上海舜華新能源系統(tǒng)有限公司 劉京京 李志軍 何宏凱

2021年10月，國務(wù)院印發(fā)《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》，明確要求到2030年前，非化石能源消費(fèi)比重達(dá)到25%左右，加快氫能技術(shù)研發(fā)和示范應(yīng)用，加快先進(jìn)適用技術(shù)研發(fā)和推廣應(yīng)用，集中力量開展復(fù)雜大電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行和控制；大容量風(fēng)電、高效光伏、低成本可再生能源制氫等，為推動(dòng)各方進(jìn)行能源低碳轉(zhuǎn)型，最終實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展提供了強(qiáng)大動(dòng)力。

由于我國特殊的地理特征，在中西部地區(qū)蘊(yùn)含豐富的水能、風(fēng)能和太陽能資源，但風(fēng)能和太陽能存在間歇性、波動(dòng)性等不穩(wěn)定特性，導(dǎo)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(diào)峰，從而造成了“棄水棄風(fēng)棄光”的后果。通過可再生能源“電轉(zhuǎn)氣(P2G)”技術(shù)用難以并網(wǎng)的發(fā)電量進(jìn)行電解水得到氫氣，隨后進(jìn)行氫氣的儲(chǔ)存、運(yùn)輸和利用，是解決“棄水棄風(fēng)棄光”問題的有效途徑之一。氫氣的輸送是連接全產(chǎn)業(yè)鏈上下游的關(guān)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(wǎng)進(jìn)行輸送，是目前可實(shí)現(xiàn)安全高效、大規(guī)模和長(zhǎng)距離輸氫至終端用戶的最佳潛在方式。

1 天然氣摻氫技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

氫氣與甲烷的理化性質(zhì)對(duì)比見表 1。氫氣較常規(guī)天然氣具有體積熱值低、最小點(diǎn)火能量低、火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤臁⒈O限范圍廣、擴(kuò)散系數(shù)大等特點(diǎn)。因此，活潑的氫氣摻入天然氣后，改變了管道和設(shè)備內(nèi)的氣質(zhì)條件，必然對(duì)管道、設(shè)備的性能和安全維護(hù)帶來挑戰(zhàn)。

表1 氫氣與甲烷物化性質(zhì)對(duì)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(yīng)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(zhì)不同，進(jìn)行燃?xì)饣Q性分析所得到的結(jié)果不盡相同，解決終端燃具對(duì)摻氫天然氣燃料的適應(yīng)性問題，需要合理確定摻氫比例。燃?xì)饣Q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(shù)華白數(shù)和燃燒勢(shì)來分析和判定燃?xì)饣Q性，并在規(guī)范 GB/T 13611－2006《城鎮(zhèn)燃?xì)夥诸惡突咎匦浴分薪o出了華白數(shù)和燃燒勢(shì)的計(jì)算方法和取值范圍。

英國學(xué)者[1]研究得出，摻氫比例為10%時(shí)，當(dāng)?shù)厥褂玫亩鄶?shù)天然氣燃?xì)庠O(shè)備能夠較好地適應(yīng)，家用灶具受華白數(shù)、回火指數(shù)的影響，摻氫比例不應(yīng)超過23%。比利時(shí)學(xué)者[2]通過計(jì)算華白數(shù)得到將低于 17%的氫氣摻入本國天然氣后可直接供應(yīng)于家用、商用燃具。國內(nèi)馬向陽等人[3]以12T天然氣為基礎(chǔ)氣，采用高華白數(shù)和燃燒勢(shì)計(jì)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(duì)摻氫比例分別為5%、10%、15%、20%的摻氫天然氣進(jìn)行了燃燒實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明隨著摻氫比的增加，家用燃?xì)庠畹臒嶝?fù)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?xì)饣Q性判別方法側(cè)重點(diǎn)不同，故摻氫比例沒有統(tǒng)一的使用標(biāo)準(zhǔn)。天然氣摻氫后，熱值、華白數(shù)等參數(shù)會(huì)下降，火焰的燃燒速度會(huì)上升，將混氫天然氣作為燃料或工業(yè)用品供應(yīng)于各個(gè)終端用戶使用的潛在影響，需要進(jìn)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(huì)達(dá)到飽和，使材料的韌性降低，誘發(fā)裂紋或產(chǎn)生滯后斷裂，造成氫脆。同時(shí)，氫也會(huì)與天然氣管線鋼中的碳反應(yīng)生成甲烷，造成鋼脫碳和產(chǎn)生微裂紋，導(dǎo)致鋼材的材料性能不可逆轉(zhuǎn)的惡化，出現(xiàn)氫損傷。因此，輸氣管道及其配套設(shè)施對(duì)氫氣的適應(yīng)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(yùn)輸是以在役的天然氣管道為基礎(chǔ)，發(fā)生氫損傷的風(fēng)險(xiǎn)較大，而輸配管網(wǎng)管材多為聚乙烯管、低強(qiáng)度鋼管和球墨鑄鐵管，發(fā)生氫損傷的風(fēng)險(xiǎn)較低。

