概述氫氣的輸送一直是制約氫能產業鏈發展的難題。相較而言，純氫管道輸送、天然氣管道摻氫輸送都能夠實現氫能的遠距離、大規模、低

概述

氫氣的輸送一直是制約氫能產業鏈發展的難題。相較而言，純氫管道輸送、天然氣管道摻氫輸送都能夠實現氫能的遠距離、大規模、低能耗運輸，但我國的純氫管道規劃與建設剛剛起步，形成大規模輸氫能力必然需要較長的周期。

將氫氣與天然氣摻混，利用在役天然氣管道及其輸配管網進行輸送，是目前可實現安全、高效、大規模和長距離輸氫至終端用戶的最佳潛在方式。我國天然氣管網總里程約為11萬km，“全國一張網”已基本建成，2025年總里程將達到16.3萬km，這就為發展天然氣摻氫產業提供了堅實的基礎條件。可以認為，以摻氫天然氣的形式開展氫能儲運與利用，將是快速突破氫能產業規模化發展瓶頸的主要方式。

2021年，我國能源消費總量為52.4億tce，其中天然氣表觀消費量為3726億m3（同比增長12.7%）；結合天然氣產量（2076億m3，同比增長7.8%）來看，我國天然氣供需存在明顯缺口。在碳達峰、碳中和目標下，天然氣作為清潔低碳的終端能源類型，能夠與可再生能源發展形成良性互補的供能格局；2030年，我國天然氣年消費量將達到5500億~6000億m3，年產量在2500億m3左右，供應壓力進一步加大 。摻氫天然氣能夠利用氫氣替代一部分天然氣消費，若按摻氫比（體積比）10%~20%測算，同等熱值下，預計每年可替代100億~200億m3，將在一定程度上緩解天然氣的供應緊張問題。摻氫天然氣的多元化終端應用，將促進氫能生產與終端用能雙向協同，在參與保障天然氣供應安全的同時，實現“氫進萬家”。

數據顯示，當摻氫比小于14%時，摻氫天然氣高位熱值大于 36.0 MJ/m3，符合我國一類天然氣的熱值標準，而我國使用的是12 T 天然氣燃氣灶具，適用燃氣的高位熱值為31.97~43.57 MJ/m3。另一方面，摻氫管道建設可以減小儲運成本。更重要的是，摻氫領域的可復制性較高，即便是對天然氣管道進行低比例摻氫改造時，其增量投資并不高，以包頭-臨河258KM的10%高壓摻氫管道為例，氫云鏈獲悉早期規劃的天然氣管道投資為8億元，而摻氫管道投資為9.1億元。當前國內摻氫管網規劃已達1208.1公里，項目主要在半年內落地。

• 1208.1公里摻氫管道，保守估計需氫氣10萬噸/年。從國內落地的摻氫管網項目來看，管網總長度已突破千公里，預計對氫氣的需求將超過10萬噸/年。
• 下游應用場景豐富，民用摻氫比例以10%為主。從下游應用場景來看，包括民用燃氣、冶金、燃氣輪機、天然氣車等。從相關項目的應用場景來看，當前民用領域的摻氫比例主要是10%左右，部分項目完成更高比例技術驗證。
• 部分項目用于解決氫氣供需錯配導致的儲運難題。除了民用燃氣、實驗平臺等項目，部分摻氫管網項目用于解決氫源供需錯配的問題，如廣東海底摻氫管道項目。
• 管道的設計壓力逐步增加，最高達6.3MPa。早期摻氫管道的設計壓力普遍在2MPa以下，而隨著技術驗證的初步完成，目前管道的設計壓力最高已達6.3MPa，如包頭-臨河的管道項目。

若按摻氫比（體積比）10%~20%測算，預計2030年有270萬~630萬t氫氣摻入天然氣管網；按照“制儲輸用”全生命周期成本（30元/kg）計算，全產業鏈產值將達800~1800億元/年。

挑戰

氫氣較常規天然氣具有體積熱值低、最小點火能量低、火焰傳播速度快、爆炸極限范圍廣、擴散系數大等特點。因此，活潑的氫氣摻入天然氣后，氣質條件更加復雜，改變了管道和設備內的氣質條件，必然對管道、設備的性能和安全維護帶來挑戰。

科羅拉多州國家可再生能源實驗室（NREL）的研究人員發現，關于氫氣混合物在地下儲存和管道等天然氣基礎設施中的影響的數據存在很大差距 - 即使使用聚乙烯塑料管道，長期以來一直被天然氣行業吹捧為運輸氫氣或高達20%氫氣和80%化石氣體混合物的安全方式。天然氣管道系統對氫氣的適用性，即使是在低濃度（例如，1–10 vol%）下，也取決于許多因素。

