掺氢天然气助力“端稳能源的饭碗”_王洪建.pdf

经营与管理Management and Administration36城市燃气 2022/10 总第 572 期王洪建，张晓瑞，秦业美，曹 权北京市煤气热力工程设计院有限公司掺氢天然气助力“端稳能源的饭碗”摘要：当前，世界正处于百年未有之大变局，国家能源安全的重要性日益凸显。天然气掺氢技术不仅有助于缓解天然气供应压力，有利于我们国家实现能源自主，而且有助于实现多领域的深度脱碳。为此开展天然气掺氢技术研究具有重要的意义。本团队开展了掺氢天然气的战略规划研究，并针对掺氢混气站、输氢管道安全性以及掺氢天然气燃具等关键技术展开了深入研究。研究表明：掺氢天然气是氢能与天然气融合发展的纽带，对实现能源碳中和具有重大意义。天然气掺氢技术具备大规模推广应用的技术可行性。现阶段通过评估后掺氢比可达到10%，部分改造后进一步可提升到20%30%。乐观情境下，天然气掺氢技术在2026年左右开始进入商业化导入阶段。因此建议推动天然气掺氢关键技术研究，加快制定氢气管道输送（掺氢/纯氢）专项规划，制定适合国情的天然气掺氢产业发展实施路线图。掺氢天然气是我们国家能源领域内的杂交水稻，我们努力将掺氢天然气这新的能源粮食送入到千家万户，助力我国牢牢地端稳能源的饭碗。关键词：能源安全；掺氢天然气；战略规划；技术研发doi:10.3969/j.issn.1671-5152.2022.10.0081 前言2022年6月，欧洲天然气价格一周猛涨60%，这是为什么呢？其主要原因在于欧洲天然气的40%来自于俄罗斯，但因为俄乌冲突，使得俄罗斯削减了对欧洲部分天然气的供应，通过北溪管道被切断的总供气量约为60%。当前，世界正处于百年未有之大变局，国家能源安全的重要性日益凸显，然而，我们国家的能源安全吗？2021年，习近平总书记考察调研胜利油田时强调，能源的饭碗必须端在自己的手里。但是，当前我国石油天然气的对外依存度却居高不下，特别是作为气基能源重要组成的天然气，进口比例从2011年的24%到2021年逐步增加达到了45.6%（1 699亿m3）。试想，如果有一天这些进口的天然气供给暂停将会怎样？作为一名能源人，我们希望保障千家万户的用能安全，为此我们希望能够寻找一种中国的能源杂交水稻，来填满我们能源的饭碗。当前可再生能源开发已经越来越成为许多国家实现能源独立的共识。德国、意大利等国家正探索将可再生能源制成的氢气掺混到天然气管道中，并在城市中实现掺氢天然气的直接利用1。欧洲在运或在建的可再生能源制氢项目有35%都用于天然气掺氢，截至2020年，全球共有40多个示范工程，每年有2 900t氢气掺入天然气管网2。我国幅员辽阔，有着丰富的可再生能源，如果我们也能够将氢气作为燃气的一种，掺入到天然气管道中，这不仅能够有助于缓解天然气37城市燃气 2022/10 总第 572 期供应压力，更有利于我们国家实现自己的能源独立。而且掺氢天然气的利用有助于实现工业、建筑等领域的深度脱碳，掺氢比例10%/20%时，可实现碳减排3.5%/7.6%（等热值），从而有利于我们国家实现碳中和的目标。由此可见，掺氢天然气就是能源领域的“杂交水稻”，为了加快推动掺氢天然气的应用，我们团队开展了高掺氢比的天然气掺氢技术的研究。2 天然气掺氢技术面临的挑战与研发实践2.1天然气掺氢技术面临的挑战虽然氢气（H2）只是比天然气中的甲烷（CH4）少了一个碳原子（C），但是在密度、热值、扩散特性、燃烧特性等物理化学性质上有了很大的差异，而且在当前的天然气管道标准体系中尚未涵盖掺氢天然气。