石工建中原設(shè)計公司設(shè)計的氫能應(yīng)用綜合服務(wù)站規(guī)劃圖。

實驗平臺流程圖

日前，我國首座城鎮(zhèn)燃?xì)鈸綒渚C合實驗平臺在深圳投用，中央電視臺作了報道。該實驗平臺集測試、應(yīng)用、生產(chǎn)功能于一體，標(biāo)志著我國天然氣摻氫輸送管道及綜合利用，以及“氫進(jìn)萬家”進(jìn)入全新發(fā)展階段，為我國利用現(xiàn)有城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿罁綒涮峁┝丝赏茝V、可復(fù)制模式。本版文圖由 石工建中原設(shè)計公司 李 慧 提供

在深圳市北部，距離市中心一個多小時的車程，坐落著深圳燃?xì)饧瘓F(tuán)公司求雨嶺場站。在該場站的東南側(cè)，一片郁郁蔥蔥的丘陵下，我國首座城鎮(zhèn)燃?xì)鈸綒渚C合實驗平臺正安靜運(yùn)行著。

“摻氫”是將氫氣與天然氣進(jìn)行不同比例混合，再利用現(xiàn)有的天然氣管網(wǎng)進(jìn)行輸送。深圳燃?xì)鈸綒渚C合實驗平臺集測試、應(yīng)用、生產(chǎn)功能于一體，摻氫比例為5%~20%，可實現(xiàn)綠電制氫、天然氣摻氫、管道輸送、管材驗證等多維度技術(shù)應(yīng)用和全流程工藝與設(shè)備應(yīng)用示范，實現(xiàn)城鎮(zhèn)燃?xì)?、氫?ldquo;摻-輸-用”一體化功能。該平臺投用為我國利用現(xiàn)有城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿罁綒涮峁┝丝赏茝V、可復(fù)制模式，標(biāo)志著“氫進(jìn)萬家”進(jìn)入全新發(fā)展階段。

該平臺隸屬于國家重點研發(fā)計劃“氫能技術(shù)”重點專項“中低壓純氫與摻氫燃?xì)夤艿垒斔图捌鋺?yīng)用關(guān)鍵技術(shù)”，是深圳燃?xì)饧瘓F(tuán)公司于2022年聯(lián)合中國石油大學(xué)(華東)、中國石化、清華大學(xué)、中科院、萬和等10家單位共同參與的“產(chǎn)學(xué)研用”協(xié)同創(chuàng)新項目。其中，中國石化石油工程建設(shè)公司中原設(shè)計公司負(fù)責(zé)構(gòu)建純氫/摻氫輸配管網(wǎng)模型、示范工程設(shè)計及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的編制等工作。

摻氫輸送是氫能利用的重要途徑之一

我國是能源需求大國，能源消費(fèi)量保持增長的同時也面臨著嚴(yán)峻的低碳環(huán)保壓力。氫氣作為清潔能源，資源量豐富。作為燃料，具有零碳排放、速度快、效率高等特點。

國家重點研發(fā)計劃“氫能技術(shù)”重點專項是以推動能源革命、建設(shè)能源強(qiáng)國等重大需求為牽引，系統(tǒng)布局氫能綠色制取、安全致密儲輸和高效利用技術(shù)，貫通基礎(chǔ)前瞻、共性關(guān)鍵、工程應(yīng)用和評估規(guī)范等環(huán)節(jié)。其中，氫能運(yùn)輸屬于研究范圍。

通常來看，產(chǎn)氫的地區(qū)和用氫的地區(qū)相距甚遠(yuǎn)，運(yùn)輸成本高，對管材安全性要求高。氫能運(yùn)輸成為制約氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的薄弱環(huán)節(jié)，經(jīng)濟(jì)性和安全性均有待提高。

為解決地區(qū)間長距離、大規(guī)模氫氣資源輸運(yùn)與調(diào)配難的問題，摻氫天然氣被提議為一種高效、安全輸運(yùn)的優(yōu)選方案。據(jù)統(tǒng)計，2023年我國天然氣消費(fèi)量約3945億立方米，按照10%的摻氫比例輸運(yùn)氫氣可達(dá)350萬噸，每標(biāo)準(zhǔn)立方米氫氣的輸運(yùn)成本為0.12~0.46元。

目前，全球已開展多項關(guān)于摻氫天然氣的示范。歐洲氫骨架計劃利用和改造現(xiàn)有的天然氣管道實現(xiàn)氫氣管道的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，在英國基爾大學(xué)等已建成應(yīng)用示范。他們將氫氣摻入城鎮(zhèn)燃?xì)饫?，驗證了摻氫天然氣與燃?xì)夤芫W(wǎng)的適應(yīng)性。

