石工建中原設計公司設計的氫能應用綜合服務站規劃圖。
實驗平臺流程圖
日前，我國首座城鎮燃氣摻氫綜合實驗平臺在深圳投用，中央電視臺作了報道。該實驗平臺集測試、應用、生產功能于一體，標志著我國天然氣摻氫輸送管道及綜合利用，以及“氫進萬家”進入全新發展階段，為我國利用現有城鎮燃氣管道摻氫提供了可推廣、可復制模式。本版文圖由 石工建中原設計公司 李 慧 提供
在深圳市北部，距離市中心一個多小時的車程，坐落著深圳燃氣集團公司求雨嶺場站。在該場站的東南側，一片郁郁蔥蔥的丘陵下，我國首座城鎮燃氣摻氫綜合實驗平臺正安靜運行著。
“摻氫”是將氫氣與天然氣進行不同比例混合，再利用現有的天然氣管網進行輸送。深圳燃氣摻氫綜合實驗平臺集測試、應用、生產功能于一體，摻氫比例為5%~20%，可實現綠電制氫、天然氣摻氫、管道輸送、管材驗證等多維度技術應用和全流程工藝與設備應用示范，實現城鎮燃氣、氫氣“摻-輸-用”一體化功能。該平臺投用為我國利用現有城鎮燃氣管道摻氫提供了可推廣、可復制模式，標志著“氫進萬家”進入全新發展階段。
該平臺隸屬于國家重點研發計劃“氫能技術”重點專項“中低壓純氫與摻氫燃氣管道輸送及其應用關鍵技術”，是深圳燃氣集團公司于2022年聯合中國石油大學(華東)、中國石化、清華大學、中科院、萬和等10家單位共同參與的“產學研用”協同創新項目。其中，中國石化石油工程建設公司中原設計公司負責構建純氫/摻氫輸配管網模型、示范工程設計及相關標準規范的編制等工作。
摻氫輸送是氫能利用的重要途徑之一
我國是能源需求大國，能源消費量保持增長的同時也面臨著嚴峻的低碳環保壓力。氫氣作為清潔能源，資源量豐富。作為燃料，具有零碳排放、速度快、效率高等特點。
國家重點研發計劃“氫能技術”重點專項是以推動能源革命、建設能源強國等重大需求為牽引，系統布局氫能綠色制取、安全致密儲輸和高效利用技術，貫通基礎前瞻、共性關鍵、工程應用和評估規范等環節。其中，氫能運輸屬于研究范圍。
通常來看，產氫的地區和用氫的地區相距甚遠，運輸成本高，對管材安全性要求高。氫能運輸成為制約氫能產業發展的薄弱環節，經濟性和安全性均有待提高。
為解決地區間長距離、大規模氫氣資源輸運與調配難的問題，摻氫天然氣被提議為一種高效、安全輸運的優選方案。據統計，2023年我國天然氣消費量約3945億立方米，按照10%的摻氫比例輸運氫氣可達350萬噸，每標準立方米氫氣的輸運成本為0.12~0.46元。
目前，全球已開展多項關于摻氫天然氣的示范。歐洲氫骨架計劃利用和改造現有的天然氣管道實現氫氣管道的基礎設施建設，在英國基爾大學等已建成應用示范。他們將氫氣摻入城鎮燃氣利用，驗證了摻氫天然氣與燃氣管網的適應性。
我國天然氣管網發展較為成熟，如果用天然氣摻氫的形式代替純天然氣，可充分利用現有基礎設施，大大節約投資成本，形成氫氣的普及利用，實現“氫進萬家”。
打通“制氫-摻氫-輸氫-用氫”鏈條
如何生產氫、把氫運輸出去、讓氫進萬家?西安交通大學教授魏進家認為，我國首座城鎮燃氣摻氫綜合實驗平臺的投用，就能打通氫能從生產到運輸再到使用的整個鏈條。
該實驗平臺主要針對中低壓純氫與摻氫燃氣管輸系統的本質安全、工藝和完整性管理及終端應用，通過機理探究等手段，消除中低壓純氫與摻氫燃氣管道輸送及應用瓶頸，形成以關鍵設備和工藝軟件為核心的技術體系，并圍繞管輸工藝、管材、實驗方法、應急搶修、燃燒器具編制標準體系。
