氢气作为一种理想的新能源具有广阔的运用前景，我国氢产业化发展处于起步阶段，开展天然气掺氢方面的系统整体性研究，可为氢气社会的发展探索并开启更多的路径。现阶段天然气掺氢在储能运输、交通、燃烧、发电等行业均可以得到有效的运用,大规模推动天然气掺氢的技术应用，仍需各方的不懈努力。

天然气掺氢面临的挑战

一是相同工况下掺氢降低天然气网络输送能量。氢的能量密度低，大约是天然气的1/3，保持相同压力下掺氢会降低输送气体的能量含量。IEA数据显示，在天然气输送管道中加入3%的氢气，将使管道输送的能量减少2%左右，最终用户天然气需求量有所上升。

二是天然气管网中掺氢比例受到的限制多。掺氢上限取决于与其相连的设备，管网范围越大，设备越多，对掺氢上限的要求可能越严格。例如，掺氢后使用天然气作为原料的化工企业可能需要调整工艺和流程。现有燃气轮机的控制系统和密封无法适应高比例的氢气，掺氢比例需低于5%。已安装的燃气发动机因相同原因，氢的最大浓度为2%。

三是更大的挑战来自安全性及对应的检测和管理体系的完善。金属材料在氢环境下有可能发生氢脆问题，氢气对输送管道的影响主要是材料韧性的损失和疲劳裂纹扩展速率的增加，这是影响掺氢比例的重要因素。另外氢的掺入会使点火能量降低、泄漏速率加快、可燃范围增大，掺氢比例的增加会使泄漏、燃爆危险相应增加。检测手段和设备需要完善，现有的管道完整性管理也需做调整适应掺氢带来的影响。

天然气掺氢的标准在包括我国在内的多个国家几乎空白。推进更为积极的欧洲国家也表现谨慎，大多数国家和地区设置掺氢比例不超过2%，少数国家和地区设定为4%到6%之间，德国虽然规定上限为10%，但如果压缩天然气加气站连接到网络，则该比例大幅下调到2%以下。在一些相关设备的规格方面也存在限制，欧洲标准规定燃气轮机所供天然气的氢含量必须低于1%。

四是我国天然气主干管道掺氢运输有待时日。主干管网可实现天然气远距离大规模输送，在我国与可再生能源的分布和输送方向高度吻合，通过天然气主干网输送氢气在多个方面具有重大意义，但目前尚不具备条件。主干管网输送压力较高，我国西气东输三线输送压力就达12MPa，较高压力下氢气对管道材料的影响变大。而天然气成分不同、管道材料不同、管道工况不同，都使氢对管网材料的影响程度存在差异，国际上的研究成果不宜直接照搬，掺氢天然气主干管网安全掺氢比例标准尚无法确定。诸如管道材料与掺氢天然气的相容性试验、掺氢天然气的泄漏与燃烧爆炸问题等基础研究工作需扎实推进。

另外，将氢混合到天然气中运输，如果需要在最终使用地点将氢分离(目前终端利用方式都需要此操作)，会增加较高的成本，以变压吸附为例，根据混合水平和最终使用需求，有研究数据表明其成本在3-6美元/公斤。

天然气掺氢发展趋势展望

降低碳排放是全球所有国家的使命，氢以清洁、高热值和零排放的优势未来必将成为完成这项使命的主角。但是，我们需要承认的客观事实是，氢的运输是每一个国家氢能产业发展的薄弱环节，经济性和安全性都有待完善。无论是作为商业、民用气燃料还是应用于交通领域，天然气管网掺氢都是解决上述问题的有效方案。未来主干管网在设计时应尽可能考虑未来输送掺氢天然气的需求，提高未来掺氢输送的可行性。

现有研究成果尚不能较全面考虑实际情况，需继续加强研究。例如，加强管道材料与掺氢天然气的相容性试验，充分考虑掺氢引起的泄漏速率加快、可燃范围增大及燃烧速率加快等影响，全面研究掺氢天然气的泄漏与燃烧爆炸问题，加强对管道损伤、裂缝的探查和处理，为管道的安全管理工作提供依据；依据所建立材料的性能数据库，测试现有天然气管道检测工具检测的效果和修复方式的效果，建立掺氢天然气管道输送的完整性管理系统。

我国对天然气掺氢的研究工作尚在起步阶段，天然气掺氢领域仍有许多问题亟待解决。现有的研究成果不能完全考虑实际情况，且各国的天然气组成、天然气管网材料、工况存在差异，我国发展天然气掺氢技术不能盲目借鉴国外的参数，需结合我国的实际情况，对输送管道的性能进行分析，研究掺氢比例的最佳范围，并制定一系列关于天然气掺氢的标准，推动天然气掺氢技术的产业化应用。

尽管仍有较长的路要走，但我国天然气管网建设有相当大空间，新增主干管网在设计时应尽可能考虑未来输送掺氢天然气的需求，提高未来掺氢输送的可行性。在管材选择上加强对氢脆现象的防护处理，加强对管道损伤、裂缝的探查和处理。对管道的焊缝要提出更高的要求，使其对氢脆现象有更强的防护能力。

与重新修建纯氢管道相比，天然气管道掺氢具有经济可行性高、投资成本低、接触终端客户多、未来商业化推广相对容易等特点。未来，随着掺氢混输和掺氢分离技术的成熟、可再生能源快速发展、东部等发达地区氢气需求增长，利用西北地区廉价的电力资源制取氢气，掺入天然气管道，有望实现氢气的大规模输送，有助于解决中国能源地域分布不均等问题，促进氢能产业大规模快速发展。

天然气掺氢发展相关建议

国内外多个国家已开展掺氢天然气技术的初步推广，但现有的研究和实践成果尚不能全面标准化，目前仍在积极推广尝试。由于各国技术发展水平各异，因此需充分考虑中国对掺氢天然气系统的氢脆问题的研究水平，弥补现有天然气掺氢理论研究与实践操作中的不足，为此提出了适宜于中国天然气掺氢输送的建议。

1.中国掺氢天然气管道输送示范项目的研究正逐步展开，国家层面的战略性统筹规划较少，相关技术标准尚不完善，相应的法律法规、产业政策等配套支撑也有待完善。因此，为了实现天然气掺氢产业高质量发展目标，应规划部署天然气掺氢输送系统建设，确定中国天然气掺氢管道输送的相关技术指标，完善天然气掺氢技术的政策保障体系。

2.虽然中国在天然气管道与掺氢天然气的相容性研究方面取得了研究成果，但对天然气掺氢系统各装置的氢脆评价研究尚不足。建议开展并完善国产管材及设备的氢与金属相容性实验数据库的建设，建立天然气掺氢系统各装置相容性测试评价方法及性能指标。

3.中国对于不同掺氢比下管材及其他关键设备的典型材料力学性能劣化研究规律的研究尚不足，对于掺氢比与材料氢破坏、管道压力等之间的定量关系尚不明确。建议积极推进天然气掺氢示范项目建设，对现有天然气管道及设备的安全性、材料的氢脆特性加快研究。同时，加强研掺氢天然气对配套设施设备、管道、下游终端用户以及整个输送系统的影响进行研究，并加快天然气掺氢系统关键设备的研发，保障系统运行的安全性。

4.构建天然气-氢气领域的发展规划及产业布局，增加天然气掺氢输送系统的关键技术难点攻关项目，稳步推进天然气掺氢输送的商业化及规模化发展。

原标题： 天然气掺氢面临的挑战与相关建议