為了保證混氫天燃?xì)夤艿赖倪\(yùn)行安全性，需要將氫氣的濃度控制在一定的范圍內(nèi)，并且分析不同摻氫比條件下管材的適應(yīng)性及需采取的風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)措施。Capelle等人[4]使用帶有缺口的試樣鋼材X52、X70、X100進(jìn)行了電化學(xué)充氫實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，存在一個(gè)臨界的氫濃度值，當(dāng)氫濃度超過該值時(shí)，氫對(duì)鋼材的裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展影響增大。為了保證輸氣管道在服役期間的運(yùn)行可靠性，張小強(qiáng)等人[5]建立了在役天然氣管道摻氫后管材的適應(yīng)性分析流程，當(dāng)氫氣的摻混比例小于 10%時(shí)，若管道鋼級(jí)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(xué)元素、硬度和強(qiáng)度等方面進(jìn)行適應(yīng)性分析，確定需要采取的應(yīng)對(duì)措施。蒙波等人[6]對(duì)天然氣X80管線鋼開展了氫與金屬相容性實(shí)驗(yàn)，得到了12 MPa壓力下?lián)綒浔确謩e為0%、5%、10%、20%、50%時(shí)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(shù))的變化趨勢(shì)，總結(jié)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(duì)現(xiàn)有輸送管網(wǎng)有較好的相容性，隨著氫氣含量的增加，對(duì)輸送管道管材的要求更加嚴(yán)格。同時(shí)，需要開展不同摻氫比例對(duì)不同輸送管道材料的影響研究，建立相應(yīng)的管道材料性能劣化數(shù)據(jù)庫，為后續(xù)實(shí)際大規(guī)模輸送混氫天然氣或氫氣提供豐富的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1.3 摻氫天然氣與所涉設(shè)備相容性

在天然氣中摻混氫氣不僅會(huì)影響輸送管道，還可能導(dǎo)致沿線部件產(chǎn)生氫脆、氫損傷，且隨著氫氣摻入量的變化，摻輸設(shè)備、計(jì)量設(shè)備的可靠性和準(zhǔn)確性也會(huì)發(fā)生變化，存在失效的風(fēng)險(xiǎn)。因此，以上涉氫設(shè)備在材料選擇、設(shè)計(jì)制造、規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)方面與純天然氣設(shè)備有較大不同。

離心壓縮機(jī)作為摻氫天然氣輸送管網(wǎng)中重要的旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備，其性能對(duì)整個(gè)系統(tǒng)安全高效的運(yùn)行意義重大。離心壓縮機(jī)做增壓工作時(shí)，氣體的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓能，隨著摻氫比的增加，氫氣的相對(duì)分子質(zhì)量和密度較小，造成相同的速度減小量增壓較小，進(jìn)而導(dǎo)致壓比和軸功率下降。離心壓縮機(jī)需要適當(dāng)提高工作轉(zhuǎn)速以滿足相同的能量需求，可是制約旋轉(zhuǎn)速度提高的關(guān)鍵因素為材料強(qiáng)度，其受氣體介質(zhì)中氫的影響。

摻氫天然氣流量計(jì)量包括與終端用戶的貿(mào)易交接以及長(zhǎng)輸管道上的流量監(jiān)測(cè)。流量計(jì)量技術(shù)對(duì)于摻氫天然氣產(chǎn)業(yè)的市場(chǎng)化、規(guī)?；哂兄匾饬x。國外針對(duì)這兩部分建立了較多研究項(xiàng)目，得到了摻氫天然氣中氫氣含量對(duì)不同種類燃?xì)獗砗土髁坑?jì)的計(jì)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(duì)家用燃?xì)獗淼挠?jì)量偏差和使用壽命影響較小。對(duì)于長(zhǎng)輸管道，摻氫天然氣組分的變化會(huì)改變氣體的壓縮因子，從而產(chǎn)生計(jì)量誤差，因此降低計(jì)量誤差的有效方法是進(jìn)行氣體組分分析，可結(jié)合在線分析系統(tǒng)或離線分析手段來補(bǔ)充、完善氣體組分分析結(jié)果，從而保證計(jì)量的準(zhǔn)確性。

1.4 泄漏、積聚與燃爆

氫氣的爆炸極限遠(yuǎn)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(nèi)易積聚形成爆炸性氣體混合物，若未及時(shí)切斷泄漏，會(huì)引起窒息危險(xiǎn)，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(huì)導(dǎo)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(lǐng)域的研究重點(diǎn)之一。

