各環(huán)節(jié)的相關技術路徑、應用方式初步打通。

受“雙碳”目標背景驅動，中國天然氣摻氫應用示范加快起步。截至2024年4月初，中國已有至少4例天然氣摻氫應用示范項目投運，部分工商業(yè)用戶開始主動引入天然氣摻氫設備。從示范成果與全技術鏈的突破來看，天然氣摻氫的技術流程已經初步打通，初步進入到了“可以用”的階段。但從產業(yè)整體來看，天然氣摻氫尚處于示范初期，在進入規(guī)�；�推廣應用前，在標準體系的完善、產品供應鏈的建設等方面仍需更多時間推進。能景研究根據文獻資料、示范項目進展等情況，對天然氣摻氫的技術環(huán)節(jié)及進展進行了梳理，以供行業(yè)參考。

01天然氣摻氫3大環(huán)節(jié)，混氫站、管道、終端應用

天然氣摻氫在天然氣管道系統(tǒng)中實現(xiàn)，供應流程與天然氣相似。

天然氣的供應大致經歷5個流程。從采氣站到用戶，要經歷采氣處理、集輸及長途輸氣、城市門站、城市管網、各區(qū)域終端用戶應用5處。天然氣摻氫供應流程也與天然氣相似，或在現(xiàn)有天然氣管網供應系統(tǒng)中摻入氫氣，或新建天然氣摻氫管道供氫。

天然氣摻氫大體有2類起點位置選擇，對應的應用規(guī)模也有所不同。

一是在天然氣長輸起點或過程中摻氫，由井到城面進行氫氣長輸（長輸管道摻氫）。氫氣在天然氣供應源頭摻入，進行跨省、跨市遠距離輸送，滿足一個或多個城市應用需求。典型如2023年開建的“包頭—臨河”輸氣管道工程，作為我國首條具備摻氫功能高壓輸氣管道，將連接內蒙古長慶氣田與包頭、烏海等多個城市。二是在城市門站或用戶端摻氫，由摻氫中心到城內終端應用（城燃摻氫）。氫氣在進入城市管網前、或送入用戶前摻氫，在城市內或建筑內輸氫，滿足某片社區(qū)、廠區(qū)或某個建筑的用氫需求。典型如2023年投運的深圳市全國首座城鎮(zhèn)燃氣摻氫綜合實驗平臺，將摻氫燃氣進入深圳市龍華區(qū)求雨嶺生活區(qū)供給燃氣灶等使用。

從天然氣摻氫的實現(xiàn)過程來看，分摻氫、輸送、客戶應用3大步驟。一是在摻氫混氣站（摻氫站），將天然氣與氫氣按固定比例混合；二是通過摻氫管道，將混摻氣體輸往下游客戶；三是面向居民或工商業(yè)客戶，在燃氣灶、鍋爐等不同終端設備上進行應用。

02

摻氫環(huán)節(jié)——氣體摻混技術已在多領域應用，氫氣的摻混正沿高精度、大流量方向驗證突破

摻氫環(huán)節(jié)的核心是混氣技術，主要有3種技術路線。

一是流量隨動技術，按氣體體積調控摻氫比例。以天然氣為主動氣源，氫氣按預先設定的體積比例、跟隨天然氣通過體積的變化而變化。該技術具有可及時調控、精度較高等優(yōu)勢。

二是文丘里引射技術，利用高壓噴射時形成的負壓吸入氫氣。天然氣通過超聲速噴嘴高速噴出時形成負壓，從而吸入氫氣，再經引射段、混合段、擴壓段后形成均勻的混合氣輸出。有著耗能低、運行成本低等優(yōu)勢。

三是高壓比例式混合技術，按固定壓力、流量比調節(jié)比例。將天然氣、氫氣調節(jié)成固定壓力，然后調節(jié)天然氣、氫氣的進氣閥口設定好固定進氣速度，從而實現(xiàn)按固定摻氫比混合。有著調控簡單、穩(wěn)定等優(yōu)勢。

現(xiàn)階段示范項目中主要應用流量隨動技術。

流量隨動技術的核心設備中一是靜態(tài)混合器；二是智能自動化控制設備，包括快速響應電動調節(jié)閥、調壓器、流量計、PLC控制器等。其依托裝置可調性高、智能化控制等特點，可實現(xiàn)摻氫比例的靈活可調、快速響應以及較高精度。而天然氣摻氫示范場景下，摻氫比例較低，精度與調節(jié)的靈活性要求高，流量隨動技術較為符合示范項目的需求。現(xiàn)階段小規(guī)模的示范項目中，摻氫濃度、控制精度等都達到了較高水平。如2021年國電投在遼寧朝陽市開展的天然氣摻氫示范項目，采用流量隨動天然氣摻氫，設計摻氫比為3%～20%，流量約100 Nm3/h。根據披露數(shù)據，2021年6月份朝陽示范項目某6天運行中，下游用氣量在71.3～126.4 Nm3/h大幅波動，摻氫比例一直穩(wěn)定在8.81%～8.84%。

