研究|天然气管网掺氢是否安全，存在哪些问题？
天然气管网掺氢是解决碳排放和大规模氢能运输的重要手段，但高成本、安全隐患以及大众对氢认知度不够等是制约其发展的重要因素。
HCNG（Hydrogen enriched with Compressed Natural Gas）又名Hythane， 是天然气掺氢燃料的简称，它是将氢气与天然气按一定比例混合而得到的代用气体燃料，是“浅氢燃料”的一种。
氢气具有燃烧速度快，燃烧界限宽，比热值小，淬熄长度长等特点，天然气中掺入氢气可以改变天然气的燃烧特性。掺氢天然气可被直接利用，也可将氢与天然气分离后分别单独使用。
掺氢天然气主要作为商业或者民用气燃料，同时随着未来氢燃料电池汽车产业的发展，可解决氢能大规模运输的问题。
目前现有终端用户燃具多是为天然气以及液化石油气为基础而设计，氢气直接作为燃料供应则需要更换燃气用具并且要求敷设氢气输送管道，导致使用成本太高。
由于天然气正处蓬勃发展的阶段，世界上已建成天然气管道数量庞大，其运输和承载能力巨大，如果把电能转换为氢能可以将氢气掺混入现有的天然气管网当中则能承载存储相当大容量的能量。
图 天然气管道输送系统
然而由于氢气与天然气（天然气主要由甲烷(85%)和少量乙烷(9%)、丙烷(3%)、氮(2%)和丁烷(1%)组成）的理化性质差别巨大，且氢气对金属材料的劣化作用及其较宽的燃烧极限和更快的燃烧速率，加之天然气管道输送本身具有危险性，利用现有天然气管道输送掺氢天然气的安全性问题亟待解决。
甲烷和氢气的物性对比表
本文主要包括天然气掺氢国内外研究现状、国内外典型项目案例、产业存在的问题以及产业发展展望等内容，以供业内参考。
氢气的长距离管道输送已有 60 余年的历史，欧洲大约有 1500Km 的输氢管道，法国和比利时建有世界最长的输氢管道，长约 400Km；美国有约 720Km 的输氢管道；我国 2014年建成国内最长氢气长输管线（巴陵-长岭）全长42公里。
然而，由于氢气介质的特殊性造成的高造价（单位距离输氢管线的造价是天然气管线的两倍多）、氢气利用领域的局限性，氢气管线的发展远远落后于天然气管线，管道间未形成网络，无法形成灵活的调配。以美国为例，天然气管线的长度是氢气管线的 2800 多倍。因此使用现有的天然气管网混输氢气，优势明显。
01国内外研究现状
国外对于将氢气掺混入天然气管网使用的研究进行了三十年有余，并取得一定的研究成果。然而在国内，相关的研究起步较晚且相关研究结论相对较少。
1、氢能源利用的可行性研究现状
荷兰学者Ruben Smit等建立理论研究，通过分析能源负荷需求量，提出建立试点进行氢能源小范围使用推广方案, 进而发展大规模氢管道基础设施实现氢气的运输和分配，通过建立特定模型，分析技术上和经济上的可行性方案。
国外学者Christoph Stiller等基于各个区域对能源需求水平的不同，匹配以多种氢气输送方式，综合氢气生产技术选择、能源价格和温室气体排放限制政策，运用区域模型优化燃料供应站网络，分析氢燃料生产输送成本和平均价格，确定管道、卡车以及定点供应的方案。
2、天然气掺混氢气互换性研究现状
天然气掺混氢气使用应首要考虑其与天然气的互换性。鉴于各个国家和地区使用的天然气气质不相同，进行互换性判断得出的结果会有所差别。
英国学者R. Judd, D. Pinchbeck认为，天然气系统多数部件都能比较好的适应10%添加量的氢气。对于燃气式家用灶具，氢气添加量则需小于23%；天然气汽轮机适应氢气掺混需小于5%，但是经过整改和调整的燃气轮机能适应的掺氢百分比为5%~10%。
