天然气掺氢管道输运及终端应用1)

于子龙 张立业 宁 晨 孙 钢 刘泓芳 安振华 王金华 ,2) 黄佐华 鲁仰辉 ,3) 杨沐村

*(国家电投集团东北电力有限公司，沈阳 110181)†(朝阳燕山湖发电有限公司，辽宁朝阳 122099)

**(西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室，西安 710049)

††(国家电投集团科学技术研究院有限公司，北京 102209)

当前全球能源主要由三大化石能源石油、煤和天然气供应。截止到2019年，石油、煤和天然气在全球能源供应体系中合计占比为84%[1]。我国在2020年宣布了“2030碳达峰，2060碳中和”的目标，为了实现这一目标，必须改变现有的能源结构，大力发展风、光可再生能源。可再生能源的主要问题是波动性，氢是优良的可再生能源储能载体，氢能将在能源、石化、有色、航空、运输等诸多领域助力深度脱碳[2]。

根据国际氢能委员会预测，到2050年，氢能将在世界范围内创造3 000万个工作岗位，减少60亿吨二氧化碳排放，创造25万亿美元产值，在全球能源中所占比重有望达到18%[3]。截至2020年6月，全国范围内省及直辖市级的氢能产业规划超过10个，地级市及区县级的氢能专项规划超过30个。由国务院印发的《节能与新能源汽车产业发展规划（2012—2020年）》[4]《中国制造2025》[5]《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》[6]等国家纲领性规划文件，均指出要发展氢能源产业。2019年3月，氢能源首次写入《政府工作报告》，明确将推动加氢等设施建设。2019年底，《能源统计报表制度》首度将氢气纳入2020年能源统计，15部门印发《关于推动先进制造业和现代服务业深度融合发展的实施意见》，推动氢能产业创新、集聚发展，完善氢能制备、储运、加注等设施和服务[7]。2020年4月，国家能源局发布《中华人民共和国能源法（征求意见稿）》，氢能被列为能源范畴[8]。

氢能产业包括制取、储存、输运、应用四大环节，由于大规模储氢成本高、氢燃料电池技术不成熟、氢气基础设施不完善，纯氢的利用还需要相当长的时间，氢能运输需要合适的管道网络系统，而管道网络的巨大基建费用阻碍了氢气应用的进一步推广。国外研究表明，氢气管道的造价约为天然气管道的2倍多[9]。利用现有天然气管道进行天然气掺氢的输运可以节省庞大的基建成本，探索天然气掺氢应用场景，是实现氢能大规模使用的可行途径。掺氢天然气的主要使用场景之一是通过现有燃气管网入户实现在民用燃气具终端上的使用。氢气作为燃气利用不仅可以有效减少天然气在使用中的污染和碳排放，还有利于优化我国的能源供给结构。英国、德国、法国、荷兰已经开始逐步实施天然气管网掺氢，用于终端设备的项目。但是国内由于燃具和燃气相关标准的欠缺，燃气管网掺氢的适应性和安全性有待验证，所以管道掺氢应用未进行有效推进。天然气掺氢管道输运的主要问题是管道材料的安全性，需要材料、安全、管理系统等综合研究和示范运行，建立相应的规范和标准。同时，掺氢天然气在燃气具上应用的行业和国家标准尚未完善，阻碍了掺氢天然气的应用推广，天然气掺氢在燃气具中的燃烧特性与天然气掺氢或纯氢燃料本身的燃烧基础特性密切相关，天然气在掺混氢气之后，燃气的热值、密度、燃烧、传热特性将发生变化，所以也需要对天然气掺氢之后在终端的应用进行研究。本文充分调研了国际天然气掺氢的研究和示范项目，包括天然气管道掺氢的关键技术，天然气掺氢在燃烧器中的应用，以及相关经济性分析，总结了项目结论和经验，为我国天然气掺氢产业发展提供经验指导。