为此，对天然气管道掺氢带来三方面的挑战：（1）顶层设计方面缺乏相关专项规划及标准体系（2）在管网方面存在掺混均匀性、材料相容性等风险。（3）在终端燃烧器方面存在燃料互换性、安全性等影响。虽然有诸多困难与挑战，但是，这些问题都是可以通过管道技术的改进和优化得到解决的。2.2天然气掺氢技术的研发实践为了明确天然气掺氢技术对未来碳中和能源体系构建的重要意义，厘清我国发展天然气掺氢的难点和重点，提出我国天然气掺氢的发展路径，为相关国家能源规划的制定提供支撑，推动天然气掺氢产业健康发展。在国家能源局、住建部和中国城市燃气协会的支持下，我们联同香港中华煤气、佛山燃气、国家管网、国家电投、清华大学等几十家单位共同开展了“天然气管道掺氢输送及终端利用”的可行性研究工作，从天然气掺氢的意义及发展现状、天然气掺氢技术可行性研究、天然气掺氢碳排放和经济性分析、我国天然气掺氢技术发展目标与路径等4个方面展开了深入研究，研究结果表明，掺氢天然气是氢能与天然气融合发展的纽带，对实现能源碳中和具有重大意义。通过发展天然气掺氢技术，到2030年，预计可实现氢气消纳约150万t/a，替代天然气约51亿m3/a，碳减排潜力可达到10Mt/a20Mt/a。到2060年，预计实现氢气消纳约1 691万t/a，替代天然气约572亿m3/a，可实现碳减排约114Mt/a229Mt/a。天然气掺氢技术具备大规模推广应用的技术可行性，现阶段通过评估后掺氢比可达到10%，部分改造后进一步可提升到20%30%，更高比例的掺氢比需要实验验证和分析。乐观情境下，天然气掺氢技术在2026年左右开始进入商业化导入阶段。在研究的基础之上，我们系统地提出了我国“十四五”天然气掺氢发展目标，梳理了“十四五”期间天然气掺氢重点攻关方向，归纳总结天然气掺氢项目建设影响因素，提出天然气掺氢发展路径和重大示范工程建议。为了加快推动掺氢天然气的应用，我们针对掺氢、输氢以及用氢等环节的关键技术难题展开了技术攻关。首先，在北京市科委的支持在，我们开展了天然气掺氢混气技术的研究。为了能够保证氢气与天然气在混合后混合均匀、气质稳定，我们调研了多种常见的混气技术，包括随动流量式、文丘里引射式、比例式、配比式等，但是对于当前10%小比例掺混来说，随动流量式掺混技术是最为合适的，为此我们基于随动流量式混气技术，完成了天然气混气站的方案设计，并且完成了团体标准天然气掺氢混气技术规程的编制，推动随动流量式掺混技术在天然气掺氢工程中的应用3-5。其次，我们要解决的是氢气对已建天然气管道的安全影响，主要包括管材性能劣化规律、完整性管理与风险评价等综合性、高难度的问题6。在这个方向上，我们与国电投研究院、南京港华燃气等合作开展了城市燃气管材评估，针对管道材料实验室测试，需要获得材料拉伸性能、疲劳裂纹扩展速率、断裂韧性试验数据，以此来分析材料对氢的敏感性程度，掌握了氢气对管材疲劳寿命的影响规律。最后，为了能够让千家万户能用上掺氢天然气，我们还需要保障终端燃具能够适应掺氢的天然气7-8。经过研究发现，在掺氢比不大于20%时，随着氢气含量的增加，燃气的华白数降低，虽然所测燃具的热负荷有所降低，但是仍然能够稳定的燃烧。我们也参与到了国家电投集团在辽宁朝阳建设的掺氢天然气民用示范项目，在此次示范中开展民用燃气具、热水器、壁挂炉的试验测试，示范工程成功运行了一年。经过这些研究工作，更加让我们坚信“掺氢进万家”是可行的，掺氢天然气就是一种可靠的能源粮食。