中國儲能網(wǎng)訊：氫氣作為一種理想的新能源具有廣闊的運用前景，我國氫產(chǎn)業(yè)化發(fā)展處于起步階段，開展天然氣摻氫方面的系統(tǒng)整體性研究，可為氫氣社會的發(fā)展探索并開啟更多的路徑?，F(xiàn)階段天然氣摻氫在儲能運輸、交通、燃燒、發(fā)電等行業(yè)均可以得到有效的運用,大規(guī)模推動天然氣摻氫的技術(shù)應(yīng)用，仍需各方的不懈努力。
天然氣摻氫面臨的挑戰(zhàn)
一是相同工況下?lián)綒浣档吞烊粴饩W(wǎng)絡(luò)輸送能量。氫的能量密度低，大約是天然氣的1/3，保持相同壓力下?lián)綒鋾档洼斔蜌怏w的能量含量。IEA數(shù)據(jù)顯示，在天然氣輸送管道中加入3%的氫氣，將使管道輸送的能量減少2%左右，最終用戶天然氣需求量有所上升。
二是天然氣管網(wǎng)中摻氫比例受到的限制多。摻氫上限取決于與其相連的設(shè)備，管網(wǎng)范圍越大，設(shè)備越多，對摻氫上限的要求可能越嚴格。例如，摻氫后使用天然氣作為原料的化工企業(yè)可能需要調(diào)整工藝和流程?，F(xiàn)有燃氣輪機的控制系統(tǒng)和密封無法適應(yīng)高比例的氫氣，摻氫比例需低于5%。已安裝的燃氣發(fā)動機因相同原因，氫的最大濃度為2%。
三是更大的挑戰(zhàn)來自安全性及對應(yīng)的檢測和管理體系的完善。金屬材料在氫環(huán)境下有可能發(fā)生氫脆問題，氫氣對輸送管道的影響主要是材料韌性的損失和疲勞裂紋擴展速率的增加，這是影響摻氫比例的重要因素。另外氫的摻入會使點火能量降低、泄漏速率加快、可燃范圍增大，摻氫比例的增加會使泄漏、燃爆危險相應(yīng)增加。檢測手段和設(shè)備需要完善，現(xiàn)有的管道完整性管理也需做調(diào)整適應(yīng)摻氫帶來的影響。
天然氣摻氫的標準在包括我國在內(nèi)的多個國家?guī)缀蹩瞻?。推進更為積極的歐洲國家也表現(xiàn)謹慎，大多數(shù)國家和地區(qū)設(shè)置摻氫比例不超過2%，少數(shù)國家和地區(qū)設(shè)定為4%到6%之間，德國雖然規(guī)定上限為10%，但如果壓縮天然氣加氣站連接到網(wǎng)絡(luò)，則該比例大幅下調(diào)到2%以下。在一些相關(guān)設(shè)備的規(guī)格方面也存在限制，歐洲標準規(guī)定燃氣輪機所供天然氣的氫含量必須低于1%。
四是我國天然氣主干管道摻氫運輸有待時日。主干管網(wǎng)可實現(xiàn)天然氣遠距離大規(guī)模輸送，在我國與可再生能源的分布和輸送方向高度吻合，通過天然氣主干網(wǎng)輸送氫氣在多個方面具有重大意義，但目前尚不具備條件。主干管網(wǎng)輸送壓力較高，我國西氣東輸三線輸送壓力就達12MPa，較高壓力下氫氣對管道材料的影響變大。而天然氣成分不同、管道材料不同、管道工況不同，都使氫對管網(wǎng)材料的影響程度存在差異，國際上的研究成果不宜直接照搬，摻氫天然氣主干管網(wǎng)安全摻氫比例標準尚無法確定。諸如管道材料與摻氫天然氣的相容性試驗、摻氫天然氣的泄漏與燃燒爆炸問題等基礎(chǔ)研究工作需扎實推進。
另外，將氫混合到天然氣中運輸，如果需要在最終使用地點將氫分離(目前終端利用方式都需要此操作)，會增加較高的成本，以變壓吸附為例，根據(jù)混合水平和最終使用需求，有研究數(shù)據(jù)表明其成本在3-6美元/公斤。
天然氣摻氫發(fā)展趨勢展望
降低碳排放是全球所有國家的使命，氫以清潔、高熱值和零排放的優(yōu)勢未來必將成為完成這項使命的主角。但是，我們需要承認的客觀事實是，氫的運輸是每一個國家氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的薄弱環(huán)節(jié)，經(jīng)濟性和安全性都有待完善。無論是作為商業(yè)、民用氣燃料還是應(yīng)用于交通領(lǐng)域，天然氣管網(wǎng)摻氫都是解決上述問題的有效方案。未來主干管網(wǎng)在設(shè)計時應(yīng)盡可能考慮未來輸送摻氫天然氣的需求，提高未來摻氫輸送的可行性。