1 天然气掺氢研究与示范项目

欧美国家认为大规模输运氢气的主要解决办法之一是管道运输[10]。欧美多个国家正在研究在不调整现有天然气管道设施的情况下，向管道中掺入氢气的混输试验和示范。如欧盟Naturalhy项目、荷兰VG2和Sustainable Ameland项目、德国DVG项目、美国能源部国家燃料电池研究中心HIGG项目、法国GRHYD 项目、英国Hydeploy项目和H21 Leeds City Gate项目等。2007年荷兰的天然气掺氢项目Sustainable Ameland开始运行，最高达到了12%掺氢比例。2014年法国的GRHYD项目启动，项目尝试将工业生产中未消耗的电能转化为氢气，并掺混至天然气网络中供用户使用，掺氢比例最高达20%。意大利Snam公司在南意大利的天然气掺氢项目已于2019年4月开始输送掺氢混合气。2019年我国第一个天然气掺氢项目——朝阳可再生能源掺氢示范项目第一阶段工程顺利完工[11]。

1.1 欧盟Naturalhy项目

Naturalhy是一个综合项目，从2004年1月5日启动，项目持续时间为5年，项目总预算为1 730万欧元。该项目由欧盟委员会通过第六框架计划进行共同资助，项目团队由39个合作伙伴组成，其中包含多家气体商业公司，咨询机构及高校，整体由荷兰的天然气基础设施和运输公司NV Nederlandse Gasunie统筹协调。Naturalhy项目主要目的有三条：（1）提升能源安全；（2）减少二氧化碳的排放；（3）提高区域的空气质量[12]。整个项目内容大致可以分为三个方面，第一是经济性方面，分析过渡性天然气/氢气系统的社会经济性影响；第二是技术方面，对使用掺氢天然气技术过程中的安全性、耐用性和管道完整性的问题将进行调查并开发出新的设备；第三是决策方面，开发决策支持工具，以评估现有天然气系统对氢气/天然气混合物的适用性。

对于输气网络中管道的耐久性，研究结果表明：需要利用合适的方法减少氢气对管道中材料的影响，主要由钢铁制成的输运管道的使用寿命在氢气的作用下有一定的降低。对于输气网络中管道的完整性，研究结果表明：需要对整个输运管道的完整性管理方案（pipeline integrity management system，PIMS）进行一定程度的修改以适应氢气输运的新工况。向供气网络中添加氢气会导致燃气引发的危害事件发生的可能性和危险程度进一步增加。掺氢天然气在终端电器中应用的研究十分重要，Naturalhy项目对此方面的研究主要有如下结论：对于合适的最好是经过调整的家用电器以及品质符合要求的天然气，氢气的掺混比例最高可以达到20%。对于固定的发动机以及燃气轮机，需要对其进行新的调整和设计以让其在使用掺氢天然气时也能保持高效率。对于工业过程中需要使用天然气的设备以及工业燃烧器均需要单独的调整和重新设计，最好是进行所有工况的重新设计以保证其工作效率。

1.2 荷兰可持续埃姆兰项目

可持续埃姆兰项目[13]是一个HCNG家用项目，于2007年启动，项目周期为4年，在荷兰Ameland岛的公寓“Noorderlicht”实施，项目从民用角度展示了天然气管网掺氢的应用前景。该项目的发起机构是GasTerra和Stedin，同时Joulz和Kiwa Gas Technology作为项目的分包商也深度参与其中。公寓“Noorderlicht”地图如图1所示（黄色：天然气；红色：富氢天然气；黄色虚线：参考网格；红色虚线：测试网格），该公寓拥有14户人家，且均有独立的煤气表、炊具和燃气锅炉可供测试。成功的能源过渡需要有广泛的社会与群众基础，项目重点收集了终端用户的经验和意见。

图1 公寓小区“Noorderlicht”地图、燃气供应、搅拌机、燃气网格Fig. 1 “Noorderlicht” map, gas supply, mixer and gas grid of apartment community

可持续埃姆兰项目主要内容有两个方面，第一是对不同的材料和接头进行了测试，确定掺氢对管道及接头的机械和化学性能的影响；第二是对下游应用的三种厨具（内置灶炉，独立灶炉和带电烤箱）进行污染物排放、回火、泄漏的测试。得出以下主要结论。

对于被检测管道材料的物理老化、抗冲击能力、拉伸强度、稳定性等重要性能，氢气的添加对其几乎无影响。渗透试验结果表明总体渗透率较低，预计不会导致任何安全问题，氢/天然气混合物的渗透常数比纯氢要低，同时研究中也没有发现与氢有关的管道材料缺陷。对于测试的三种厨具，氢气的加入能够轻微降低污染物排放。氢气的加入虽然加快了燃气的燃烧速度，但是厨具仍能够通过回火测试。各个暴露在富氢天然气下的接头、密封部件没有表现出任何退化，对相关部件的目视检查也并没有发现与氢有关的缺陷或污染。因此，三种厨具均能够满足法规对污染物排放、回火和泄漏的要求。