我國天然氣管網(wǎng)發(fā)展較為成熟，如果用天然氣摻氫的形式代替純天然氣，可充分利用現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施，大大節(jié)約投資成本，形成氫氣的普及利用，實現(xiàn)“氫進(jìn)萬家”。

打通“制氫-摻氫-輸氫-用氫”鏈條

如何生產(chǎn)氫、把氫運(yùn)輸出去、讓氫進(jìn)萬家?西安交通大學(xué)教授魏進(jìn)家認(rèn)為，我國首座城鎮(zhèn)燃?xì)鈸綒渚C合實驗平臺的投用，就能打通氫能從生產(chǎn)到運(yùn)輸再到使用的整個鏈條。

該實驗平臺主要針對中低壓純氫與摻氫燃?xì)夤茌斚到y(tǒng)的本質(zhì)安全、工藝和完整性管理及終端應(yīng)用，通過機(jī)理探究等手段，消除中低壓純氫與摻氫燃?xì)夤艿垒斔图皯?yīng)用瓶頸，形成以關(guān)鍵設(shè)備和工藝軟件為核心的技術(shù)體系，并圍繞管輸工藝、管材、實驗方法、應(yīng)急搶修、燃燒器具編制標(biāo)準(zhǔn)體系。

項目研究人員介紹，摻氫燃?xì)夤茌敳糠中枰⒁粋€科學(xué)的燃?xì)鈸綒渚C合實驗平臺，研究現(xiàn)役城鎮(zhèn)燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)是否適用于摻氫天然氣、最合適的摻氫比是多少、關(guān)鍵設(shè)備和部件是否需要改造等關(guān)鍵技術(shù)問題，形成相應(yīng)的評價標(biāo)準(zhǔn)體系，為摻氫天然氣在城鎮(zhèn)燃?xì)忸I(lǐng)域進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，進(jìn)而建設(shè)以氫能社區(qū)為示范的產(chǎn)業(yè)體系。

為了讓實驗數(shù)據(jù)更貼近實際、更真實，實驗平臺模擬了城鎮(zhèn)燃?xì)獾娜繎?yīng)用場景，主要包括摻混模塊、減壓調(diào)壓模塊、管材相容性評價模塊、燃?xì)馄骶邷y試模塊、終端利用模塊。天然氣與氫氣通過摻混模塊，能夠得到摻氫體積比為5%~20%、摻氫精度為1%的摻氫燃?xì)?。減壓調(diào)壓模塊進(jìn)入管材相容性評價模塊進(jìn)行長周期實驗測試后再進(jìn)入燃?xì)馄骶邷y試模塊進(jìn)行驗證。測試完成，摻氫燃?xì)膺M(jìn)入千家萬戶。

天然氣摻氫，安全是重點。項目研究人員在天然氣管道完整性管理技術(shù)的基礎(chǔ)上，初步建立了摻氫天然氣管道完整性管理技術(shù)，對摻氫天然氣管道進(jìn)行全生命周期安全管控。技術(shù)人員在平臺各關(guān)鍵節(jié)點安裝氫氣報警器，并采購專業(yè)的氫氣泄漏探測器，每兩小時進(jìn)行一次巡查?；贐IM建模技術(shù)，建立了平臺數(shù)字化三維模型，并接入遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，對平臺數(shù)據(jù)進(jìn)行實時監(jiān)控。

該平臺還為氫氣泄漏提供了架空、埋地、管廊等不同場景的監(jiān)測方法驗證及事故后果測試。終端還預(yù)留熱電聯(lián)供系統(tǒng)、氫氣分離純化裝置的測試功能，發(fā)揮氫能能源互聯(lián)媒介和高效耦合的特性，推動氫能與電力、熱力等能源的互聯(lián)互補(bǔ)，實現(xiàn)氫能進(jìn)入社區(qū)樓宇、居民家庭、交通領(lǐng)域乃至工業(yè)園區(qū)。該平臺還預(yù)留了光伏+谷電制氫模塊，旨在打造包含“制-摻-輸-用”全鏈條的綠氫典范項目。

該平臺不僅需要承擔(dān)不同鋼級、不同壓力、不同口徑的管材及閥門、連接件、表具等燃?xì)饣A(chǔ)設(shè)施的氫環(huán)境長周期實驗，而且需要對多種燃?xì)馄骶呒敖K端應(yīng)用場景開展適應(yīng)性研究，這對平臺整體設(shè)計工作提出更高要求。