比利时学者Dries Haeseldonckx 研究结论表明，对比纯天然气能量流量输送，随着氢气掺混体积比的增加，管网输送掺混气的能量流量呈现出先降后升的趋势，在氢气添加体积百分比为85%时最小。
3、氢气安全性研究现状
对于掺混氢气后的天然气安全性，外国学者R. Wurster等基于着爆炸极限，最小着火能量，爆炸性分析表明，空气中氢爆炸极限4%比甲烷5.3%稍低而远高于丙烷的2.1%和汽油的1%。此外在该爆炸下限浓度范围内氢气与甲烷的最小着火能相差无几，同时由于氢气扩散强，使其在空中很难聚集至该浓度范围。
因此结论指出考虑氢气和甲烷爆炸性不应该以最小的点火能量为基础而是着重预防燃气扩散至限制浓度或者避免点火源。
国内学者李星国研究表明，由于氢气体积小，浮力强以及扩散性强， 若是发生泄漏则很难达到其可燃爆炸范围。
4、管道设备对氢气掺混适应性研究现状
天然气管道以及其他天然气设备对于天然气掺混氢气会产生适应性影响，对此英国学者Paul E. Dodds 提出现有的供气系统管道输送氢气会产生氢脆现象，其研究结论得出高压输送采用软钢管道可以降低氢脆发生的概率；输送低压氢气推荐使PE管道。
我国学者杜中强等分析钢制设备在氢环境中产生的氢致腐蚀机理。提出了导致临氢设备腐蚀失效的主要原因有：氢损伤、氢和湿硫化氢腐蚀、高温氢和硫化氢的腐蚀。
国外学者R. Judd, D. Pinchbeck也提出氢脆对天然气设备的作用。其研究结论得出，由于氢脆的影响拉伸强度超过950MPa的CNG汽车用钢管氢气添加量需小于2%。
我国学者张小强等则针对氢脆产生的问题，研究天然气管道中添加氢气后管材与氢气浓度、输送压力等之间的相互关系。
其结论表明，为使得管道安全运行，当天然气管道工程中掺混氢气体积百分比小于10%时，管道操作压力需小7.7 MPa；而掺混的氢气体积百分比大于10%时则需控制管道运行压力在5.38 MPa以下。
国内学者黄明表示运用天然气管道混输氢气会产生氢脆反应，而氢脆现象对于聚乙烯管较为友好。但是聚乙烯管却存在着氢气渗透的现象，并且其渗透率是天然气的5倍，然而该渗透损失量相对于年输送量是微乎其微。
02国内外典型项目案例
据IEA数据显示，各国有37个示范项目正在研究天然气网络中掺氢。研究项目中包括通过天然气配送网络掺氢为家庭和企业供热可行性、测试天然气网络掺氢比例对天然气输配关键设备、材料、终端设备和电器的影响、掺氢天然气地下储存的技术和监测要求等。
同时，天然气掺氢标准研究工作纷纷推进。在欧洲，HyReady和HIPS-Net等技术委员会和行业组织正在研究掺氢的标准，而欧盟委员会也在研究氢在天然气网络中的作用及相关标准。
1、国外典型项目案例
欧盟 NATURALHY 项目，开始于 2004 年 5 月 1 号，完成于 2009 年 10 月31 日。该项目大范围实验研究了工业用和家用加氢天然气的气体溢出和爆炸行为，评估了加氢量的影响，实验表明从产生气体积聚的本性来看，HCNG 建筑内的溢出特性和天然气类似。但是，气体的浓度和聚集的体积随着氢气的添加而增加，不过 50%内的增加值很轻微；室内爆炸的严重性会随着氢气的增加而加重，但是对于 20%的 HCNG 来说危害的加重微乎其微。
2008-2011 年，在荷兰的 Ameland 开展了有关将风电氢掺入当地天然气管网的研究，其中 2010 年年均氢气掺入体积分数高达 12%。
