各环节的相关技术路径、应用方式初步打通。
受“双碳”目标背景驱动，中国天然气掺氢应用示范加快起步。截至2024年4月初，中国已有至少4例天然气掺氢应用示范项目投运，部分工商业用户开始主动引入天然气掺氢设备。从示范成果与全技术链的突破来看，天然气掺氢的技术流程已经初步打通，初步进入到了“可以用”的阶段。但从产业整体来看，天然气掺氢尚处于示范初期，在进入规模化推广应用前，在标准体系的完善、产品供应链的建设等方面仍需更多时间推进。能景研究根据文献资料、示范项目进展等情况，对天然气掺氢的技术环节及进展进行了梳理，以供行业参考。
01天然气掺氢3大环节，混氢站、管道、终端应用
天然气掺氢在天然气管道系统中实现，供应流程与天然气相似。
天然气的供应大致经历5个流程。从采气站到用户，要经历采气处理、集输及长途输气、城市门站、城市管网、各区域终端用户应用5处。天然气掺氢供应流程也与天然气相似，或在现有天然气管网供应系统中掺入氢气，或新建天然气掺氢管道供氢。
天然气掺氢大体有2类起点位置选择，对应的应用规模也有所不同。
一是在天然气长输起点或过程中掺氢，由井到城面进行氢气长输（长输管道掺氢）。氢气在天然气供应源头掺入，进行跨省、跨市远距离输送，满足一个或多个城市应用需求。典型如2023年开建的“包头—临河”输气管道工程，作为我国首条具备掺氢功能高压输气管道，将连接内蒙古长庆气田与包头、乌海等多个城市。二是在城市门站或用户端掺氢，由掺氢中心到城内终端应用（城燃掺氢）。氢气在进入城市管网前、或送入用户前掺氢，在城市内或建筑内输氢，满足某片社区、厂区或某个建筑的用氢需求。典型如2023年投运的深圳市全国首座城镇燃气掺氢综合实验平台，将掺氢燃气进入深圳市龙华区求雨岭生活区供给燃气灶等使用。
从天然气掺氢的实现过程来看，分掺氢、输送、客户应用3大步骤。一是在掺氢混气站（掺氢站），将天然气与氢气按固定比例混合；二是通过掺氢管道，将混掺气体输往下游客户；三是面向居民或工商业客户，在燃气灶、锅炉等不同终端设备上进行应用。
02
掺氢环节——气体掺混技术已在多领域应用，氢气的掺混正沿高精度、大流量方向验证突破
掺氢环节的核心是混气技术，主要有3种技术路线。
一是流量随动技术，按气体体积调控掺氢比例。以天然气为主动气源，氢气按预先设定的体积比例、跟随天然气通过体积的变化而变化。该技术具有可及时调控、精度较高等优势。
二是文丘里引射技术，利用高压喷射时形成的负压吸入氢气。天然气通过超声速喷嘴高速喷出时形成负压，从而吸入氢气，再经引射段、混合段、扩压段后形成均匀的混合气输出。有着耗能低、运行成本低等优势。
三是高压比例式混合技术，按固定压力、流量比调节比例。将天然气、氢气调节成固定压力，然后调节天然气、氢气的进气阀口设定好固定进气速度，从而实现按固定掺氢比混合。有着调控简单、稳定等优势。
现阶段示范项目中主要应用流量随动技术。
流量随动技术的核心设备中一是静态混合器；二是智能自动化控制设备，包括快速响应电动调节阀、调压器、流量计、PLC控制器等。其依托装置可调性高、智能化控制等特点，可实现掺氢比例的灵活可调、快速响应以及较高精度。而天然气掺氢示范场景下，掺氢比例较低，精度与调节的灵活性要求高，流量随动技术较为符合示范项目的需求。现阶段小规模的示范项目中，掺氢浓度、控制精度等都达到了较高水平。如2021年国电投在辽宁朝阳市开展的天然气掺氢示范项目，采用流量随动天然气掺氢，设计掺氢比为3%～20%，流量约100 Nm3/h。根据披露数据，2021年6月份朝阳示范项目某6天运行中，下游用气量在71.3～126.4 Nm3/h大幅波动，掺氢比例一直稳定在8.81%～8.84%。
能景研究认为，面向未来实现大规模掺氢应用场景，大流量、高精度掺氢技术或是焦点性方向。一方面，是静态混合器等掺氢装置；另一方面，流量计、调压器以及智能自动化管理平台等辅助设备也有着升级需求。