中原設(shè)計公司2018年率先在國內(nèi)開展“天然氣摻氫輸送工藝技術(shù)研究”，形成了關(guān)于天然氣摻氫的工藝技術(shù)并取得專利，因此承擔(dān)該項目的平臺設(shè)計任務(wù)。技術(shù)人員針對純氫/摻氫管輸應(yīng)用流程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，結(jié)合各課題的研究成果，突破了中低壓純氫與摻氫燃?xì)夤艿腊踩€(wěn)定高效輸送及應(yīng)用中的理論與技術(shù)瓶頸，在優(yōu)化工藝流程設(shè)計、滿足測試功能、多模塊可拆卸工裝段安裝設(shè)計、便于操作、安全防護(hù)設(shè)施設(shè)計等方面下足功夫，設(shè)計成果滿足了多種實驗要求，構(gòu)建并形成了完整的科技實驗平臺及標(biāo)準(zhǔn)體系。

助力實現(xiàn)“氫進(jìn)萬家”，減少碳排放

據(jù)相關(guān)機(jī)構(gòu)預(yù)測，碳中和后，我國氫氣年需求量約1億噸，中低壓管輸及應(yīng)用將會成為促進(jìn)氫能規(guī)?；瘧?yīng)用的重要手段。

國家能源局將純氫與摻氫管道示范作為“十四五”的重點任務(wù)。中國石化、中國石油、中國海油等均開展了純氫與摻氫管道示范規(guī)劃。氫氣規(guī)?；瘧?yīng)用成為我國能源發(fā)展的主要方向之一。

當(dāng)前，我國天然氣管網(wǎng)規(guī)?？捎^，年輸運(yùn)天然氣量接近4000億立方米，天然氣管道超過100萬公里，其中長輸天然氣管道接近10萬公里、城市燃?xì)廨斉涔艿莱^90萬公里。

中國城市燃?xì)鈪f(xié)會發(fā)布《天然氣管道摻氫輸送及終端利用可行性研究報告》，預(yù)測“十四五”期間，我國新增天然氣管道摻氫示范項目15~25個，摻氫比例3%~20%，年氫氣消納量15萬噸，總長度在1000公里以上。其中，新增長輸天然氣管道摻氫示范項目2~5個，摻氫比例3%，年氫氣消納量10萬噸，總長度在800公里以上;新增城鎮(zhèn)燃?xì)鈸綒涫痉俄椖?0~20個，摻氫比例3%~20%，年氫氣消納量5萬噸，總長度在200公里以上。

據(jù)管道摻氫國家重點研發(fā)計劃項目負(fù)責(zé)人李玉星介紹，摻氫天然氣相比純天然氣，是一種更清潔的低碳燃料。如果摻氫比例為10%~20%，我國每年可減少碳排放量1000萬~2000萬噸。在天然氣中摻入20%體積比的氫氣，燃燒后的氮氧化物、一氧化碳等均可減少20%以上。目前，我國城鎮(zhèn)燃?xì)饷磕甑挠脷饬考s4000億立方米，在天然氣中摻入20%體積比的氫氣，我國每年可減少碳排放量約3000萬噸。

與以氫氣、一氧化碳等為主的煤制氣、焦?fàn)t氣等相比，天然氣的主要成分為甲烷，摻氫燃?xì)鈱懿牡拈L周期、寬壓力作用還需進(jìn)一步明確。我國首座城鎮(zhèn)燃?xì)鈸綒渚C合實驗平臺的投用，能更準(zhǔn)確地對現(xiàn)役燃?xì)饣A(chǔ)設(shè)施進(jìn)行適應(yīng)性評價，并形成標(biāo)準(zhǔn)體系，推進(jìn)“氫進(jìn)萬家”產(chǎn)業(yè)體系發(fā)展，助力實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。

探索清潔能源未來發(fā)展之路

■中國石油大學(xué)(華東) 李玉星 教授

依托科技部國家重點研發(fā)計劃“中低壓純氫與摻氫燃?xì)夤艿垒斔图捌鋺?yīng)用關(guān)鍵技術(shù)”研發(fā)的我國首座城鎮(zhèn)燃?xì)鈸綒渚C合實驗平臺在深圳投用，為推廣天然氣管道摻氫技術(shù)提供了有力支持。天然氣摻氫不僅代表了清潔能源技術(shù)的未來發(fā)展方向，而且為減少碳排放、推動可持續(xù)發(fā)展注入了新動力。