在德国的 Falkenhagen，一个具有 2MW 电转氢能力的示范电厂于 2013 年完全服役，制取的氢气被直接送入天然气管线。法国环境与能源控制署(ADEME)赞助的“GRHYD”项目则将可再生能源制得的氢气掺入天然气中供加氢站和居民使用，掺氢体积分数最高将达到 20%。
HyDeploy 是英国第一个证明了可以安全地将氢气混合进天然气供应系统，而无需更改设备和相关干扰因素的项目。HyDeploy 的目的主要是建立初步证据基础，即可以将氢气混入英国的运营天然气供应网络，同时并不会给用户带来干扰，也不会以牺牲终端用户的安全为代价。如果本计划得以大规模部署，以 20摩尔%的比例混合氢将释放 29 TWh pa 的脱碳热量，并可以为未来实现更深度的节能提供参考。
全国范围内推广使用 20 摩尔%氢气混合物可减少的碳排放量相当于减少了 250 万辆汽车行驶。
HyDeploy 是英国一项具有开创性的项目，旨在通过氢气的发展使燃气网络脱碳，并为氢能领域的技术突破、实际操作与监管制度的完善提供一个很好的范例。总体而言，实验室测试表明，在所测试的各种家用电器中，他们都能在氢气浓度高达 28.4 摩尔%的情况下安全运行。
日本三菱日立动力系统有限公司（MHPS）进行了使用30% 氢燃料混合物的大型燃气轮机测试。 测试结果证实，通过使用新开发的 MHPS 专有燃烧器来燃烧混氢天然气，可以实现稳定燃烧。 与天然气发电相比，使用 30% 的氢气混合物，CO 2 排放量减少了 10% ，发电效率高于 63%。该系统的突出优点是除了燃烧器需要升级，其他设备可以不加修改地使用，从而减少将天然气发电厂转换成氢燃料的潜在成本。
俄罗斯将氢气视为使欧洲天然气更加绿色的方式。最近俄罗斯正在考虑如何在欧洲开发氢气市场。俄罗斯天然气工业股份公司正在设想的是逐步提高氢气在这些管道中的份额，然后通过不会加剧全球变暖的绿色工艺将其天然气转化为氢气。该公司正在研究一种称为热甲烷热解的工艺。
该反应在低温，非平衡的等离子体中进行，该等离子体在小型反应器中置于高压下。该公司正在西伯利亚托木斯克镇试验这项技术。该过程产生纯氢气流，碳以固体形式脱落而不是以 CO2形式逸出到空气中，固体碳可用于工业。如果风能或太阳能农场用于产生该过程所需的能量，则零排放将用于制造氢气。
2、国内典型项目案例
国内对于天然气管网掺氢的范例极少。2019年9月30日，国家电投2019年重点项目--朝阳可再生能源掺氢示范项目第一阶段工程圆满完工。该项目是国内首个电解制氢掺入天然气项目，填补了国内天然气管道掺氢规范和标准空白。
2019年8月23日，朝阳可再生能源掺氢示范项目第一阶段工程破土动工，利用燕山湖发电公司现有10Nm3/h碱液电解制氢站新建氢气充装系统，氢气经压缩瓶储后通过集装箱式货车运至掺氢地点；厂外在朝阳朝花药业公司建设天然气掺氢设施，实现天然气掺氢示范。
该项目是国内首个电解制氢掺入天然气项目，通过验证电力制氢和氢气流量随动定比掺混、天然气管道材料与氢气相容性分析、掺氢天然气多元化应用等技术的成熟性、可靠性和稳定性，达到全面验证示范氢气"制取-储运-掺混-综合利用"产业链关键技术的目的，打破国外技术垄断，填补国内天然气管道掺氢规范和标准的空白，促进相关产业体系升级。
03产业发展存在的问题
1、公众对掺氢天然气认知程度较低
目前，很少有研究表明氢将如何被用于家庭供暖，关于安全、成本和性能的问题才刚刚开始被理解。2019年上半年，纽卡斯尔大学对英国民众进行了一份抽样调查(有效样本742个)。本次研究调查了公众对掺氢天然气作为英国家庭燃料的看法，涵盖了对氢的基本认知、价值观、掺氢的可能性和缺陷、公众信任以及参与者对氢的整体支持。
