足
目前，現(xiàn)示范項目均存在一定局限或不足。首先，大部分項目摻氫研究對象是局部短距離管網(wǎng)，并沒有將相關(guān)設(shè)備尤其是工業(yè)設(shè)備納入其中。如德國規(guī)定其摻氫上限為10%，當(dāng)下游管網(wǎng)連接加氣站時，摻氫比例下降至2%，現(xiàn)有項目有待完善，試點范圍需包含整個管網(wǎng)系統(tǒng)及其運行的工業(yè)設(shè)備；但目前許多工業(yè)設(shè)備還無法接受較高的摻氫水平，諸如老式天然氣發(fā)動機，混氫最高含量2%-10%，燃氣輪機極限混氫比例不得超過2%，許多經(jīng)認(rèn)證的設(shè)備摻氫含量低于5%。其次，現(xiàn)有摻氫示范項目缺乏更大規(guī)模的耐久性試驗，包括工業(yè)設(shè)備的耐久性試驗，尤其是在工業(yè)應(yīng)用中，摻氫比例需慎重對待，工業(yè)發(fā)動機、燃氣渦輪機等對氫氣較為敏感，其正常運行受氫氣濃度影響較大。天然氣基礎(chǔ)設(shè)施較為復(fù)雜，管網(wǎng)分為輸送管網(wǎng)和配送管網(wǎng)，且運行工況存在差異性，一些示范項目中管網(wǎng)經(jīng)過升級改造，與現(xiàn)有在役管網(wǎng)存在一定差異，未充分考慮天然氣管網(wǎng)服役狀況對摻氫比例的影響。第三，各國管網(wǎng)設(shè)計參考標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范不一，管道承受的摻氫比例存在明顯差異。
目前示范項目進行的大多是短期應(yīng)用示范，而材料氫脆損傷是一個緩慢積累的過程，有可能導(dǎo)致?lián)綒涮烊粴夤茌斚到y(tǒng)在短期運行期間未發(fā)生明顯異常，但這不能確保管道在之后的長期運行期間也不會發(fā)生材料失效引發(fā)的管道、設(shè)備等結(jié)構(gòu)性破壞或氣體泄漏、燃燒、爆炸等惡性事故。因此摻氫之前需對現(xiàn)有天然氣管網(wǎng)輸送系統(tǒng)進行全面的可行性評估，且可行性評估過程相關(guān)因素較多，需綜合考慮在役天然氣管道及配件、設(shè)備、天然氣成分、氫分壓、地理環(huán)境、服役歷史等多方面因素的影響，不能一概而論，需逐案分析。應(yīng)用示范是摻氫天然氣管輸系統(tǒng)可行性短期驗證的有效途徑，但系統(tǒng)全面地開展管道輸送摻氫天然氣可行性研究仍是摻氫天然氣管道輸送長期化和規(guī)?；l(fā)展不可或缺的首要條件。且我國天然氣長輸管網(wǎng)輸送距離長，覆蓋范圍廣，工況差別大，需針對我國國情具體研究摻氫天然氣管道輸送系統(tǒng)的安全摻氫比例，切不可盲目照搬國外研究成果。
傳統(tǒng)的天然氣燃氣輪機摻入氫氣，意味著燃機設(shè)備對氫的適應(yīng)性與摻氫后的安全性均面臨挑戰(zhàn)。一是氫燃料的火焰溫度比天然氣高出近300攝氏度，著火延遲時間比天然氣低三倍以上。當(dāng)燃料中的摻氫比例較高，燃料反應(yīng)性會發(fā)生變化，造成火焰向上移動、燃燒時間過盈等問題，增加氮氧化物排放，并可能使燃燒室超溫過熱。因此，需要對燃燒室的使用穩(wěn)定性及廢氣排放進行測試，重新設(shè)計或優(yōu)化傳統(tǒng)燃燒室或燃燒系統(tǒng)。二是與甲烷相比，氫氣具有更高的擴散系數(shù)、更低的點火能量以及更寬的爆炸極限，因此一些天然氣燃機的常規(guī)輔助系統(tǒng)，如通風(fēng)、氣體泄漏檢測、管道裂紋檢測系統(tǒng)等，對于燃氫燃機的安全使用具有更為重要的意義，需要引起重視。三是使用氫燃料還面臨著與整體安全相關(guān)的操作風(fēng)險。氫火焰的亮度很低，肉眼難以發(fā)現(xiàn)，需要專門的氫火焰檢測系統(tǒng)；氫氣具有比其他氣體更強的滲透性，可能不適用于原天然氣輸送采用的傳統(tǒng)密封系統(tǒng)；氫氣比甲烷更易燃易爆，相比甲烷而言，氫氣的爆炸極限范圍寬的多。因此，氫氣泄漏會增加安全風(fēng)險，需要考慮改變操作程序以及防爆危險區(qū)域劃分等問題。