1.3 其他国家主要掺氢项目

法国、美国、英国等相继开展了天然气掺氢相关研究。法国GRHYD项目[14]的主要目标是：在居民住房中和公共运输部门进行掺氢天然气的应用示范，评估和验证掺氢天然气使用中面临的技术问题以及相应的经济意义，项目整体思路如图2。整个GRHYD项目由两个示范项目组成，分别为工业规模的Hythane燃料项目，将掺氢天然气应用于公共交通，氢气比例从6%逐渐增加到20%，另一个是将氢气注入天然气管道中的项目。美国国家可再生能源实验室(NREL)于2013年3月发布了《天然气管道掺氢的关键技术报告》[15]，总结了美国多年来在天然气掺氢方面的研究进展以及相关成果，同时也介绍了国际上主要的研究成果，提出应该对管道系统和天然气的组分进行评估与检测，将氢气引入天然气系统之前需要对现有天然气的监测以及管理手段进行一定的修改，同时也要综合评估改造所需的成本与氢气引入天然气系统的收益之间的关系。英国的HyDeploy项目旨在证明将20%的氢气与天然气混合使用是一种安全、绿色的能源替代方案[16]。HyDeploy项目总体可分为三个部分，第一部分是进行详细的基础实验研究以建立起尽可能宽泛的数据库，以此为基础向安全管理部门（HSE）提出气体安全管理条例的相关豁免申请，得到相关的许可之后才能进行掺氢天然气的入户示范；第二部分是配置电解槽以及氢气入网的相关设备，包括相应的管道以及阀门的安装，同时对运行人员进行相关的安全培训；第三部分就是实际的入户示范，进行正式的示范项目。

图2 GRHYD项目内容Fig. 2 Contents of GRHYD project

2 天然气掺氢管道输运研究

2.1 天然气掺氢与天然气管道材料的相容性

我国天然气管路主要包括输送管道、配送管道及其他储压调压设备。输送管道主要是实现城际之间的天然气远距离输送，从气源的气体处理厂或起点压气站将气体输运到各大城市的配气中心、大型用户或储气库，输送压力较高（我国西气东输工程中的部分管道设计压力甚至达到12 MPa，其他长距离输送管道的设计压力也普遍在数个兆帕的量级），因此使用的钢材强度等级较高，如X52，X56，X60，X65，X70及X80等，最大直径可以达到1 420 mm[17]。输送管道一般位于居民较少的郊外。配送管网中的低压天然气由输送管道中压力较高的气体通过减压站减压后输运至终端使用，压力一般小于1 MPa，小部分会大于3 MPa。配送管网分支稠密，可以确保将天然气输送到千家万户，一般分布在居民集中的区域。配送管道的材料一般是铸铁、铜、钢和非金属材料。其使用的钢通常是低强度钢，如API5LA，APⅠ5LB，X42和X46；使用的非金属材料包括聚乙烯（PE63，PE80，PE100）、聚氯乙烯（PVC）及其他弹性材料[18]。

总体而言，长距离的输送管道由于其工作压力高，均是使用强度较高的钢材，而对于配送管道，其中使用的金属管道为低强度钢或者铸铁和铜等材料，也会使用聚乙烯等非金属材料。这就给氢气对管道材料影响的相关研究增加了一定的复杂性。

氢气和天然气在理化性质上有明显不同，因此在天然气掺氢后，混合气体性质的改变会成为管道输运方面的安全隐患[19]。北京石油工程学院李敬法等[20]指出，分析掺氢天然气管道相容性的关键在于确定管道材料的力学性能与掺氢比和输送压力等工作条件之间的关联关系，可从宏观角度通过测试和模拟材料典型力学性能分析氢气对管材可能造成的影响，其中包括氢损伤[21]、氢脆[22]、氢腐蚀。对于输运管道的材料而言，由于输送管道的工作压力较高，因此其所用材料的强度较高，而强度较高的材料更容易受到氢的影响。因此需要着重研究氢气对输运管道材料的影响。总的来说，钢的屈服强度和抗拉强度受氢影响不大，但其韧性会受氢影响而降低。普通管道等级碳钢API 5L X52和ASTM A106等种类的钢已经广泛应用于低压氢气的输送，几乎没有出现问题。浙江大学赵永志等[23]对前人研究结果[24−25]的整合表明：氢气对X52，X60，X65，X70，X80，X100的屈服强度和极限抗拉强度的影响较小，而断面收缩率和断后伸长率显著减少。在5.5 MPa氢气中进行的试验表明：X100的断面收缩率由75%降低到30%左右，而X60，X70，X80的断面收缩率由70%～90%下降到30%～60%之间，随着氢气压力的继续增加，氢气对断面收缩率基本没有影响[26]。