在不同的泄漏方式中(滲漏與積聚、意外泄漏與擴(kuò)散)，摻氫混合物的泄漏情況在摻氫比和材料的影響下表現(xiàn)為不同的規(guī)律，而且摻氫混合物的泄漏量與泄漏速度遠(yuǎn)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(diǎn)燃的風(fēng)險(xiǎn)。Maria等人[7]研究了壓力、溫度以及摻氫比對(duì)摻氫天然氣爆炸范圍的影響，結(jié)果表明氫氣的體積分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，沒有對(duì)摻氫天然氣的爆炸范圍產(chǎn)生明顯影響，但把氫氣體積分?jǐn)?shù)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(duì)開放空間內(nèi)摻氫混合物的燃燒與爆炸風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明：當(dāng)摻氫比大于20%時(shí)，混合物燃燒會(huì)出現(xiàn)明顯的超壓；當(dāng)摻氫比大于40%時(shí)，發(fā)生由爆燃轉(zhuǎn)變?yōu)楸Z的風(fēng)險(xiǎn)較高。花爭(zhēng)立等人[9]對(duì)摻氫天然氣管道失效引起的欠膨脹噴射火進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，得到了摻氫比、管道壓力和噴口尺寸對(duì)火焰長(zhǎng)度和軸線溫度分布的影響，發(fā)現(xiàn)摻氫比增大加劇了化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)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(zhǎng)度也隨之增大。

綜上，針對(duì)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(yīng)的研究，但仍然不夠充分，缺少不同工況下?lián)綒涮烊粴夤艿腊l(fā)生上述安全事故的特征和演化規(guī)律，同時(shí)也要大力研究和發(fā)展輸送管道中潛在安全事故的預(yù)警設(shè)備和措施，從而為安全事故的防治提供技術(shù)支持。

2 天然氣摻氫技術(shù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系

近年來，國內(nèi)外對(duì)天然氣摻氫技術(shù)開展了相應(yīng)的研究和示范工作，不斷促進(jìn)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，但仍然面臨著許多挑戰(zhàn)，相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范存在欠缺。國外針對(duì)純氫氣長(zhǎng)途輸送管道頒布了若干個(gè)設(shè)計(jì)和建造標(biāo)準(zhǔn)，如歐洲工業(yè)氣體協(xié)會(huì)EIGA的IGC Doc1 21/41《Hydrogen Pipeline System》、美國機(jī)械工程師協(xié)會(huì)的 ASME B 31.12－2019《Hydrogen Piping and Pipelines》、亞洲壓縮氣體協(xié)會(huì)的CGA-5.6《Hydrogen Pipeline System》等，但尚無針對(duì)管道長(zhǎng)途輸運(yùn)摻氫天然氣的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。我國頒布的GB/T 37124－2018《進(jìn)入天然氣長(zhǎng)輸管道的氣體質(zhì)量要求》中指出，管輸氣中氫氣的摩爾分?jǐn)?shù)應(yīng)小于 3%，但無氫氣輸送管道和摻氫天然氣輸送管道的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。隨著對(duì)摻氫天然氣技術(shù)研究的深入，迫切需要建立相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)來促進(jìn)和規(guī)范摻氫天然氣技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，相關(guān)機(jī)構(gòu)正在積極開展標(biāo)準(zhǔn)的立項(xiàng)、起草、編制和審查工作，團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《天然氣摻氫混氣站技術(shù)規(guī)程》已進(jìn)入征求意見階段。

3 結(jié)語

氫能是當(dāng)下被高度關(guān)注的清潔能源，是解決“棄水棄風(fēng)棄光”問題的有效方式之一，現(xiàn)已出現(xiàn)多種具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的制氫技術(shù)，摻氫天然氣技術(shù)是輸送氫氣的最佳潛在方式，但氫氣的長(zhǎng)距離運(yùn)輸仍面臨諸多挑戰(zhàn)。本文對(duì)摻氫天然氣的燃?xì)饣Q性、與輸送管道材料相容性、與所涉設(shè)備相容性、安全事故以及標(biāo)準(zhǔn)體系等關(guān)鍵問題進(jìn)行了文獻(xiàn)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)摻氫天然氣技術(shù)所涉研究領(lǐng)域龐大，合適摻氫比例的確定是摻氫天然氣技術(shù)的核心，其受系統(tǒng)安全性和經(jīng)濟(jì)性的制約。我國對(duì)天然氣摻氫核心技術(shù)的研究仍有很大的不足，仍存在天然氣摻氫相關(guān)的安全隱患不清晰、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范缺乏、應(yīng)用場(chǎng)景少、改造成本大等重重阻力。

為通過促進(jìn)摻氫天然氣技術(shù)的進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)推動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)向前發(fā)展的目的，建議行業(yè)內(nèi)各方機(jī)構(gòu)共同努力開展核心技術(shù)攻關(guān)，如天然氣摻氫后的管道相容性、氫脆機(jī)理、風(fēng)險(xiǎn)與控制措施等；制定和完善天然氣摻氫的完整技術(shù)管理體系、標(biāo)準(zhǔn)，形成涉氫材料性能關(guān)于摻氫比例變化的數(shù)據(jù)庫，并積極開展相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究和示范工作。