王洪建等掺氢天然气助力“端稳能源的饭碗”经营与管理Management and Administration38城市燃气 2022/10 总第 572 期3 展望及建议辽宁朝阳的掺氢示范应用，只是我们在掺氢天然气研究中的一小步，面向掺氢天然气的落地应用，仍然还有很长的道路要走。在河北省科技厅、内蒙古科技厅以及江苏省科技厅的支持下，我们已联合更多的氢能专家、燃气专家，不断推动更多的天然气掺氢示范工程。我们相信只要万众一心攻坚克难，我们就能够更快地实现天然气掺氢技术的商业化应用，实现“氢进万家”，为我们国家天然气的能源安全贡献自己的一份力量。在此，我们也呼吁更多的人能够参与到天然气掺氢技术的研发与推广应用中，建议加快制定氢气管道输送（掺氢/纯氢）专项规划，制定适合国情的天然气掺氢产业发展实施路线图，从基础研究、应用研究、产品开发、规范标准、性能测试、技术实证、商业模式创新、产业发展、教育宣传等方面全面研究与布局，建设“制氢-掺混-储运-分离/利用-商业运营”一体化的产业链。建议加强“政产学研用”机构合作，促进全产业链协同发展，建立有效的共享平台与合作机制，成立行业氢能专委会，引导行业培育健康可持续的天然气掺氢产业生态圈，充分发挥燃气行业主体作用，积极引导城燃企业、设备制造企业、科研机构、高等院校、行业协会等相关单位的广泛参与，建立有效的跨行业沟通共享平台与合作机制，成立国家级工程技术研究中心，加强天然气掺氢关键技术研究，携手共创天然气掺氢发展的新局面。今天，我们距离把天然气能源的饭碗端在自己的手里，还有很长的路要走，但是我们相信不久的将来，掺氢天然气必将能够真正成为我们国家能源领域内的能源杂交水稻。在我们共同的努力下，一定能把掺氢天然气这新的能源粮食送入到千家万户，为“能源的饭碗必须端在自己的手里”做出贡献。参考文献1 王洪建，熊思江，张晓瑞，等.天然气掺氢技术应用现状与分析J.煤气与热力，2021，41（10）：12-15+45.2 仲冰，张学秀，张博，等.我国天然气掺氢产业发展研究J.中国工程科学，2022，24（03）：100-107.3 天然气掺氢混气站技术规程：T/CAS 5902022S.4 一种天然气掺氢混气站的自供电系统（ZL 202020 989345.5）.5 一种天然气门站氢气浓度控制设备（ZL 20202188 4453.2）.6 张家轩，王财林，刘翠伟，等.掺氢天然气环境下管道钢氢脆行为研究进展J/OL.表面技术：1-11.7 杨沐村，刘伟，孙晨，等.家用燃气具对掺氢天然气的适用性评估与示范应用J/OL.力学与实践：1-10.8 王天天，张海，张扬，等.掺氢天然气在燃气锅炉和灶具中的回火风险分析J.力学与实践，2022，44（03）：543-553.国家管网新气管道广西支干线工程是国家天然气发展的重大能源建设项目，是“南气北上”中线通道工程的重要一环，可使南方海上来气直达华北地区，对于加快推进“全国一张网”建设具有重要意义。国家管网新气管道广西支干线工程全长463km，管径813mm，设计压力10MPa。永州境内管线长度139.8km，途经祁阳市、零陵区、东安工程信息天然气将“管输”永州县，包含建设1座站场、6座阀室、1条隧道和2条盾构，总投资10亿元。国家管网新气管道广西支干线工程建成后，将进一步改善湖南境内大气环境，有效缓解永州天然气供需矛盾。通过管输，可以有效降低永州市天然气终端价格。据初步推算，永州市天然气价格将下降30%以上，居民气价下降1元左右。（本刊通讯员供稿）