能景研究認為，面向未來實現(xiàn)大規(guī)模摻氫應用場景，大流量、高精度摻氫技術或是焦點性方向。一方面，是靜態(tài)混合器等摻氫裝置；另一方面，流量計、調壓器以及智能自動化管理平臺等輔助設備也有著升級需求。

03輸氫——某些低強管材已證實輸氫安全性，規(guī)范標準、材料是2項主要需求

城市燃氣場景與長輸場景的技術要求與階段不同，標準、材料各有側重。

城市燃氣多采用低強度管材，氫致失效風險較低但尚缺標準。城市管網的壓力一般低于4 MPa，進戶燃氣則低于0.01 MPa，管材多為API 5L A、X42等低強管材。從國內外研究及示范項目來看，4MPa、30%的摻氫比例以下，低硫低磷的城燃管材發(fā)生氫致失效的風險較低，需標準對成分、測試方法等進行規(guī)范。

長輸場景管材向高強度發(fā)展是趨勢之一，摻氫相容性仍處于驗證階段。長輸管道壓力高、管徑大，對高強度管材需求較大，如國內天然氣西氣東輸二線西段干線，設計壓力12MPa，全部采用X80鋼級。但實驗室內摻氫環(huán)境下，部分X70、X80的力學性能指標隨氫濃度、壓力上升而有明顯下降。

標準逐漸完善、材料體系逐漸豐富。

一方面，依托示范項目國內摻氫標準制定加快推進。國內天然氣摻氫示范項目多是示范與標準同時推進，如深圳城鎮(zhèn)燃氣摻氫綜合實驗項目、內蒙古天然氣摻氫項目等。2023年底，國內首個關于氫氣儲輸管道用鋼管的國家標準《氫氣儲輸管道用鋼管》獲得立項制定批復，預計2025年制定完成。

另一方面，新型輸氫管材、管道研究成果不斷出現(xiàn)。金屬管材方面，國內鋼鐵、管道設備企業(yè)聯(lián)合攻關，如首鋼集團先后與國內寶雞、巨龍、華油等龍頭企業(yè)合作，成功開發(fā)了B、X42、X52、X70鋼級輸氫管線鋼；柔性復合管材方面，則以民營企業(yè)等為主力，2023年國內有兩家企業(yè)RTP非金屬輸氫管道純氫爆燃試驗獲得成功。

能景研究認為，新型管材需求將逐漸起量。輸氫管道場景多樣、技術要求較高，盡管國內輸氫管道研發(fā)上已獲得初步突破，但與天然氣管道相比技術水平與場景適用性尚有差距。從場景需求及技術適用場景來看，天然氣摻氫對高強輸氫金屬管材、新型柔性管道等都仍有更多技術突破與產業(yè)化需求。

04終端應用——低濃度摻氫在部分場景已證實可行，工商業(yè)場景或率先打通

終端應用可分為居民場景與工商業(yè)場景。

居民端以小型燃氣具為主，應用裝備具有多樣性、分散性。從技術要求看，國內對于民用燃氣具等有著嚴格標準規(guī)定，如燃氣具材料與燃氣的相容性、氣密性、抗壓性，此外還有使用時的燃燒工況、噪聲、尾氣污染物含量等。

工商業(yè)端以鍋爐、燃氣輪機等為主，具有用氣量大、集中的特點。從技術要求看，以天然氣鍋爐為例，鍋爐和灶具的運行工況存在差異，供氣流量大，熱負荷要求穩(wěn)定�？紤]點主要有防止回火、燃氣/空氣供應設計、含氮污染物排放控制等；同時，還要考慮氫氣采購供應量有限時與純天然氣的兼容切換。

中國在居民、工商業(yè)場景均已有低濃度摻氫示范。

居民應用領域示范與研究較多，低濃度下初證可行。國內如遼寧朝陽天然氣摻氫入戶示范項目、深圳城鎮(zhèn)燃氣摻氫綜合實驗平臺等項目，均已實現(xiàn)居民燃氣灶成功實施，摻氫比例在10%左右。同時，實驗室中也有較多研究積累，根據同濟大學等的實驗結論，摻氫比例20%以下時傳統(tǒng)燃氣灶可正常運行。

工商業(yè)領域鍋爐率先投運示范，產品供應鏈開始跟進。在遼寧朝陽天然氣摻氫示范項目中，初步證實 10％的摻氫比例下燃氣鍋爐可長期正常運行。國內某些氯堿等擁有副產氫資源的企業(yè)，也有采購摻氫天然氣鍋爐利用的案例。根據某鍋爐企業(yè)披露，其氫氣/天然氣全比例混合燃燒已實現(xiàn)安裝投運。

能景研究認為，技術初步打通將帶來供應鏈的較快成熟，工商業(yè)場景或率先起量。從技術看，在嚴格的標準與產品質量把控下，低濃度下的居民灶具與鍋爐摻氫均已有一定的可行性；從場景看，工商業(yè)場景副產氫資源豐富，減碳節(jié)能需求大，有動力進行主動摻氫應用；從項目建設及運營看，鍋爐更加集中且偏定制化，相較分散性強、無嚴格值守的居民場景高易保障安全性。

來源：能景研究

作者：云龍

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       原文標題 : 技術|天然氣摻氫三大環(huán)節(jié)技術開始進入示范應用階段