师建光

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1 国外城燃管网掺氢发展现状及规划情况

2000 年以来，全球主要发达经济体逐步开展了天然气掺氢相关应用技术研究。根据IEA 数据显示，目前全球共有超过40 个天然气管网掺氢示范项目，重点研究了不同掺氢比例对天然气输配基础设施、计量监测及终端应用设备等的影响等[1]。

以欧美为例，英国HyDeploy 城燃管网掺氢试验项目掺氢比例最高达到30%，且当掺氢比例低于20%可实现管网稳定运行；意大利SNAM 公司实现城燃管网混氢比例10%以下稳定运行；荷兰Ameland 公司于2008～2011年实现管网年均掺氢12%；北美因天然气和页岩气资源禀赋较好，对掺氢探索较欧洲保守，但已有实验证明，掺氢比例不高于5%时，几乎不会影响天然气锅炉和燃气灶等终端设备的使用。天然气基础设施耐氢性研究结果见图1。

图1 天然气基础设施耐氢性研究结果

应用场景方面，国外掺氢项目混合气终端利用多为直接燃烧，多数用于民用灶具。根据目前实验结果来看，在掺氢比例不高于30%时，下游设备对氢气具备的较好适应性。行业标准方面，国际上仍然缺乏掺氢天然气输送管道专用的标准规范，但发布了适用于氢气输送管道的相关标准，具有一定的借鉴意义。如欧洲压缩气体协会的CGAG- 5.6- 2005 （Reaffirmed 2013） 《Hydrogen Pipeline Systems》、美国机械工程师协会的ASME B31.12—2019《氢气管道和管线》（压力管道规范）、亚洲工业气体协会的AIGA 033/ 06- 2006 《Hydrogen Transportation Pipelines》（氢气运输管道规范）等。

发展规划方面，英国计划投入227 亿英镑，于2028 年在英格兰北部向数百万家庭提供掺氢天然气；法国计划2030 年实现天然气管网掺氢比例不低于20%；意大利SNAM 公司计划通过掺氢每年向300 万户家庭提供70亿m3氢气；德国计划2030 年实现天然气管网掺氢输送比例不低于10%，并提出将建设总里程达5900km 的输氢网络，其中90%将依托现有天然气管道改造；俄罗斯计划未来每年向欧洲提供最高20%比例氢气的混合气[2]。

2 我国城燃管网掺氢发展现状及前景分析

国内城燃管网掺氢处于起步期，唯一掺氢项目（辽宁朝阳燕山湖掺氢示范项目）也处于试验阶段，项目采用绿电制氢（产能1000m3/ h）后进入城燃管网。此外，张家口掺氢示范项目处于前期研究阶段，该项目计划氢气输送量达440 万m3/ a，下游用户主要为居民、公服及CNG 汽车交通；深圳、佛山等地也启动了城燃管网掺氢前期研究及示范项目方案研究。

掺氢天然气物性方面，掺氢天然气气质组分随着掺氢比例上升而变化，甲烷含量降低、氢气含量上升，造成同等标准体积下天然气热值、华白数增大及燃烧速度指数减小，目前国内城镇燃气设施均按照《城镇燃气设计规范》（GB 50028—2006）基于12t 基准气性能指标进行设计，天然气热值标准值为37.78MJ/ m3、华白数标准值为50.73MJ/ m3、燃烧速度指数标准值为40.3。当掺氢比例10%时，天然气热值降至35.6MJ/ m3；当掺氢比例20%时，天然气热值降至33.1MJ/ m3，当掺氢比例低于23%时，掺氢天然气的性能指数仍处于规范准许波动范围内，满足终端用户设备互换性要求。