項目研究人員介紹，摻氫燃氣管輸部分需要建立一個科學的燃氣摻氫綜合實驗平臺，研究現役城鎮燃氣輸配系統是否適用于摻氫天然氣、最合適的摻氫比是多少、關鍵設備和部件是否需要改造等關鍵技術問題，形成相應的評價標準體系，為摻氫天然氣在城鎮燃氣領域進行大規模應用奠定基礎，進而建設以氫能社區為示范的產業體系。
為了讓實驗數據更貼近實際、更真實，實驗平臺模擬了城鎮燃氣的全部應用場景，主要包括摻混模塊、減壓調壓模塊、管材相容性評價模塊、燃氣器具測試模塊、終端利用模塊。天然氣與氫氣通過摻混模塊，能夠得到摻氫體積比為5%~20%、摻氫精度為1%的摻氫燃氣。減壓調壓模塊進入管材相容性評價模塊進行長周期實驗測試后再進入燃氣器具測試模塊進行驗證。測試完成，摻氫燃氣進入千家萬戶。
天然氣摻氫，安全是重點。項目研究人員在天然氣管道完整性管理技術的基礎上，初步建立了摻氫天然氣管道完整性管理技術，對摻氫天然氣管道進行全生命周期安全管控。技術人員在平臺各關鍵節點安裝氫氣報警器，并采購專業的氫氣泄漏探測器，每兩小時進行一次巡查。基于BIM建模技術，建立了平臺數字化三維模型，并接入遠程監控系統，對平臺數據進行實時監控。
該平臺還為氫氣泄漏提供了架空、埋地、管廊等不同場景的監測方法驗證及事故后果測試。終端還預留熱電聯供系統、氫氣分離純化裝置的測試功能，發揮氫能能源互聯媒介和高效耦合的特性，推動氫能與電力、熱力等能源的互聯互補，實現氫能進入社區樓宇、居民家庭、交通領域乃至工業園區。該平臺還預留了光伏+谷電制氫模塊，旨在打造包含“制-摻-輸-用”全鏈條的綠氫典范項目。
該平臺不僅需要承擔不同鋼級、不同壓力、不同口徑的管材及閥門、連接件、表具等燃氣基礎設施的氫環境長周期實驗，而且需要對多種燃氣器具及終端應用場景開展適應性研究，這對平臺整體設計工作提出更高要求。
中原設計公司2018年率先在國內開展“天然氣摻氫輸送工藝技術研究”，形成了關于天然氣摻氫的工藝技術并取得專利，因此承擔該項目的平臺設計任務。技術人員針對純氫/摻氫管輸應用流程中的關鍵環節，結合各課題的研究成果，突破了中低壓純氫與摻氫燃氣管道安全穩定高效輸送及應用中的理論與技術瓶頸，在優化工藝流程設計、滿足測試功能、多模塊可拆卸工裝段安裝設計、便于操作、安全防護設施設計等方面下足功夫，設計成果滿足了多種實驗要求，構建并形成了完整的科技實驗平臺及標準體系。
助力實現“氫進萬家”，減少碳排放
據相關機構預測，碳中和后，我國氫氣年需求量約1億噸，中低壓管輸及應用將會成為促進氫能規模化應用的重要手段。
國家能源局將純氫與摻氫管道示范作為“十四五”的重點任務。中國石化、中國石油、中國海油等均開展了純氫與摻氫管道示范規劃。氫氣規模化應用成為我國能源發展的主要方向之一。
當前，我國天然氣管網規模可觀，年輸運天然氣量接近4000億立方米，天然氣管道超過100萬公里，其中長輸天然氣管道接近10萬公里、城市燃氣輸配管道超過90萬公里。
中國城市燃氣協會發布《天然氣管道摻氫輸送及終端利用可行性研究報告》，預測“十四五”期間，我國新增天然氣管道摻氫示范項目15~25個，摻氫比例3%~20%，年氫氣消納量15萬噸，總長度在1000公里以上。其中，新增長輸天然氣管道摻氫示范項目2~5個，摻氫比例3%，年氫氣消納量10萬噸，總長度在800公里以上;新增城鎮燃氣摻氫示范項目10~20個，摻氫比例3%~20%，年氫氣消納量5萬噸，總長度在200公里以上。
