混氢天然气管道输送技术研究进展
摘要：氢能是公认的清洁能源，将氢气掺入天然气管道进行输送，是大规模输送氢气的有效途径。氢气的物性与天然气差异大，掺入天然气后天然气气质会发生改变。综述了世界各国在天然气管输系统混氢输送过程中混氢天然气的互换性、天然气管道混氢工艺系统适应性、管道设备安全性等研究进展。结合中国输气管网的实际情况，建议：①研究不同地区、不同类型燃具对混氢天然气燃气互换性的要求，评估混氢天然气作为燃料等对民用/工业用户等终端用户潜在影响;②分析不同输量、季节、混氢量下管道运行参数及不同型号压缩机工况点变化规律及燃气轮机的适应性;③考虑含氢量、氢气-甲烷分层流等因素，改进气体组分在线/离线色谱分析系统，结合 CFD 模拟及实验等方法，开展计量设备修正研究;④揭示混氢天然气泄漏扩散特性规律，针对不同泄漏场景优化燃气泄漏检测设备空间布置及安装方式，完善应急预案;⑤开展高钢级管道混氢输送适应性分析，保障管道本体安全。
本文源自油气储运 发表时间：2021-03-02《油气储运》(月刊)1977年创刊，本刊是经国家科委和新闻出版署批准出版，由中国石油天然气股份有限公司管道分公司主办，向国内外公开发行的科技期刊，主要刊载石油、天然气、成品油以及其他介质输送和储存工程等方面的科技文章。面向全国的石油、石化系统，国防、民航、铁路、交通的油气储运部门;市政供排水、煤气、热力管网等单位以及有关设计，科研院所，大专院校。
关键词：混氢天然气;管网;工艺适应性;安全
目前，世界能源形成煤炭、石油、天然气、新能源“四分天下”的新格局[1]。2019 年，全球生产石油 32%、天然气 24%、煤炭 28%、新能源 16%。世界对于能源的消费由过去的总量增长逐步向集约化、高效化方向发展，主体能源结构向多元化、清洁化和低碳化方向转型，新能源将逐步进入黄金发展期[2]。未来能源的发展，将会依靠能源互联网在现有能源供给系统上将大量分布式能源的采集、转换、输送等有效联合起来，形成一体化集成供能系统[3]。在众多新能源中，氢能可通过风能、光能等可再生能源产生的电能通过电解制氢进行能源的储存及利用[4-5]，同时，氢气的燃烧能够实现碳的零排放。通过电解水制氢能不仅能够消纳大规模弃用电能，缓解未来能源枯竭状况，还能实现环保目的，因而受到全球主要国家的高度重视。在全球氢能应用发展过程中，氢能利用需解决的主要问题包括：氢能制备、氢能储运、氢能使用、氢能标准[6]。目前，被认为氢能利用和运输的有效途径是通过可再生能源电解制氢[7-8]，然后将氢气按照一定比例混入天然气中，利用现有天然气管网进行输送[9-10]。
氢气的主要物性参数包括分子直径、密度、黏度、高热值等，均远低于甲烷。天然气中混入氢气后，将改变管道内原有天然气的气质条件，对管道的运行工况、设备性能、安全维护产生影响。为此，综述了欧盟、美国等主要发达国家的氢能发展战略方针以及各国在氢能利用过程中的重要研究成果及进展，为中国未来天然气管网混氢输送发展提供借鉴。
1 国内外氢能发展计划
氢能已成为世界上主要能源转型国家的战略选择，各国针对本国氢能发展提出了国家氢能发展战略。 2014—2020 年，欧盟向欧洲氢气联合企业(FCH)平均资助 1×108 欧元/年，并通过了清洁能源立法用以支持氢能发展。2014 年，美国颁布了《全面能源战略》，预计 2030—2040 年全面实现氢能源经济。2019 年，韩国实现氢能汽车销售全球第一(本国 5 000 辆、出口 1 724 辆)、氢能发电机全球第一、新建加氢站全球第三(中国 30 个、德国 22 个、韩国 18 个)，并于 2020 年通过了全球首部《促进氢经济和氢安全管理法》以加快氢经济建设。日本提出了“氢能社会”发展的蓝图三步走计划：第一阶段，2014—2025 年，扩大氢能使用的范围，提高燃料电池的装机量;第二阶段，2020 中期—2030 年末，全面发展氢发电产业，建立大规模氢能供应系统，全面利用海外生产、储存、运输氢能;第三阶段，2040 年起，建立起 CO2 供氢系统，全面实现零排放制氢、储氢、运氢。