调查表明，公众对氢作为一种可能用于英国家庭燃料的认识有限。64.4%的受访者仅能正确回答最多一个关于氢的问题。大多数受访者认为，他们对氢的了解还不够，无法对是否要使用氢给出意见或者拒绝接受为家庭燃料。
世界上大部分国家对氢的认知程度均较低，因此加强对氢这种新型清洁能源的知识普及和客观宣传至关重要。
2、掺氢将降低天然气网络输送量
氢的能量密度低，大约是天然气的1/3，保持相同压力下掺氢会降低输送气体的能量含量。IEA数据显示，在天然气输送管道中加入3%的氢气，将使管道输送的能量减少2%左右，最终用户天然气需求量有所上升。
3、天然气管网掺氢比例限制多
因为面临诸多挑战，天然气掺氢的标准在包括我国在内的多个国家仍有空白。推进更为积极的欧洲国家也表现谨慎，大多数国家和地区设置掺氢比例不超过2%，少数国家和地区设定为4%到6%之间，德国虽然规定上限为10%，但如果压缩天然气加气站连接到网络，则该比例大幅下调到2%以下。
部分国家和地区允许的最大掺氢比例（来源：IEA）
在一些相关设备的规格方面也存在限制，掺氢上限取决于与其相连的设备，管网范围越大，设备越多，对掺氢上限的要求可能越严格。例如，掺氢后使用天然气作为原料的化工企业可能需要调整工艺和流程。现有燃气轮机的控制系统和密封无法适应高比例的氢气，掺氢比例需低于5%。已安装的燃气发动机因相同原因，氢的最大浓度为2%。欧洲标准规定燃气轮机所供天然气的氢含量必须低于1%。
天然气价值链各环节允许的最大掺氢比例（来源：IEA）
4、安全和成本问题
金属材料在氢环境下有可能发生氢脆问题，氢气对输送管道的影响主要是材料韧性的损失和疲劳裂纹扩展速率的增加，这是影响掺氢比例的一个重要因素。
另外氢的掺入会使点火能量降低、泄漏速率加快、可燃范围增大，掺氢比例的增加会使泄漏、燃爆危险相应增加。检测手段和设备需要完善，现有的管道完整性管理也需做调整适应掺氢带来的影响。
纽卡斯尔大学对英国民众进行的掺氢天然气作为英国家庭燃料的看法调查报告显示，至少44%的受访者表示，他们非常担心天然气泄漏、爆炸和火灾的可能性。
虽然77%的受访者相信政府将制定足够的安全预防措施来管理使用氢的任何风险，但受访者最初的安全担忧水平与他们对氢的整体支持显著相关。这意味着氢的负面安全认知确实存在，而且很重要。
此外，氢气目前相对于天然气的成本仍然较高，受访者提出的最重要的反对意见是能源成本。43.7%的受访者暂时不支持氢的原因在于“氢会不会太贵”，77.2%的受访者表示相对于现有支出，他们可能无法支付或者不愿意花更多的钱在氢能上。因此，未来掺氢天然气有关的任何成本，如果转嫁给公众，都有可能遭到抵制。
04发展趋势展望
降低碳排放是全球所有国家的使命，氢以清洁、高热值和零排放的优势未来必将成为完成这项使命的主角。但是，我们需要承认的客观事实是，氢的运输是每一个国家氢能产业发展的薄弱环节，经济性和安全性都有待完善。无论是作为商业、民用气燃料还是应用于交通领域，天然气管网掺氢都是解决上述问题的有效方案。
未来主干管网在设计时应尽可能考虑未来输送掺氢天然气的需求，提高未来掺氢输送的可行性。
此外，现有研究成果尚不能较全面考虑实际情况，因此需继续加强研究。例如加强管道材料与掺氢天然气的相容性试验，充分考虑掺氢引起的泄漏速率加快、可燃范围增大及燃烧速率加快等影响，全面研究掺氢天然气的泄漏与燃烧爆炸问题，加强对管道损伤、裂缝的探查和处理，为管道的安全管理工作提供依据；依据所建立材料的性能数据库，测试现有天然气管道检测工具检测的效果和修复方式的效果，建立掺氢天然气管道输送的完整性管理系统。