據管道摻氫國家重點研發計劃項目負責人李玉星介紹，摻氫天然氣相比純天然氣，是一種更清潔的低碳燃料。如果摻氫比例為10%~20%，我國每年可減少碳排放量1000萬~2000萬噸。在天然氣中摻入20%體積比的氫氣，燃燒后的氮氧化物、一氧化碳等均可減少20%以上。目前，我國城鎮燃氣每年的用氣量約4000億立方米，在天然氣中摻入20%體積比的氫氣，我國每年可減少碳排放量約3000萬噸。
與以氫氣、一氧化碳等為主的煤制氣、焦爐氣等相比，天然氣的主要成分為甲烷，摻氫燃氣對管材的長周期、寬壓力作用還需進一步明確。我國首座城鎮燃氣摻氫綜合實驗平臺的投用，能更準確地對現役燃氣基礎設施進行適應性評價，并形成標準體系，推進“氫進萬家”產業體系發展，助力實現“雙碳”目標。
探索清潔能源未來發展之路
■中國石油大學(華東) 李玉星 教授
依托科技部國家重點研發計劃“中低壓純氫與摻氫燃氣管道輸送及其應用關鍵技術”研發的我國首座城鎮燃氣摻氫綜合實驗平臺在深圳投用，為推廣天然氣管道摻氫技術提供了有力支持。天然氣摻氫不僅代表了清潔能源技術的未來發展方向，而且為減少碳排放、推動可持續發展注入了新動力。
我國氫能產業發展潛力逐漸釋放
考慮到氫能的獨特優勢，我國多地出臺氫能產業支持政策。氫能制備、儲運、基礎設施建設等方面取得突破性進展，氫能產業發展潛力逐漸釋放。目前，長三角、粵港澳大灣區、環渤海三大區域的氫能產業呈現集群化發展態勢。我國掌握了一批電解水制氫裝置、儲運設備和燃料電池等先進技術，可再生能源制氫項目在華北和西北等地積極推進，電解水制氫成本穩中有降。
天然氣摻氫并非易事
當前，減少碳排放、實現低碳發展已成為全球共識。天然氣摻氫作為一種更加清潔低碳的能源替代方案，其必要性日益凸顯。將氫氣與天然氣混合輸送，不僅能夠提高天然氣的能源利用效率，而且能夠降低燃燒產生的污染物排放量，有助于實現碳中和目標。
然而，實施天然氣摻氫并非易事。天然氣和氫氣的物理和化學性質差異較大，摻入氫氣后可能會對燃氣管道、閥門、連接件等基礎設施產生由氫脆引發的氫致失效及泄漏等安全隱患。此外，摻氫比例的控制、氫氣的制備與儲存，以及摻氫后的輸送與分配等問題，都需要進行深入研究和技術攻關。
實現“氫進萬家”還需更加努力
我國首座城鎮燃氣摻氫綜合實驗平臺的投用，為解決上述問題提供了有力支持。該平臺不僅具備摻氫實驗、測試驗證和生產功能，而且能夠模擬城鎮燃氣的全部應用場景。通過該平臺，可以精準控制摻氫比例，確保摻氫過程的安全性和穩定性。該平臺還能為下游用戶提供不同比例的摻氫天然氣。
從目前運行情況來看，實現摻氫燃氣的寬壓力、長周期、規模化應用是可行的。未來還需對此進行長周期實驗，更準確地對現役燃氣基礎設施進行適應性評價并形成標準體系。該平臺的投用只是大規模推廣摻氫天然氣的開始，還要各大城燃企業一起努力，投入大量的人力、物力、時間來開展實驗測試研究，形成相應的標準和評價體系。從產業鏈角度而言，天然氣長輸管道摻氫、氫氣來源、下游燃器具適應性等相關問題還需進一步研究。
可預見的是，隨著可再生能源技術的不斷發展和應用，氫能將成為一種重要的清潔能源。通過利用光伏、風電等制綠氫，可以為摻氫平臺提供穩定、廉價的氫源。隨著氫能產業鏈的不斷完善和技術進步，摻氫比例有望進一步提高。
總之，我國首座城鎮燃氣摻氫綜合實驗平臺的投用，有望推動氫能技術的廣泛應用和石油天然氣行業的綠色低碳發展，為實現碳中和目標和可持續發展注入新動力。
氫能技術發展助力“氫進萬家”
嘉 賓:
中國能源研究會能源政策研究室主任 林衛斌
深圳燃氣高級工程師 李璐伶
石油工程建設公司首席專家 銀永明
問：什么是“氫進萬家”，“氫進萬家”需要氫能穩定來源，關于可再生能源制氫，我國目前的技術發展狀況如何?