中国也高度重视氢能的发展。2012 年 6 月 28 日，国务院颁布《节能与新能源汽车产业发展规划(2012-2020)》，指出 2020 中国车用氢能源产业将与国际同步发展。2016 年 4 月 7 日，国家发改委、能源局提出《能源技术革命创新行动计划(2016-2030 年)》，表明了未来中国氢能战略发展方向、中短期创新目标;11 月 29 日，国务院提出《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》指出，中国将推动车载储氢系统及氢制备、储运和加注技术发展，推进加氢站建设;12 月 29 日，国家发改委、能源局《能源生产和消费革命改革战略(2016-2030 年)》要求加快研发氢能、发展氢燃料技术。2017 年 1 月 25 日，国家发改委《战略性新兴产品和服务指导目录》2016 年版提出氢能、储氢材料、车用加氢设施收入目录。2018 年 10 月 30 日，国家发改委、能源局《清洁能源消纳行动计划(2018-2020 年)》提出开展探索可再生能源富余电力转化为氢能等能源的进一步研究。2020 年 4 月 10 日，国家能源局关于《中华人民共和国能源法(征求意见稿)》公开征求意见的公告中首次将氢能明确划入能源种类管理。2020 年 11 月 1 日，习近平在出席金砖国家领导人第十二次会晤时提出中国将力争于 2030 年前达到二氧化碳峰值，努力争取 2060 年前实现碳中和。加快氢能利用是保证碳中和目标实现的重要途径。
2 国际天然气混氢输送项目
在全球范围内，2000 年之后开始深入研究天然气混氢相关应用技术。据国际能源署(IEA)数据显示，截至 2019 年，全球各国针对天然气网络掺氢的研究有示范项目 37 个。研究项目中包括通过天然气管网系统进行掺氢输送为居民及商业用户提供燃气的可行性研究，测试天然气掺氢比例对管网系统关键设备、管道及终端设备的影响，掺氢后混氢天然气运输、储存技术及安全性影响等(表 1)。
2002 年起，欧盟委员会通过并资助开展了 Naturalhy 项目，该项目认为将氢作为一种现实的能源选择迫在眉睫，必须在现有广泛的天然气系统范围内采取切实可行的策略。目前的相关报告显示，在经济性方面，Naturalhy 评估了通过富氢天然气撬动氢能产业链的可行性;在技术方面，Naturalhy 主要披露了天然气管道的修理方法、爆炸情况。2013 年底，德国的能源储存和清洁燃料公司 ITM Power 宣布，通过其合作伙伴己向德国天然气分销网络注入氢气，比例低于 2%[11]。2014 年，DVN GL 机构发起 HYREADY[12]全球联合工业项目，该项目分为传输系统、配气系统、终端用户的基础设施以及氢气加注设施的设计 4 个部分，考虑天然气中添加的氢气比例分别为 2%、5%、10%、20%、30%。2018 年 11 月，英国基尔大学开展了针对英国家用混氢天然气网络试验的示范项目 HyDeploy [13]，该项目于 2019 年开始开展英国首个掺氢比例达到 20%的示范性试验。荷兰 VG2 项目[14]通过荷兰现有的天然气网络进行天然气混氢输送研究，通过分析输送管道的泄漏和冷凝以及终端用户设备的安全和燃烧速度，从而确定可混入天然气中的氢最大体积百分比。同时，天然气掺氢标准研究也逐步推进。在欧洲，HyReady 和 HIPS-Net 等技术委员会和行业组织正在研究掺氢标准，欧盟委员会也在研究氢在天然气网络中的作用及相关标准。
目前，各国针对氢能利用开展的示范项目研究中混氢量如下(图 1)，其中，中国开展的大唐煤制气示范项目气源混氢量约 3%，德国混氢量为 5%~10%，法国混氢量为 4%，意大利与挪威混氢量为 10%，荷兰混氢量为 12%，欧盟的示范项目混氢量为 18%，英国正在开展 20%混氢量的研究。