氫氣和天然氣的互換性

不同國家和地區所使用的天然氣氣質不同，進行燃氣互換性分析所得到的結果不盡相同，解決終端燃具對摻氫天然氣燃料的適應性問題，需要合理確定摻氫比例。燃氣互換性的判定方法主要有 Weaver 判定法、A.G.A 判定法、P Delbourge 判定法。1982 年，我國基于 P Delbourge 判定法提出了采用燃燒特性指數華白數和燃燒勢來分析和判定燃氣互換性，并在規范 GB/T 13611－2006《城鎮燃氣分類和基本特性》中給出了華白數和燃燒勢的計算方法和取值范圍。

英國學者研究得出，摻氫比例為 10%時，當地使用的多數天然氣燃氣設備能夠較好地適應，家用灶具受華白數、回火指數的影響，摻氫比例不應超過 23%。比利時學者通過計算華白數得到將低于 17％的氫氣摻入本國天然氣后可直接供應于家用、商用燃具。國內馬向陽等人以 12T 天然氣為基礎氣，采用高華白數和燃燒勢計算方法得出向12T 天然氣中摻入氫氣的最高摻氫比例為 23%，并對摻氫比例分別為 5%、10%、15%、20%的摻氫天然氣進行了燃燒實驗，結果表明隨著摻氫比的增加，家用燃氣灶的熱負荷逐漸下降，熱效率不斷提高，燃燒所排放的污染物含量低于純天然氣。

不同的燃氣互換性判別方法側重點不同，故摻氫比例沒有統一的使用標準。天然氣摻氫后，熱值、華白數等參數會下降，火焰的燃燒速度會上升，將混氫天然氣作為燃料或工業用品供應于各個終端用戶使用的潛在影響，需要進行深入的研究。

摻氫天然氣與輸送管道材料相容性

氫氣與天然氣摻混后，由于氫含量增加，在管道局部區域可能會達到飽和，使材料的韌性降低， 誘發裂紋或產生滯后斷裂，造成氫脆。同時，氫也會與天然氣管線鋼中的碳反應生成甲烷，造成鋼脫碳和產生微裂紋，導致鋼材的材料性能不可逆轉的惡化，出現氫損傷。因此，輸氣管道及其配套設施對氫氣的適應性是決定能否摻氫及摻氫比例多少的主要因素。目前，摻氫天然氣的運輸是以在役的天然氣管道為基礎，發生氫損傷的風險較大，而輸配管網管材多為聚乙烯管、低強度鋼管和球墨鑄鐵管，發生氫損傷的風險較低。

為了保證混氫天燃氣管道的運行安全性，需要將氫氣的濃度控制在一定的范圍內，并且分析不同摻氫比條件下管材的適應性及需采取的風險應對措施。總體來說，氫氣含量較低的摻氫天然氣對現有輸送管網有較好的相容性，隨著氫氣含量的增加， 對輸送管道管材的要求更加嚴格。同時，需要開展不同摻氫比例對不同輸送管道材料的影響研究，建立相應的管道材料性能劣化數據庫，為后續實際大規模輸送混氫天然氣或氫氣提供豐富的數據基礎。

主干管網輸送壓力較高，我國西氣東輸三線輸送壓力就達12MPa，較高壓力下氫氣對管道材料的影響變大。而天然氣成分不同、管道材料不同、管道工況不同，都使氫對管網材料的影響程度存在差異，國際上的研究成果不宜直接照搬，摻氫天然氣主干管網安全摻氫比例標準尚無法確定。諸如管道材料與摻氫天然氣的相容性試驗、摻氫天然氣的泄漏與燃燒爆炸問題等基礎研究工作需扎實推進。

摻氫天然氣與所涉設備相容性

在天然氣中摻混氫氣不僅會影響輸送管道，還可能導致沿線部件產生氫脆、氫損傷，且隨著氫氣摻入量的變化，摻輸設備、計量設備的可靠性和準確性也會發生變化，存在失效的風險。因此，以上涉氫設備在材料選擇、設計制造、規范標準方面與純天然氣設備有較大不同。

離心壓縮機作為摻氫天然氣輸送管網中重要的旋轉機械設備，其性能對整個系統安全高效的運行意義重大。離心壓縮機做增壓工作時，氣體的動能轉化為壓能，隨著摻氫比的增加，氫氣的相對分子質量和密度較小，造成相同的速度減小量增壓較小，進而導致壓比和軸功率下降。離心壓縮機需要適當提高工作轉速以滿足相同的能量需求，可是制約旋轉速度提高的關鍵因素為材料強度，其受氣體介質中氫的影響。