林衛斌： “氫進萬家”科技示范工程是科技部綜合考慮氫能技術、產業和資源等各方面因素組織實施的重大科技示范項目。“氫進萬家”能推動氫能創新鏈與產業鏈融合發展，加快氫能在交通運輸、工業和家庭用能等終端領域應用，引導氫能進入居民能源消費終端，為打造“氫能社會”奠定基礎、為實現“雙碳”目標提供有效途徑，是推動我國能源結構轉型、構建現代能源體系的重要力量。為了搶抓氫能產業發展的重大機遇，2022年，深圳市依托國家重點研發計劃“氫能技術”重點專項“中低壓純氫與摻氫燃氣管道輸送及其應用關鍵技術”，啟動“氫進萬家”氫能社區應用示范工程建設。
我國可再生能源制氫裝機規模目前全球最大，到2030年，有望突破1億千瓦。到2060年，綠氫生產量有望接近1億噸，包括用氫能來發電的裝機容量有望突破1億千瓦。截至2023年底，我國已建成并運營加氫站428座，建成可再生能源制氫項目58個，覆蓋21個省、自治區、直轄市，合計項目規模達到654.5兆瓦。據預測，2060年我國氫能消費規模將接近8600萬噸，產業規模將達到4.6萬億元。屆時，在我國專門制氫的用能結構中，非化石能源占比將從2022年的1%增至93%，其中風能和太陽能制氫占比將占到2/3。
問：摻氫綜合實驗平臺投用后，如何更好地滿足城鎮燃氣穩定供氣?
李璐伶： 城燃輸配系統很復雜，包含了三級壓力，不同壓力等級的管材、管徑不一樣，鋪設條件也不一樣，需要創造實驗條件來研究不同環境下管道的適應性。燃氣摻氫不是一件容易的事情，不僅要考慮摻氫比能否滿足日常城鎮燃氣穩定供氣，而且要保障燃氣輸配供應系統安全、考慮氫氣產業鏈上下游配套等。它的上下游包含了制氫、儲氫、用氫。從技術層面看，專家一致認為20%以下的摻氫比比較合理，這樣的摻氫燃氣可以直接供給用戶，但從產業鏈的角度看，只有足夠便宜且來源足夠穩定的氫氣，下游用戶的接納度才能達到一定程度。
問：作為國家“氫能技術”重點專項的參與單位，石工建中原設計公司在氫能技術研發方面有哪些優勢?
銀永明： 石工建中原設計公司在國家重點研發計劃“氫能技術”重點專項“中低壓純氫與摻氫燃氣管道輸送及其應用關鍵技術”中主要承擔構建純氫/摻氫輸配管網模型、示范工程設計及相關標準規范的編制等內容。中原設計曾經在國內率先開展“天然氣摻氫輸送工藝技術研究”，形成了關于天然氣摻氫的工藝技術并取得專利。除了在氫氣“制、儲、輸、用”方面有一定的技術積累和實驗數據成果，他們還開展氫能其他相關技術的研究與應用，比如在摻氫天然氣輸送安全風險分析及泄漏預警技術研究、在役天然氣管道中摻氫輸運關鍵工藝技術等方面也取得了可喜成效。為充分應用氫能，助力氫能源汽車發展，還在氫氣分離提純領域進行了技術攻關。
依托集團公司《地下鹽穴儲氫關鍵技術研究》科研課題，中原設計公司在國內率先開展地下儲氫庫地面注采關鍵工藝研究，解決了諸多難題。他們研發的光伏離網質子交換膜(PEM)電解水制氫試驗裝置試驗成功，參編完成了《氫氣管道工程設計規范》《天然氣長輸管道摻氫輸送評價指南》等相關標準和規范6項。這些氫能技術方面的積累，為該公司更好地承擔國家重點研發計劃“氫能技術”重點專項提供了助力。