我國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展?jié)摿χ饾u釋放

考慮到氫能的獨特優(yōu)勢，我國多地出臺氫能產(chǎn)業(yè)支持政策。氫能制備、儲運(yùn)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等方面取得突破性進(jìn)展，氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展?jié)摿χ饾u釋放。目前，長三角、粵港澳大灣區(qū)、環(huán)渤海三大區(qū)域的氫能產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)集群化發(fā)展態(tài)勢。我國掌握了一批電解水制氫裝置、儲運(yùn)設(shè)備和燃料電池等先進(jìn)技術(shù)，可再生能源制氫項目在華北和西北等地積極推進(jìn)，電解水制氫成本穩(wěn)中有降。

天然氣摻氫并非易事

當(dāng)前，減少碳排放、實現(xiàn)低碳發(fā)展已成為全球共識。天然氣摻氫作為一種更加清潔低碳的能源替代方案，其必要性日益凸顯。將氫氣與天然氣混合輸送，不僅能夠提高天然氣的能源利用效率，而且能夠降低燃燒產(chǎn)生的污染物排放量，有助于實現(xiàn)碳中和目標(biāo)。

然而，實施天然氣摻氫并非易事。天然氣和氫氣的物理和化學(xué)性質(zhì)差異較大，摻入氫氣后可能會對燃?xì)夤艿馈㈤y門、連接件等基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)生由氫脆引發(fā)的氫致失效及泄漏等安全隱患。此外，摻氫比例的控制、氫氣的制備與儲存，以及摻氫后的輸送與分配等問題，都需要進(jìn)行深入研究和技術(shù)攻關(guān)。

實現(xiàn)“氫進(jìn)萬家”還需更加努力

我國首座城鎮(zhèn)燃?xì)鈸綒渚C合實驗平臺的投用，為解決上述問題提供了有力支持。該平臺不僅具備摻氫實驗、測試驗證和生產(chǎn)功能，而且能夠模擬城鎮(zhèn)燃?xì)獾娜繎?yīng)用場景。通過該平臺，可以精準(zhǔn)控制摻氫比例，確保摻氫過程的安全性和穩(wěn)定性。該平臺還能為下游用戶提供不同比例的摻氫天然氣。

從目前運(yùn)行情況來看，實現(xiàn)摻氫燃?xì)獾膶拤毫?、長周期、規(guī)?；瘧?yīng)用是可行的。未來還需對此進(jìn)行長周期實驗，更準(zhǔn)確地對現(xiàn)役燃?xì)饣A(chǔ)設(shè)施進(jìn)行適應(yīng)性評價并形成標(biāo)準(zhǔn)體系。該平臺的投用只是大規(guī)模推廣摻氫天然氣的開始，還要各大城燃企業(yè)一起努力，投入大量的人力、物力、時間來開展實驗測試研究，形成相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和評價體系。從產(chǎn)業(yè)鏈角度而言，天然氣長輸管道摻氫、氫氣來源、下游燃器具適應(yīng)性等相關(guān)問題還需進(jìn)一步研究。

可預(yù)見的是，隨著可再生能源技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，氫能將成為一種重要的清潔能源。通過利用光伏、風(fēng)電等制綠氫，可以為摻氫平臺提供穩(wěn)定、廉價的氫源。隨著氫能產(chǎn)業(yè)鏈的不斷完善和技術(shù)進(jìn)步，摻氫比例有望進(jìn)一步提高。

總之，我國首座城鎮(zhèn)燃?xì)鈸綒渚C合實驗平臺的投用，有望推動氫能技術(shù)的廣泛應(yīng)用和石油天然氣行業(yè)的綠色低碳發(fā)展，為實現(xiàn)碳中和目標(biāo)和可持續(xù)發(fā)展注入新動力。

氫能技術(shù)發(fā)展助力“氫進(jìn)萬家”

嘉 賓:

中國能源研究會能源政策研究室主任 林衛(wèi)斌

深圳燃?xì)飧呒壒こ處?李璐伶

石油工程建設(shè)公司首席專家 銀永明

問：什么是“氫進(jìn)萬家”，“氫進(jìn)萬家”需要氫能穩(wěn)定來源，關(guān)于可再生能源制氫，我國目前的技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r如何?

