我國首座城鎮(zhèn)燃氣摻氫綜合實驗平臺投用

　　在深圳市北部，距離市中心一個多小時的車程，坐落著深圳燃氣集團公司求雨嶺場站。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)燃氣摻氫綜合實驗平臺正安靜運行著。

　　今年年初，我國首座城鎮(zhèn)燃氣摻氫綜合實驗平臺在深圳投用。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“氫進萬家”進入全新發(fā)展階段，為我國利用現(xiàn)有城鎮(zhèn)燃氣管道摻氫提供了可推廣、可復(fù)制模式。

　　摻氫輸送是氫能利用的重要途徑之一

　　“摻氫”是將氫氣與天然氣進行不同比例混合，再利用現(xiàn)有的天然氣管網(wǎng)進行輸送。深圳燃氣摻氫綜合實驗平臺集測試、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)燃氣、氫氣“摻-輸-用”一體化功能。

　　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氣管道輸送及其應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)”，是深圳燃氣集團公司于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。

　　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，氫能運輸屬于研究范圍。

　　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)燃氣利用，驗證了摻氫天然氣與燃氣管網(wǎng)的適應(yīng)性。

　　打通“制氫-摻氫-輸氫-用氫”鏈條

　　如何生產(chǎn)氫、把氫運輸出去、讓氫進萬家?西安交通大學(xué)教授魏進家認(rèn)為，我國首座城鎮(zhèn)燃氣摻氫綜合實驗平臺的投用，能夠打通氫能從生產(chǎn)到運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氣管輸系統(tǒng)的本質(zhì)安全、工藝和完整性管理及終端應(yīng)用，通過機理探究等手段，消除中低壓純氫與摻氫燃氣管道輸送及應(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，摻氫燃氣管輸部分需要建立一個科學(xué)的燃氣摻氫綜合實驗平臺，研究現(xiàn)役城鎮(zhèn)燃氣輸配系統(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)燃氣領(lǐng)域進行大規(guī)模應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，進而建設(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)燃氣的全部應(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、燃氣器具測試模塊、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%的摻氫燃氣。減壓調(diào)壓模塊進入管材相容性評價模塊進行長周期實驗測試后再進入燃氣器具測試模塊進行驗證。測試完成，摻氫燃氣便可進入千家萬戶。

　　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，并接入遠程監(jiān)控系統(tǒng)，對平臺數(shù)據(jù)進行實時監(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，實現(xiàn)氫能進入社區(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、表具等燃氣基礎(chǔ)設(shè)施的氫環(huán)境長周期實驗，而且需要對多種燃氣器具及終端應(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氣管道安全穩(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)“氫進萬家”，減少碳排放

　　當(dāng)前，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)展的方向之一。

　　據(jù)管道摻氫國家重點研發(fā)計劃項目負責(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)燃氣每年的用氣量約4000億立方米，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，摻氫燃氣對管材的長周期、寬壓力作用還需進一步明確。我國首座城鎮(zhèn)燃氣摻氫綜合實驗平臺的投用，能更準(zhǔn)確地對現(xiàn)役燃氣基礎(chǔ)設(shè)施進行適應(yīng)性評價，并形成標(biāo)準(zhǔn)體系，推進“氫進萬家”產(chǎn)業(yè)體系發(fā)展，助力實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。

　　石油工程建設(shè)公司首席專家、中原設(shè)計公司前執(zhí)行董事、總經(jīng)理銀永明介紹：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氣管道輸送及其應(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，中原設(shè)計還開展了氫能其他相關(guān)技術(shù)的研究與應(yīng)用，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關(guān)鍵工藝技術(shù)"等方面也取得了可喜成效。此外，為充分應(yīng)用氫能，助力氫能源汽車發(fā)展，中原設(shè)計還在氫氣分離提純領(lǐng)域進行了技術(shù)攻關(guān)。

　　據(jù)了解，依托集團公司《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。其研發(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。