技术可行性方面，我国城燃管网通常采用中、低压两级压力机制，管网运输压力一般低于4MPa，管道材质一般采用低强度钢和非金属聚乙烯[3]，研究认为，我国输配管网在掺氢比例低于20%且氢气分压低于0.8MPa 时，不会对天然气管道造成显著影响，管道的氢脆基本可以忽略。在此工况下，燃气设施实测热负荷与额定热负荷偏差一般小于6%[4]，低于《家用燃气灶具》（GB 16410—2007）规定的±10%。另外，因工业燃气设施类型多样化，难以界定不同掺氢比例所引发的普遍影响，需基于特定工业用户制定适用的掺氢标准；交通方面，CNG 汽车掺氢比例不宜高于18%否则容易出现发动机爆震现象。

经济可行性方面，不同于纯氢管道、液氢和高压氢气运输，管道掺氢运输可充分利用现有城燃管网设施，运输成本仅需考虑管道可变运行费用，约0.05 元/ m3。氢气制取成本方面，工业副产制氢无需增加额外资本及原料投入，制氢成本优势明显仅0.9～1.45 元/ m3；若按风光平价上网电价测算，电解水制氢成本约1.3～1.7 元/ m3，顺价至终端氢气成本约0.95～1.75 元/ m3，与等热值交通用天然气成本相近。远期，随着绿电成本进一步下降，若制氢成本低于0.8 元/ m3（度电成本低于0.13 元/ kWh），则氢能可与天然气实现竞争，推动城市氢能整体替代。

发展前景方面，一是，受双碳目标下可再生主体能源定位推动和分散领域碳捕集需求增加，城镇氢能中远期利用前景广阔。《中国氢能源及燃料电池产业白皮书》预测，2050 年我国氢能需求量约6000 万t（6700 亿m3氢气），实现在居民、公服、交通、工业等终端领域普及应用，在终端能源消费占比将达到10%；结合国网能源研究院对我国中长期电力需求结构预测，2050 年可再生能源制氢量将达到4000 万t（4500 亿m3氢气），占总需求的67%。二是城燃管网掺氢将呈现“先掺后替”发展趋势。根据相关机构研究成果，我国城燃用气高峰预计在2035～2040 年，居民公服用气2040 年达峰峰值880 亿m3，之后逐渐进入平台期、下降期；采暖用气稳增快降，逐步向调峰热源转变，2040 年峰值630 亿m3；交通用气CNG 逐年萎缩，LNG保持增长，2040 年峰值580 亿m3。后期为实现碳中和目标需进一步加强小型化、分散式等不易碳捕集领域用能替代，2060 年我国城燃天然气用量预计将下降至560 亿m3。假设2040 年以前以掺氢为主（掺氢比例按20%计），则2040 年左右我国城燃管网掺氢量可达320 亿m3，后期随着城市用天然气规模下降，城燃管道利用率将进一步下降，2060 年掺氢量可达140 亿m3。城燃设施将逐步向纯氢输送转型，实现氢能对天然气逐步替代。

支持政策方面，目前城燃管网掺氢行业相关政策相对较少，呈现“顶层设计缺失、地方政策主导”特征。国家层面，尚未出台明确支持政策，仅国务院新闻办公室发布的《新时代的中国能源发展》提出“打造氢能技术应用场景，加速发展绿氢制取、储运和应用等氢能产业链技术装备”。地方层面，部分省市实现先行，北京、天津、山东等地已陆续出台管道掺氢相关政策，如2021 年10 月山东潍坊市发改委发布《关于支持氢能产业发展的若干政策（征求意见稿）》，明确提出鼓励天然气管道掺氢及纯氢管网建设，对天然气管道掺氢项目按掺混站设备投资额30%进行补贴，单个掺混站补贴不超过200 万元；对总长度不少于5km 的纯氢管道项目，按纯氢管道设备投资额30%进行补贴，补贴总额不超过300 万元。