摻氫天然氣流量計量包括與終端用戶的貿易交接以及長輸管道上的流量監測。流量計量技術對于摻氫天然氣產業的市場化、規模化具有重要意義。國外針對這兩部分建立了較多研究項目，得到了摻氫天然氣中氫氣含量對不同種類燃氣表和流量計的計量偏差和使用壽命的影響，氫氣含量低于15%的摻氫天然氣對家用燃氣表的計量偏差和使用壽命影響較小。對于長輸管道，摻氫天然氣組分的變化會改變氣體的壓縮因子，從而產生計量誤差， 因此降低計量誤差的有效方法是進行氣體組分分析，可結合在線分析系統或離線分析手段來補充、完善氣體組分分析結果，從而保證計量的準確性。

摻氫上限取決于與其相連的設備，管網范圍越大，設備越多，對摻氫上限的要求可能越嚴格。例如，摻氫后使用天然氣作為原料的化工企業可能需要調整工藝和流程。現有燃氣輪機的控制系統和密封無法適應高比例的氫氣，摻氫比例需低于5%。已安裝的燃氣發動機因相同原因，氫的最大濃度為2%。

泄漏、積聚與燃爆

在不同的泄漏方式中(滲漏與積聚、意外泄漏與擴散)，摻氫混合物的泄漏情況在摻氫比和材料的影響下表現為不同的規律，而且摻氫混合物的泄漏量與泄漏速度遠大于甲烷，但由于氫氣的密度低、浮力大，近地面處的氫氣積累量較小，降低了混合物被點燃的風險。針對摻氫天然氣管道泄漏、積聚和燃爆等安全事故已開展了相應的研究，但仍然不夠充分，缺少不同工況下摻氫天然氣管道發生上述安全事故的特征和演化規律，同時也要大力研究和發展輸送管道中潛在安全事故的預警設備和措施，從而為安全事故的防治提供技術支持。

經濟性

天然氣管道摻氫輸送可在短期內以相對少的資金投入來實現氫能長距離、大規模、網絡化運輸，有利于高效地將氫能產地與消費地連接起來。也要注意到，同樣體積氫氣的熱值只有天然氣的1/3，假定天然氣摻氫后能夠在終端提供相同熱值，則氫氣價格理論上應是天然氣價格的1/3，IEA數據顯示，在天然氣輸送管道中加入3%的氫氣，將使管道輸送的能量減少2%左右，最終用戶天然氣需求量有所上升；按照天然氣門站價格1.8元/m3計算，氫氣價格應為6~7元/kg，而這個價格遠低于現階段的制氫成本。

將氫混合到天然氣中運輸，如果需要在最終使用地點將氫分離(目前終端利用方式都需要此操作)，會增加較高的成本，以變壓吸附為例，根據混合水平和最終使用需求，有研究數據表明其成本在3-6美元/公斤。

從天然氣摻氫全產業鏈發展的視角看，目前天然氣摻氫項目的商業化應用并不具有經濟可行性。因此，需要挖掘天然氣摻氫的多元化應用場景，設計適合國情的天然氣摻氫產業生態圈與商業模式，從而促進制氫企業、管網企業、終端用戶等相關主體共同推動天然氣摻氫產業的穩健發展。

標準

天然氣摻氫的標準在包括我國在內的多個國家幾乎空白。推進更為積極的歐洲國家也表現謹慎，大多數國家和地區設置摻氫比例不超過2%，少數國家和地區設定為4%到6%之間，德國雖然規定上限為10%，但如果壓縮天然氣加氣站連接到網絡，則該比例大幅下調到2%以下。在一些相關設備的規格方面也存在限制，歐洲標準規定燃氣輪機所供天然氣的氫含量必須低于1%。

近年來，國內外對天然氣摻氫技術開展了相應的研究和示范工作，不斷促進相關技術的發展，但仍然面臨著許多挑戰，相關技術標準和規范存在欠缺。國外針對純氫氣長途輸送管道頒布了若干個設計和建造標準，如歐洲工業氣體協會 EIGA 的 IGC Doc1 21/41《Hydrogen Pipeline System》、美國機械工程師協會的 ASME B 31.12－2019《Hydrogen Piping and Pipelines 》、亞洲壓縮氣體協會的CGA-5.6《Hydrogen Pipeline System》等，但尚無針對管道長途輸運摻氫天然氣的相關標準。