氢气的添加会加速材料中疲劳裂纹的增长速度，同时也会加速材料的老化，氢的此种作用在较低的压力即会出现，且在低温时更加明显。而压力波动等因素会很容易造成材料中疲劳性裂纹的出现，因此需要对管道中出现的裂纹尽可能进行监控。焊接区域同样会受到氢气的影响，因此为保证焊接区和热影响区的材料在掺氢环境下可以正常工作，必须相应强化管材的强度和韧性。

氢气的添加还会对调压站中一些设备产生影响[27−28]，调压站主要有两种类型的压缩机：离心式压缩机和活塞式压缩机。天然气掺氢对活塞式压缩机影响较小。然而，在离心式压缩机中使用氢，需要压缩的体积是使用天然气时的三倍。除此之外，要获得相同的压力比，压缩氢时需要的旋转速度要比压缩天然气的旋转速度高1.74倍。而这种旋转速度会受到材料强度以及压缩机性能的限制，当氢气通过现有的管道基础设施输送时，这可能会造成一些问题。不过实际使用中，掺入的氢气比例一般相对较低，因此对压缩机性能要求没有那么高，但是氢气的掺入会提高离心式压缩机的性能要求。另外除了对性能的要求，氢气的掺入对压缩机使用安全的要求也需要进一步研究。

2.2 掺氢天然气的管道泄漏问题

管道中的气体输送过程是持续进行的，因此管道输送过程中的泄漏是一种连续性泄漏，通常会产生气体积聚的现象，气体积聚一方面会使人窒息，另一方面遇明火极容易发生火灾或者爆炸。所以掺氢天然气的泄漏与积聚行为有必要被深入研究[29]。

正常工况下，除管道泄漏问题外，在配送管网的非金属低压管道中也常出现渗漏问题。在法兰连接处的泄漏问题较为明显，而大部分渗漏气体是通过管道壁面渗透。Naturalhy项目使用实际的管道材料对甲烷、混合气的渗漏情况进行了分析。实验采用三种不同等级（PE 63, PE 80,PE 100）的PE管道材料、多种管径（从20 mm到200 mm）、多种操作压力环境（100～120 kPa）以及多种环境温度（5℃和25℃），表1中给出了部分的实验结果。

表1 Naturalhy中部分工况的结果Table 1 Results of some working conditions in Naturalhy

从Naturalhy的研究结果中可以知道：（1）甲烷通过管道扩散有一定的迟滞时间，而氢气通过管道扩散的迟滞时间为零；（2）甲烷和氢气的渗透速率随内部压力的增大而增大；（3）氢气在PE中的渗透系数至少是甲烷的4 ～ 5倍，因此，氢气在泄漏气体中所占据的比例要远远高于其在混合气中的分压比；（4）氢气在PVC等材料中的渗透更加严重；（5）实验中各种材料下得到的气体损失数据均低于理论推算的数据；（6）管道的老化似乎对气体的渗漏系数几乎没有影响。其中实验数据与理论计算外推数据的区别主要是实验条件不同，在基础数据库中的相关数据多是基于基础测量，所用材料多为膜状材料。而实际情况中要复杂得多，一是使用的是混合气体而非纯氢；二是厚的管道会有效阻碍氢气的渗透，降低气体的泄漏量，因此导致理论外推结果的高估。后续GTI（gas technology institute）收集了IEA（international energy agency）等组织的技术报告及Naturalhy项目的报告，对相关材料的渗透性进行了总结。各种典型塑料管道的材料及相关弹性体对氢气和甲烷的渗漏性能如表2所示。