主要问题方面，一是国内天然气管网掺氢的示范案例极少，缺乏理化基础数据。国内仅辽宁朝阳燕山湖掺氢示范项目处于试验阶段，尚未发现其他公司开展城市燃气管网掺氢示范工程，缺乏管道材料与掺氢天然气的相容性、掺氢天然气泄漏与爆炸、混燃可燃范围及燃烧速率等技术基础数据，此外也缺乏掺氢天然气运输成本、对管道系统折旧费用影响、终端承受价格等经济技术数据，城市燃气管网掺氢仍处于探索阶段。二是国内城镇燃气管网掺氢评价方法及标准规范基本处于空白。我国天然气管道掺氢仍处于初期起步阶段，面临安全隐患不明晰、标准规范不完善等诸多问题，现阶段开展掺氢试验仍以参照国外标准体系为主。国家标准《进入天然气长输管道的气体质量要求》（GB/ T 37124—2018）首次规定天然气中最大允许含氢摩尔分数≤3%，但主要针对管输天然气质量要求，不适用于掺氢运输行业标准。随着市场主体对天然气管网掺氢标准需求日益突出，如《氢气输送工业管道技术规程》等掺氢领域相关标准正加快制定中。

3 城燃公司开展掺氢业务优劣势分析

双碳愿景下，城燃业务峰值将出现在2035～2040 年，后续将进入下降期，传统城燃公司做好业务转型是保障行业中长期可持续发展的前提。整体来看，城燃公司开展管网掺氢具有“两大优势、两大劣势”。优势方面，一是具有城市燃气管网基础优势和用户优势。基于研究成果，预计2025 年我国城燃用气约为1200 亿m3，考虑掺氢比例20%，城燃行业掺氢业务发展空间达240 亿m3。二是具有储运设施运营管理经验优势。传统城燃公司在销售城市燃气的同时，还负责终端管网基础设施的运营与维护，具有丰富的储运设施运营和管理经验，有利于保障掺氢业务安全运行。劣势方面，一是缺乏相关技术储备。我国氢能业务起步较晚，传统城市燃气公司针对管网掺氢尚未实质开展相关业务试点和技术开发，发展基础薄弱。二是资源错配，不利于规模化开展掺氢业务。

4 建议

（1）启动终端管网掺氢基础研究和科技专项攻关，并推进试点示范项目。目前的研究多是在纯氢环境展开，需深入探究实际掺氢天然气环境下以及不同气体杂质（O2、CO 等）环境下的氢脆问题。建议开展城市燃气管网掺氢业务发展专题研究，全面系统进行城市燃气管网掺氢机会分析研究，研判我国不同区域掺氢市场空间。启动科技专项攻关，理清不同工况和组分下混合气体对管道、压缩机、燃气轮机、计量设施等适应性要求，制定传统设施改进技术方案。从以下几个方面实现技术升级：提高检测设备对混氢天然气的敏感程度；提高气相色谱仪组分检测精度；建立不同工况下压缩机和燃气轮机适应性运行方案；提高超声波流量计计量精度；形成适用于我国的高钢级混氢输送管道评价方法及评价标准。建议同步在全国范围内合理选取试点示范项目，推动城燃管网掺氢示范工程，积累不同钢级、不同年限、不同掺氢比例等基础试验数据，建立完整可行性评估体系。

（2）加快制定城燃管网掺氢行业标准。《天然气管道掺氢输送规范》等相关标准的制定是我国规模化发展城市燃气掺氢的重要基础，是城燃行业低碳绿色发展的根本支撑，可助力我国早日实现碳中和目标。

（3）研制适应掺氢利用的终端设备。一方面天然气掺氢后将降低热值、华白数等参数，增大火焰燃烧速度引发燃具回火风险，降低燃气灶、工业锅炉燃烧效率；另一方面现有终端检测设备（如气体检测设备、气相色谱仪、火焰电离检测和热传导传感器等）对氢气不敏感，掺氢会对检测结果可靠性和精度有较大影响[5]。建议研制适应掺氢工况的燃具、炉具以及相关配套设备，从用户侧扩大掺氢天然气消费空间，从生产侧增加城燃及周边业务盈利点，有力推动我国城燃行业绿色低碳转型。