我國已發布的氫能相關國家標準有90余項，但涉及天然氣摻氫技術的僅有《車用壓縮氫氣天然氣混合燃氣》（GB/T 34537—2017）1項。此外，《煤制合成天然氣》（GB/T 33445—2016）規定了煤制合成天然氣一類氣中氫氣含量（摩爾分數）不超過3.5%，二類氣中氫氣含量不超過5%；《進入天然氣長輸管道的氣體質量要求》（GB/T 37124—2018）規定了天然氣中氫氣含量（摩爾分數）不超過3%。

我國頒布的 GB/T 37124－2018《進入天然氣長輸管道的氣體質量要求》中指出，管輸氣中氫氣的摩爾分數應小于 3%，但無氫氣輸送管道和摻氫天然氣輸送管道的相關標準。隨著對摻氫天然氣技術研究的深入，迫切需要建立相應的標準來促進和規范摻氫天然氣技術的發展和應用，相關機構正在積極開展標準的立項、起草、編制和審查工作，團體標準《天然氣摻氫混氣站技術規程》已進入征求意見階段。

發展情況

在示范項目層面，諸多國家開展了天然氣摻氫可行性研究、天然氣管道摻氫輸送示范工程建設，測試了不同比例的摻氫天然氣對管網基礎設施、終端設備的影響；已開展的天然氣摻氫示范項目的摻氫比多在5%~30%，氫源以可再生能源制氫為主。

目前，我國已是世界最大的制氫國，可再生能源裝機量保持領先，未來可再生能源制氫的發展潛力巨大；基本建成了互聯互通的天然氣主干網，初步掌握了氫能“制儲輸用”全產業鏈的主要技術與生產工藝，發展天然氣摻氫產業的基礎條件良好。

《“十四五”能源領域科技創新規劃》《關于完善能源綠色低碳轉型體制機制和政策措施的意見》《氫能產業發展中長期規劃（2021—2035年）》密集發布，要求開展摻氫天然氣管道及輸送關鍵設備安全可靠性、經濟性、適應性和完整性評價，探索輸氣管道摻氫輸送等高效輸氫方式，開展摻氫天然氣管道試點示范，逐步構建低成本、多元化的氫能儲運體系。然而，天然氣摻氫產業尚處于起步階段，尚未出臺國家層面的發展規劃。部分省份發布了地方氫能產業規劃，將天然氣摻氫技術作為氫能儲運及終端應用領域的突破口。

我國天然氣摻氫示范項目起步較晚，目前初步建成的有2個：遼寧省朝陽市天然氣摻氫示范項目，氫源為電解水制氫，摻氫比例為10%，實現了制氫、儲運、摻混、利用全鏈條驗證；山西省晉城市天然氣摻氫示范項目，氫源為煤制氫。其他在建或規劃的示范性項目有12個。

近期更新

除了摻氫管網的建設，國內今年一季度也進行了摻氫燃氣應用項目的推進，目前國內摻氫燃氣主要應用于民用燃氣和燃氣輪機。值得指出的是，國產重型摻氫燃氣輪機在今年實現了突破并下線。隨著氫能產業的發展，國內越來越多的地方開始進行摻氫燃氣輪機的技術驗證。

國電投2022 年 9 月公司成功實現全球首個在運燃機 30% 摻氫燃燒改造和運行 , 完全摻氫運行情況下 , 每年約能節省 7.8 萬噸碳配額。富余的碳配額參與交易后 , 按照目前市場價 55 元 / 噸計算 , 每年約能實現超 400 萬元的碳資產收益。

23年2月，河北張家口某小區舉辦了天然氣摻氫入戶應用示范通氣儀式，是《天然氣摻氫關鍵技術研發及應用示范》項目部分研究任務，國電投中央研究院在該項目中承擔管道材質選型與氫氣相容性分析技術、天然氣摻氫安全防護與實時監測技術、燃氣具適應性評價三個方面的研究內容。項目參與人員在示范現場完成了混氣撬調試、富氫灶具安裝、通氣入戶及灶具點火等系列工作流程后，將“綠氫”混入天然氣，通過管道輸送至該小區20戶居民家中。

23年3月，西門子能源攜手杭州汽輪動力集團股份有限公司對舟山綠色石化基地年產4000萬噸煉化一體化項目（“舟山項目”）中的三臺SGT5-2000E燃氣輪機成功進行了混合氣燃燒調試。合成氣的成分復雜且燃燒組織難度大，對燃氣輪機本身提出了極高的技術要求，因此當前全球范圍內鮮有燃氣輪機能夠實現該技術。舟山項目上實現了摻混合氣燃燒的穩定運行，摻氫比例達到20%，不僅降低了項目的用能成本，還能減少廢氣排放，從而為項目創造了新的價值。