3 天然气混氢输送工艺适应性
在对氢能利用过程中，氢气是主要的能源载体形式。在未来能源的发展中，能源互联网是发展趋势，油气管网是能源互联网中的重要参与者，因此将氢气混入天然气管网输送是国外氢气输送的通用做法。为了保障天然气管道混氢输送的安全高效，各国针对天然气混氢后天然气与氢气的互换性、管道与设备对氢气的适应性、安全性及管网水利运行参数等方面开展了研究。此外，不少学者还对燃气终端设备灶具进行实验研究，为天然气-氢气混合气体用于家用灶具燃烧提供操作和理论借鉴。
3.1 混氢天然气的互换性
在燃气工程中，不同燃气进行互换时需考虑衡量热流量的特性指数，目前各国通用的燃气特性参数为华白数(沃泊指数)。而甲烷与氢气的物性和燃烧特性存在很大区别，因此氢气混入天然气后，将改变天然气原有燃烧特性，且不同混氢量的天然气其燃烧速度、热负荷等燃烧指数，以及密度、黏度等均不同，导致终端用气和管道输送工况受到影响。随着混合气体中氢气体积分数的增加，燃具的热负荷下降，混氢天然气的燃烧速度增大，燃具发生回火的风险增高[14]。美国亚特兰大学者研究表明：在美国华白数为 45.5 MJ/m3 的贫天然气中注入氢气后，其华白数能提高至 48.3 MJ/m3，需要加入一定量氮气使其华白数保持在 43.4~44.4 MJ/m3，才能适用于当地的燃具[15]。英国使用的多数天然气燃气设备能够较好地适应混入 10%氢气的天然气，家用灶具受华白数和回火指数的影响，氢气的添加量不应超过 23%。比利时学者通过计算华白数进行判断得出：在本国天然气中掺入低于 17%的氢气后可直接供应于家用、商用灶具[16]。中国目前尚未发布混氢天然气输送和利用的相关标准规范，在进行天然气混氢互换性判断时，可采用德尔布指数法[17-18] 和韦弗指数法[19]进行互换性评定。根据 GB-T 13611—2018《城镇燃气分类和基本特征》，中国典型燃气灶使用 12T 天然气，其高华白数范围为 45.67~54.78 MJ/m3。黄明等[20]通过华白数和燃烧势判定得出：掺混气中氢气体积分数小于 23%时，掺混气能互换 12T 天然气在终端用户燃具上正常使用。
综合考虑燃气华白数及燃烧热值，目前大部分燃气设备能够较好适应掺入 10%氢气的天然气，而家用燃气设备能够适用 23%以下混氢量的天然气。中国不同地区、不同类型燃具对混氢天然气燃气互换性的要求均不相同，混氢天然气作为燃料、化工产品对民用/工业用户等终端用户的潜在影响仍有待进一步研究。
3.2 压缩机及燃气轮机的适应性
混氢天然气的物性参数与传统天然气存在差异，必然会改变输送管网内部的压力分布[21]，进而改变压缩机组及燃气轮机的工况点。分析混氢天然气输送管网内的压力分布是进一步探究压缩机组及燃气轮机适应性的前提。目前，国内外一般通过 SPS、Pipeline Studio 等仿真软件对管网的运行工况进行模拟，根据计算结果指出管网运行中可能存在的问题并做出相应的整改，为生产决策部门反馈合理的数据，优化天然气管网的调度布置[22]。Guandalini 等[23]通过动态模拟，指出在管输天然气中掺混 5%氢气会引起管网压力下降约 0.1%，掺混气高热值和华白数最大波动范围分别为 3.5%、0.6%，但仍处于燃具稳定使用的可接受范围。Tabkhid 等[24]对天然气-氢气管网运输模拟进行了优化，通过降低天然气添加氢气后的传输能量，将混氢比例提高至 6%。马向阳等[25]指出氢气加入天然气后通过提高输送压力可保证管道的输气功率不变。
离心压缩机是天然气管网系统中重要的增压设备，对管道的高效安全运行影响重大，其运行工况与实际气体组分相关[26]。氢气的混入虽能提高管道的输气能力，但当管网和压缩机联合运行时其平衡工作点对应的压力和流量都将减小，反而会降低管道的输气能力。计算表明：当输气流量为 5 500 m3 /h 时，混氢比由 0 增大至 30%，压比和轴功率分别下降了 20%、36%;在 15 ℃时，随着氢气掺混比由 0 至 30%逐渐增大，管道出站压力增加了 9.1%，管道的最大输气量增加了 14.8%，但输气功率降低了 9.2%[27]，为了保证输气功率不变，可适当增加管道的运行压力。