由表2可知，氢气在绝大部分用于制作密封件的橡胶等弹性体中的渗漏系数比在管道材料中的渗漏系数要高得多，因此该位置更容易发生泄漏，但是由于气体接触面积的原因，主要还是从管道位置渗漏气体。对于钢和球磨铸铁等金属管道系统中，气体主要是通过螺纹或机械连接关节发生泄漏。GTI对天然气和氢气在此种情况下的泄漏情况进行了研究，结果表明：氢气比天然气的渗透速率高了3倍。

表2 各种材料对气体的渗漏性能Table 2 Gas leakage performance of various materials

总的来说，尽管接口处和密封件位置气体更容易泄漏，且氢气在此处的渗透率相对于天然气更高，但是由于气体接触面积的关系，气体的渗漏主要由管道材料所决定，管道材料中氢气的渗透速率比天然气高4～5倍，使得渗漏气体总量增加，掺混20%氢气会使气体的渗漏总量翻倍，虽然从经济角度上讲，这些损失是微不足道的，但是从安全的角度上讲，可能会带来一些问题。

2.3 掺氢对管道输气功率的影响

输气功率用于评价管道对气体的输运能力，其定义为单位时间内管道输运气体的负荷，即单位时间内通过管道的混合气体体积热值与气体流量的乘积。华中科技大学的黄明等[30]对此功率进行了计算，其结果如图3所示，从图中可知，保持压力降恒定的条件下随着掺氢比例的提高，管道输气功率呈下降趋势，但在氢气比例高于83%后，输运功率出现了小幅的回升，但是相较于原本天然气的输气功率仍然要低得多。出现回升主要是由于相同压力降下，氢气的气体流量要高得多。

图3 固定压力降，输气功率随掺氢比的变化Fig. 3 Variation of gas transmission power with hydrogen doping ratio under fixed pressure drop

由图4可知，若固定压力降，输气功率下降明显，因此若想保持管道的输气能量不变，则需要进一步改变管道两端的压力，增加其压力降。因此黄明等[30]又对压力降对输气功率的影响进行了研究，其结果如图4所示，压力降增加能够显著增加气体的输气功率，在中压条件下，混合气体中氢气的体积分数为0.23时，为保证输气功率不变，则起点压力需从0.38 MPa增大到0.384 MPa。在低压条件下，混合气体中氢气的体积分数为0.23时，为保证输气功率不变，则起点压力需从7 kPa增大到7.3 kPa。这说明微小提升压力降，就能保证管道的输气能力不变。

图4 压力降对输气功率的影响 (a) 中压管道(b) 低压管道Fig. 4 Effect of pressure drop on gas transmission power (a)Medium pressure pipeline(b) Low pressure pipeline

重庆大学的吴嫦[31]利用Pipeline studio软件对重庆某片区的整体管道网络进行了模拟分析，结果发现天然气气源点是最佳掺氢点，当掺氢比例低于25%时，掺氢对整个管网的水力工况影响不大。

3 天然气掺氢终端燃气具应用

从燃烧特征理化参数来看，氢气具有强反应性、强扩散性特征，与天然气性质差异显著，氢气层流火焰速度约为天然气7倍，天然气掺氢会对燃烧器终端产生较大影响。富氢天然气家用燃气具是国际燃气利用领域的重要课题，目前全球家用燃氢燃气具试验、示范项目约有40个。国外具有代表性的天然气掺氢研究及示范主要有欧盟的Naturalhy项目、美国可再生能源实验室管道掺氢项目、荷兰“可持续埃姆兰”项目以及法国GRHYD项目等。其中荷兰可持续埃姆兰项目在2007年启动，该项目对家用燃具不同的材料和接头进行了测试，确定掺氢对管道及接头的影响，为燃氢燃气具的市场准入提供了依据。清华大学、西安交通大学联合相关企业开展了掺氢天然气在民用燃气具上的适应性研究，万和电气开展了富氢天然气热水器、燃具的制造及国产化核心零部件研发，推出了适应氢气混合比例不超过20%的富氢燃气的产品以及纯氢燃气具，在家用燃氢燃气具领域取得了一定成果。国家电投集团在辽宁朝阳开展了天然气掺氢示范项目，第一阶段工程已顺利实施。