林衛(wèi)斌： “氫進(jìn)萬家”科技示范工程是科技部綜合考慮氫能技術(shù)、產(chǎn)業(yè)和資源等各方面因素組織實施的重大科技示范項目。“氫進(jìn)萬家”能推動氫能創(chuàng)新鏈與產(chǎn)業(yè)鏈融合發(fā)展，加快氫能在交通運(yùn)輸、工業(yè)和家庭用能等終端領(lǐng)域應(yīng)用，引導(dǎo)氫能進(jìn)入居民能源消費(fèi)終端，為打造“氫能社會”奠定基礎(chǔ)、為實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)提供有效途徑，是推動我國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型、構(gòu)建現(xiàn)代能源體系的重要力量。為了搶抓氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重大機(jī)遇，2022年，深圳市依托國家重點研發(fā)計劃“氫能技術(shù)”重點專項“中低壓純氫與摻氫燃?xì)夤艿垒斔图捌鋺?yīng)用關(guān)鍵技術(shù)”，啟動“氫進(jìn)萬家”氫能社區(qū)應(yīng)用示范工程建設(shè)。

我國可再生能源制氫裝機(jī)規(guī)模目前全球最大，到2030年，有望突破1億千瓦。到2060年，綠氫生產(chǎn)量有望接近1億噸，包括用氫能來發(fā)電的裝機(jī)容量有望突破1億千瓦。截至2023年底，我國已建成并運(yùn)營加氫站428座，建成可再生能源制氫項目58個，覆蓋21個省、自治區(qū)、直轄市，合計項目規(guī)模達(dá)到654.5兆瓦。據(jù)預(yù)測，2060年我國氫能消費(fèi)規(guī)模將接近8600萬噸，產(chǎn)業(yè)規(guī)模將達(dá)到4.6萬億元。屆時，在我國專門制氫的用能結(jié)構(gòu)中，非化石能源占比將從2022年的1%增至93%，其中風(fēng)能和太陽能制氫占比將占到2/3。

問：摻氫綜合實驗平臺投用后，如何更好地滿足城鎮(zhèn)燃?xì)夥€(wěn)定供氣?

李璐伶： 城燃輸配系統(tǒng)很復(fù)雜，包含了三級壓力，不同壓力等級的管材、管徑不一樣，鋪設(shè)條件也不一樣，需要創(chuàng)造實驗條件來研究不同環(huán)境下管道的適應(yīng)性。燃?xì)鈸綒洳皇且患菀椎氖虑?，不僅要考慮摻氫比能否滿足日常城鎮(zhèn)燃?xì)夥€(wěn)定供氣，而且要保障燃?xì)廨斉涔?yīng)系統(tǒng)安全、考慮氫氣產(chǎn)業(yè)鏈上下游配套等。它的上下游包含了制氫、儲氫、用氫。從技術(shù)層面看，專家一致認(rèn)為20%以下的摻氫比比較合理，這樣的摻氫燃?xì)饪梢灾苯庸┙o用戶，但從產(chǎn)業(yè)鏈的角度看，只有足夠便宜且來源足夠穩(wěn)定的氫氣，下游用戶的接納度才能達(dá)到一定程度。

問：作為國家“氫能技術(shù)”重點專項的參與單位，石工建中原設(shè)計公司在氫能技術(shù)研發(fā)方面有哪些優(yōu)勢?

銀永明： 石工建中原設(shè)計公司在國家重點研發(fā)計劃“氫能技術(shù)”重點專項“中低壓純氫與摻氫燃?xì)夤艿垒斔图捌鋺?yīng)用關(guān)鍵技術(shù)”中主要承擔(dān)構(gòu)建純氫/摻氫輸配管網(wǎng)模型、示范工程設(shè)計及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的編制等內(nèi)容。中原設(shè)計曾經(jīng)在國內(nèi)率先開展“天然氣摻氫輸送工藝技術(shù)研究”，形成了關(guān)于天然氣摻氫的工藝技術(shù)并取得專利。除了在氫氣“制、儲、輸、用”方面有一定的技術(shù)積累和實驗數(shù)據(jù)成果，他們還開展氫能其他相關(guān)技術(shù)的研究與應(yīng)用，比如在摻氫天然氣輸送安全風(fēng)險分析及泄漏預(yù)警技術(shù)研究、在役天然氣管道中摻氫輸運(yùn)關(guān)鍵工藝技術(shù)等方面也取得了可喜成效。為充分應(yīng)用氫能，助力氫能源汽車發(fā)展，還在氫氣分離提純領(lǐng)域進(jìn)行了技術(shù)攻關(guān)。

依托集團(tuán)公司《地下鹽穴儲氫關(guān)鍵技術(shù)研究》科研課題，中原設(shè)計公司在國內(nèi)率先開展地下儲氫庫地面注采關(guān)鍵工藝研究，解決了諸多難題。他們研發(fā)的光伏離網(wǎng)質(zhì)子交換膜(PEM)電解水制氫試驗裝置試驗成功，參編完成了《氫氣管道工程設(shè)計規(guī)范》《天然氣長輸管道摻氫輸送評價指南》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范6項。這些氫能技術(shù)方面的積累，為該公司更好地承擔(dān)國家重點研發(fā)計劃“氫能技術(shù)”重點專項提供了助力。