現(xiàn)有研究成果尚不能較全面考慮實際情況，需繼續(xù)加強研究。例如，加強管道材料與摻氫天然氣的相容性試驗，充分考慮摻氫引起的泄漏速率加快、可燃范圍增大及燃燒速率加快等影響，全面研究摻氫天然氣的泄漏與燃燒爆炸問題，加強對管道損傷、裂縫的探查和處理，為管道的安全管理工作提供依據(jù)；依據(jù)所建立材料的性能數(shù)據(jù)庫，測試現(xiàn)有天然氣管道檢測工具檢測的效果和修復(fù)方式的效果，建立摻氫天然氣管道輸送的完整性管理系統(tǒng)。
我國對天然氣摻氫的研究工作尚在起步階段，天然氣摻氫領(lǐng)域仍有許多問題亟待解決?，F(xiàn)有的研究成果不能完全考慮實際情況，且各國的天然氣組成、天然氣管網(wǎng)材料、工況存在差異，我國發(fā)展天然氣摻氫技術(shù)不能盲目借鑒國外的參數(shù)，需結(jié)合我國的實際情況，對輸送管道的性能進行分析，研究摻氫比例的最佳范圍，并制定一系列關(guān)于天然氣摻氫的標準，推動天然氣摻氫技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
盡管仍有較長的路要走，但我國天然氣管網(wǎng)建設(shè)有相當大空間，新增主干管網(wǎng)在設(shè)計時應(yīng)盡可能考慮未來輸送摻氫天然氣的需求，提高未來摻氫輸送的可行性。在管材選擇上加強對氫脆現(xiàn)象的防護處理，加強對管道損傷、裂縫的探查和處理。對管道的焊縫要提出更高的要求，使其對氫脆現(xiàn)象有更強的防護能力。
與重新修建純氫管道相比，天然氣管道摻氫具有經(jīng)濟可行性高、投資成本低、接觸終端客戶多、未來商業(yè)化推廣相對容易等特點。未來，隨著摻氫混輸和摻氫分離技術(shù)的成熟、可再生能源快速發(fā)展、東部等發(fā)達地區(qū)氫氣需求增長，利用西北地區(qū)廉價的電力資源制取氫氣，摻入天然氣管道，有望實現(xiàn)氫氣的大規(guī)模輸送，有助于解決中國能源地域分布不均等問題，促進氫能產(chǎn)業(yè)大規(guī)?？焖侔l(fā)展。
天然氣摻氫發(fā)展相關(guān)建議
國內(nèi)外多個國家已開展摻氫天然氣技術(shù)的初步推廣，但現(xiàn)有的研究和實踐成果尚不能全面標準化，目前仍在積極推廣嘗試。由于各國技術(shù)發(fā)展水平各異，因此需充分考慮中國對摻氫天然氣系統(tǒng)的氫脆問題的研究水平，彌補現(xiàn)有天然氣摻氫理論研究與實踐操作中的不足，為此提出了適宜于中國天然氣摻氫輸送的建議。
1.中國摻氫天然氣管道輸送示范項目的研究正逐步展開，國家層面的戰(zhàn)略性統(tǒng)籌規(guī)劃較少，相關(guān)技術(shù)標準尚不完善，相應(yīng)的法律法規(guī)、產(chǎn)業(yè)政策等配套支撐也有待完善。因此，為了實現(xiàn)天然氣摻氫產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展目標，應(yīng)規(guī)劃部署天然氣摻氫輸送系統(tǒng)建設(shè)，確定中國天然氣摻氫管道輸送的相關(guān)技術(shù)指標，完善天然氣摻氫技術(shù)的政策保障體系。
2.雖然中國在天然氣管道與摻氫天然氣的相容性研究方面取得了研究成果，但對天然氣摻氫系統(tǒng)各裝置的氫脆評價研究尚不足。建議開展并完善國產(chǎn)管材及設(shè)備的氫與金屬相容性實驗數(shù)據(jù)庫的建設(shè)，建立天然氣摻氫系統(tǒng)各裝置相容性測試評價方法及性能指標。
3.中國對于不同摻氫比下管材及其他關(guān)鍵設(shè)備的典型材料力學性能劣化研究規(guī)律的研究尚不足，對于摻氫比與材料氫破壞、管道壓力等之間的定量關(guān)系尚不明確。建議積極推進天然氣摻氫示范項目建設(shè)，對現(xiàn)有天然氣管道及設(shè)備的安全性、材料的氫脆特性加快研究。同時，加強研摻氫天然氣對配套設(shè)施設(shè)備、管道、下游終端用戶以及整個輸送系統(tǒng)的影響進行研究，并加快天然氣摻氫系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備的研發(fā)，保障系統(tǒng)運行的安全性。
4.構(gòu)建天然氣-氫氣領(lǐng)域的發(fā)展規(guī)劃及產(chǎn)業(yè)布局，增加天然氣摻氫輸送系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)難點攻關(guān)項目，穩(wěn)步推進天然氣摻氫輸送的商業(yè)化及規(guī)?；l(fā)展。