3.1 天然气掺氢在灶具中的燃烧应用

由于期望能够将氢气引入天然气管网中直接使用，不对终端的设备进行较大改变，因此应对掺氢天然气的互换性进行基础理论的分析，判断气体掺混比例是否适合。表3给出各类互换性判别方法的综合结果。由表3可得，各方法的结果各不相同，单一使用某一标定方法会有局限性，所以应结合各个指数判定结果以确定最优掺氢比。考虑到我国的国家标准GB/T 13611—2018《城镇燃气分类和基本特性》[32]中，推荐进行燃气互换性分析判断时采用华白数和燃烧势共同判断方法，因此可得氢气百分比低于24%时掺氢天然气能够替代天然气的结论。

表3 互换性判定综合结果Table 3 Comprehensive results of interchangeability determination

在对掺氢天然气的互换性进行基础理论的分析之后，重庆大学的黄明等[30]通过实验进一步研究了掺混氢气的天然气在现有家用灶具中的燃烧特性，并得出以下结论：（1）对于灶具热负荷，其随掺氢比的上升而下降，由于《家用燃气灶具》（GB 16410—2007）中规定燃烧器的实测折算热负荷与额定热负荷的偏差应在 ±10%以内，因此只有在掺氢比小于20%以内时，天然气掺氢不影响家用燃气灶的正常使用；（2）对于一次空气系数和热效率，二者都随掺氢比上升而上升，因此在空气系数和热效率上掺氢有利于天然气的高效利用；（3）对于污染物，CO，NO，NOx均随掺氢比上升而下降，因此掺氢有利于碳中和和降低污染物的排放。

国外的研究者同样进行了很多相关研究。英国的Judd等[33]的研究同样表明对于常用家用灶具，其正常工作为掺氢比低于23%，结论由华白数和回火指数分析得出。Naturalhy项目的研究表示氢浓度高达28%的情况下可以安全地使用现有的灶具。荷兰“可持续埃姆兰”项目与法国GRHYD项目中均证明了20%氢气的添加并不会对灶具产生可见的影响。HyDeploy项目前期的预实验中，大部分的灶具均通过了30%氢气比例的测试。这些充分说明低比例的氢气添加并不会对厨房中家电的使用产生过多的影响。

3.2 掺氢天然气在其他燃烧器中的应用

对于锅炉而言，情况有所不同。尤其是现在的冷凝锅炉多是采用预混燃烧的模式，与灶具中的非预混燃烧有一定的差异。意大利的Schiro等[34]研究了富氢条件下锅炉燃烧性能的改变。随着掺氢比的增加，锅炉的碳排放会有所降低，因此氢气的添加能够降低单位能量消耗所导致的碳排放，但是低掺氢比例下作用并不明显。同时，由于氢气的体积热值相较甲烷要低得多，因此想要达到相同的负荷所需燃料流量也会随之增加，但是对于预混燃烧而言，保持相同当量比时所需的空气流量同样随掺氢比例的增加而减少，但总体而言，总流量随掺氢比例的增加而轻微增加，如图5(a)所示。研究者同样评估了氢气的掺加对最大冷凝水量的影响，相同的输出功率下，氢气的添加会导致最大冷凝水量的增加，其结果如图5(b)所示。

图5 掺氢比对功率和冷凝水的影响. (a)相同功率下气体流量随掺氢比的变化, (b)冷凝水随掺氢比例的变化Fig. 5 Effect of hydrogen doping ratio on power and condensate. (a) Change of gas flow with hydrogen doping ratio at the same power, (b) change of condensate with hydrogen doping ratio

最大冷凝水量的增加可能需要重新评估热交换器的设计以达到最大效率。同时由于氢气的燃烧速度要高于甲烷，因此掺加氢气后要增加气体的流速以防止发生回火，其恰好与气体流量的增加相对应，但是高掺氢比下仍需要对流道进行重新设计。同时掺氢也会对锅炉原有的检测手段产生影响，现有的检测设备对掺氢火焰虽然同样适用，但是其安装位置与相应的阈值在高掺氢比例下可能需要重新调整，同时氢气火焰的可视化诊断可能也会是氢气应用的一个挑战。总体而言，研究者认为对于低于20%的氢气比例，现有的锅炉可以直接使用，对于更高的氢气比例，锅炉需要进行一定程度的改造以确保其使用效率不受影响。同时荷兰“可持续埃姆兰”项目与法国GRHYD项目以及英国的HyDeploy项目等示范项目也对锅炉进行了测试，在整个项目进行中锅炉均未因为掺氢而导致额外的事故发生。其中荷兰“可持续埃姆兰”项目更是测试了三种不同类型的锅炉，均能正常工作，而英国HyDeploy项目中更是测试了功率达600 kW的大型锅炉，其表现正常。而这些项目中均未对锅炉进行专门的改造，这足以说明低比例氢气在锅炉中的适用性。