03输氢——某些低强管材已证实输氢安全性，规范标准、材料是2项主要需求
城市燃气场景与长输场景的技术要求与阶段不同，标准、材料各有侧重。
城市燃气多采用低强度管材，氢致失效风险较低但尚缺标准。城市管网的压力一般低于4 MPa，进户燃气则低于0.01 MPa，管材多为API 5L A、X42等低强管材。从国内外研究及示范项目来看，4MPa、30%的掺氢比例以下，低硫低磷的城燃管材发生氢致失效的风险较低，需标准对成分、测试方法等进行规范。
长输场景管材向高强度发展是趋势之一，掺氢相容性仍处于验证阶段。长输管道压力高、管径大，对高强度管材需求较大，如国内天然气西气东输二线西段干线，设计压力12MPa，全部采用X80钢级。但实验室内掺氢环境下，部分X70、X80的力学性能指标随氢浓度、压力上升而有明显下降。
标准逐渐完善、材料体系逐渐丰富。
一方面，依托示范项目国内掺氢标准制定加快推进。国内天然气掺氢示范项目多是示范与标准同时推进，如深圳城镇燃气掺氢综合实验项目、内蒙古天然气掺氢项目等。2023年底，国内首个关于氢气储输管道用钢管的国家标准《氢气储输管道用钢管》获得立项制定批复，预计2025年制定完成。
另一方面，新型输氢管材、管道研究成果不断出现。金属管材方面，国内钢铁、管道设备企业联合攻关，如首钢集团先后与国内宝鸡、巨龙、华油等龙头企业合作，成功开发了B、X42、X52、X70钢级输氢管线钢；柔性复合管材方面，则以民营企业等为主力，2023年国内有两家企业RTP非金属输氢管道纯氢爆燃试验获得成功。
能景研究认为，新型管材需求将逐渐起量。输氢管道场景多样、技术要求较高，尽管国内输氢管道研发上已获得初步突破，但与天然气管道相比技术水平与场景适用性尚有差距。从场景需求及技术适用场景来看，天然气掺氢对高强输氢金属管材、新型柔性管道等都仍有更多技术突破与产业化需求。
04终端应用——低浓度掺氢在部分场景已证实可行，工商业场景或率先打通
终端应用可分为居民场景与工商业场景。
居民端以小型燃气具为主，应用装备具有多样性、分散性。从技术要求看，国内对于民用燃气具等有着严格标准规定，如燃气具材料与燃气的相容性、气密性、抗压性，此外还有使用时的燃烧工况、噪声、尾气污染物含量等。
工商业端以锅炉、燃气轮机等为主，具有用气量大、集中的特点。从技术要求看，以天然气锅炉为例，锅炉和灶具的运行工况存在差异，供气流量大，热负荷要求稳定。考虑点主要有防止回火、燃气/空气供应设计、含氮污染物排放控制等；同时，还要考虑氢气采购供应量有限时与纯天然气的兼容切换。
中国在居民、工商业场景均已有低浓度掺氢示范。
居民应用领域示范与研究较多，低浓度下初证可行。国内如辽宁朝阳天然气掺氢入户示范项目、深圳城镇燃气掺氢综合实验平台等项目，均已实现居民燃气灶成功实施，掺氢比例在10%左右。同时，实验室中也有较多研究积累，根据同济大学等的实验结论，掺氢比例20%以下时传统燃气灶可正常运行。
工商业领域锅炉率先投运示范，产品供应链开始跟进。在辽宁朝阳天然气掺氢示范项目中，初步证实 10％的掺氢比例下燃气锅炉可长期正常运行。国内某些氯碱等拥有副产氢资源的企业，也有采购掺氢天然气锅炉利用的案例。根据某锅炉企业披露，其氢气/天然气全比例混合燃烧已实现安装投运。
能景研究认为，技术初步打通将带来供应链的较快成熟，工商业场景或率先起量。从技术看，在严格的标准与产品质量把控下，低浓度下的居民灶具与锅炉掺氢均已有一定的可行性；从场景看，工商业场景副产氢资源丰富，减碳节能需求大，有动力进行主动掺氢应用；从项目建设及运营看，锅炉更加集中且偏定制化，相较分散性强、无严格值守的居民场景高易保障安全性。
来源：能景研究
作者：云龙
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原文标题 : 技术|天然气掺氢三大环节技术开始进入示范应用阶段