23年3月，國內首條摻氫高壓輸氣管道工程動工，該項目總投資9.1億元，全長258公里，最大輸氣能力可達12億立方米每年。為加快推進內蒙古氫能產業發展，打破氫能運輸瓶頸，西部天然氣公司同步規劃從庫布齊中北部新能源大基地建設純氫管道穿越黃河與包頭-臨河輸氣管道連接，為三峽集團、國電投、華能集團及億利集團光伏制氫，以及包鋼集團綠氫冶煉等項目提供輸送保障。鋼管采用X52MS鋼制造，直徑457毫米、壁厚8.8毫米，是華油鋼管公司為包頭—臨河輸氣管道工程“量身定做”的首批摻氫鋼管。

23年3月22日，《天然氣管道摻氫輸送及終端利用可行性研究報告》成果發布會在京舉行。報告指出樂觀情形下，2026年左右開始進入商業化導入階段，2042年進入商業化應用階段。從技術可行性上來說，現階段通過評估后摻氫比可達10%，部分改造后進一步可提升至20%-30%，而更高的摻氫比需要實驗驗證和分析，缺乏系統的評估方法和數據。以我國目前天然氣消費量計算，天然氣摻氫比例為10%時，具備300多萬噸/年的氫氣消納能力，消納1700多億度綠電，從而進一步提高可再生能源在能源生產結構中的滲透率。此外，天然氣管道摻氫還具備跨季節、跨地域的長時儲能的能力，預計到2030年，天然氣管道摻氫儲能規模達到抽水蓄能的1/5。摻氫和純氫管道輸送將成為新的業務增長點，預計管道輸氫量占比達20%，約3000億標方，可解決資源錯配問題和調峰需求。《報告》也提出了未來的發展目標。即“十四五”時期，預計新增天然氣管道摻氫示范項目15-25個，摻氫比例3%-20%，氫氣消納量15萬噸/年，總長度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%，氫氣消納量10萬噸/年，總長度800公里以上。新增城鎮燃氣摻氫示范項目10-20個，摻氫比例3%-20%，氫氣消納量5萬噸/年，總長度200公里以上。終端用戶實現民用摻氫天然氣區域性示范應用，總用戶數超過1萬戶。此外開展1-2處工業鍋爐、大型采暖鍋爐、燃氣輪機等大型設備示范應用。

2023年4月，中國石油對外發布消息，用現有天然氣管道長距離輸送氫氣的技術獲得了突破。目前這條天然氣管道中的氫氣比例已逐步達到24%，也就是說每輸送100立方米摻氫天然氣，其中就包括了24立方米的氫氣。經過了100天的測試運行，這條397公里長的天然氣管線，整體運行安全穩定。截止到2022年底我國油氣管道的總里程達到18.5萬公里。以目前我國天然氣消費量計算，當摻氫比達到20%時，可運輸1000多萬噸氫氣，約合5600多億度綠電，氫氣成本也會大幅度下降。

參考資料：

一圖讀懂 | 天然氣摻氫技術現狀和應用

天然氣摻氫技術發展現狀及相關標準體系

【燃料電池】國電投摻氫燃燒項目可實現 400 萬 / 年碳資產收益

小區點火成功！國電投成功開展天然氣摻氫入戶應用示范

西門子能源E級燃氣輪機在中國首次實現20%摻氫燃燒

國內首條具備摻氫功能高壓輸氣管道工程開工

專家觀點：按20%摻氫，2030年天然氣摻氫全產業鏈產值可達1800億元/年

https://www.toutiao.com/article/7217397292159271456/?app=news_article&timestamp=1680433939&use_new_style=1&req_id=2023040219121949CAD66EF172C65CBB32&group_id=7217397292159271456&share_token=D404AA77-A554-44E5-A5F8-33F7EDB66F14&tt_from=weixin&utm_source=weixin&utm_medium=toutiao_ios&utm_campaign=client_share&wxshare_count=1&source=m_redirect&wid=1686376292362

【能源觀察家】檸椰：天然氣摻氫面臨的挑戰與相關建議

摻氫燃氣發電的發展前景

摻氫比例達24%！我國長距離輸氫技術獲突破

全國摻氫管網規劃已超1200公里，超千億氫能市場逐步開啟

國內首條具備摻氫功能螺旋鋼管高壓輸氣管道工程首發成功

天然氣管道摻氫和輸純氫的前景和“障礙” （挺有意思）