对于气体发动机和气体燃气轮机等，情况较为复杂[22]，尽管掺氢天然气在燃机的生产、储存、分配和燃烧方面具有多种优势和协同效应，但需要对其系统及控制程序进行简单地修改，从而使燃料与燃机的性能进行匹配，如果直接将燃料进行替换，则会影响到热机的效率以及安全性。

3.3 天然气掺氢输运经济学分析

天然气掺氢输运经济学分析以天然气掺氢输气的成本为研究对象，目标是分析在不同氢气价格及不同掺氢比情况下，输气成本的一般变化规律。输气成本C的表达式为

式中每平方米天然气价格PCH4为2.5元，模型的输入信息有氢气价格PH2，掺氢比α，输出信息为输气成本C。

式(2)为输气增量比β的表达式，由于氢气的体积热值比氢气小，因此天然气掺氢时为保证总输气热量不变（设单位热量为标况下1 m3的天然气的热量，即 3 9 MJ ），应有更多的气量输运。参考文献[35]氢气和天然气的体积热值分别为HH2= 13 MJ/m3，HCH4= 39 MJ/m3。

分别在α= 0.1, 0.2, 0.5, 1的不同掺氢比下作图，研究氢气价格、掺氢比与输气成本的关系。得到结果如图6。

图6 输气成本随氢气价格、掺氢比的变化Fig. 6 Variation of gas transmission cost with hydrogen price and hydrogen blending ratio

根据图6可以得出在当前氢气价格1.8～7 ￥/m3的范围内，输气成本比原输运天然气高。预计在2030年，氢气价格会降至0.9～1.5 ￥/m3，掺氢不会使输气成本增加。预计在2050年，氢气价格会降至0.62 ￥/m3，掺氢使输气成本降低。当氢气价格为0.94 ￥/m3时，恰好处于临界价格，即掺氢不会使输气成本增加。大于临界价格时，成本随掺氢比上升而明显上升。

4 结语

本文对国际上现有的具有代表性的天然气掺氢的研究及示范项目进行了调研总结，包括欧盟的Naturlhy项目，荷兰“可持续埃姆兰”项目，法国GRHYD项目，英国HyDeploy项目等示范性项目。同时从天然气掺氢与天然气管道材料的相容性、掺氢天然气的管道泄漏问题以及掺氢对管道输气功率的影响三个方面对天然气掺氢管道输运开展了调研研究，并分析了天然气掺氢对终端燃气具的影响，通过经济性分析核算了天然气掺氢的输运成本。本文主要得出以下结论。

（1）国际天然气掺氢的示范研究表明，低比例的氢气（20%）加入天然气管网系统中并不会造成相关事故风险及危害的明显增加，在对系统进行轻微改变的情况下最高可以允许50%的氢气掺入天然气的管网系统。同时指出燃气终端对氢气比例的要求是最敏感的，决定了掺氢比例的上限。多数标准下厨房灶具等在不进行任何改造的情况下可以接受24%以下的氢气比例。各地所允许的最大氢气含量由适当调整过的传统家电的安全规章以及当地的天然气质量所共同决定，各地的标准有所不同。

（2）对于管道系统而言，掺入的氢气会一定程度上影响天然气管道网络的总体运行风险，随着掺氢比例的增加风险会不断增大，但是低比例的掺氢导致的风险增加在可接受范围内。鉴于各个国家在天然气成分、管道条件和管道材料上的不同，我国应根据实际的管路、气体具体情况开展对于天然气掺氢的分析研究。

（3）对应用终端而言，多数标准下厨房灶具等在不进行任何改造的情况下可以接受24%以下的掺氢比例，锅炉在20%以下比例氢气中也不需过多调整，但是高比例的氢气掺入需要对燃烧器进行重新设计。对于掺氢经济性而言，以目前氢气价格掺氢会使成本上升，预计在2030年后，每平方米氢气价格低于0.94元，掺氢会降低管道输运成本。