燃气轮机作为驱动压缩机的重要设备，燃料气组分改变会对燃气轮机的运行产生不利影响[28]。除专用可以接受很高氢含量(>50%)和一些特殊的能够燃烧含 10%氢含量或更高混氢比的燃气轮机，目前许多燃气轮机的燃料规格要求天然气中氢气体积分数应限制在 5%以下。Abbott 等[29]认为燃气轮机能够适应的氢气掺混比需小于 5%，但是经过整改和调整的燃气轮机能适应的掺氢百分比为 5%~10%。2019 年，意大利 SNAM 公司在进行 10%混氢量的工业试验时，专门采用了贝克休斯公司为其制造的新型燃气轮机，同样表明一般燃气轮机能够适应的天然气中混氢量低于 10%。
上述成果表明，混氢天然气管道的压缩机和燃气轮机等运行与非混氢天然气存在明显差异，但是国内外对于不同压缩机和燃气轮机类型在混氢天然气输送过程中工况点和能耗变化规律的研究刚刚起步。中国天然气管网系统广泛配置了英国罗罗、德国曼透平、美国 GE 及国产压缩机与燃气轮机组，这些机组对于混氢输送的适应性仍有待具体分析。
3.3 计量设备的适应性
流量计量的准确性对于混氢天然气的计量交接意义重大。由于氢气和天然气密度、压缩因子等物性存在较大差异，且现有流量计一般在工况条件下进行计量，需通过温度、压力补偿以及压缩因子修正计算得到标况下流量来进行贸易交接，注入氢气会改变气体物性，必然会对计量设备造成一定的影响。
目前，国外对混氢天然气条件下城市管网终端家用燃气表适应性进行了广泛的实验研究。NaturalHy 项目提出，家用燃气表主要采用膜式燃气表，其高分子膜对氢气渗透十分敏感[30]，在计量混氢天然气时会存在以下 3 方面的问题：①氢气分子直径比天然气小，会导致气体渗透泄漏，影响计量精度;②由于密封性问题，导致氢气泄漏至大气，引发潜在安全问题;③氢气会损坏流量计内部部件，影响流量计使用持久性。对此，NaturalHy 项目在设备可靠性板块(WP 3)研究中，对 3 种分别由 Gallus(法国)、Dresser(意大利)、Elster(德国)制造的高分子膜式燃气表进行实验研究，分析了纯甲烷与 50%氢气和 50%甲烷混合气对计量性能的影响，对比含氢量为 50%混氢天然气与天然气计量误差发现：Dresser 膜式燃气表为正偏差， Gallus 和 Elster 膜式燃气表为负偏差，且偏差均低于 2%，流量越低，偏差越小[31]。Polam 等[32]通过实验分析了混氢天然气对橡胶和塑料膜式燃气表计量精度的影响，测量了流量范围为 0.13~5 m 3 /h 的天然气和含氢量为 17%的混氢天然气，结果表明这两种材质的燃气表测量偏差低于 0.1%。考虑到膜式燃气表校准标准规定后续检定和使用中校验最大允许误差可在 4%以内，重复性最大允许误差可在 0.2%以内，因此该偏差可忽略。Jaworski 等[33]实验分析了混氢天然气对膜式燃气表耐用性的影响，结果表明：氢气含量为 0~15% 时，并无显著的计量差异，而燃气表长时间运行存在显著的计量差异主要是由燃气表内部部件的磨损造成的。对于涡轮燃气表，考虑到氢气注入天然气中会降低气体密度，需要测量涡轮燃气表的不确定度。法国 GRHYD 项目对涡轮燃气表进行实验研究(G4 燃气表：个人用户;G65 燃气表：小型第三产业用户)，结果表明天然气中含氢量达到 20%(体积比)会存在-1%~2.5%的计量误差(注：这些实验不是在计量测试平台上进行的)。CEN CENELEC 欧洲标准制定机构已经验证了涡轮式燃气表可用于测量氢含量高达 10%的混氢天然气。2019 年，国外混氢报告对于超声波流量计提出，氢气含量低于 15%其声波衰减几乎可忽略不计[34]。
对于长输管道上的计量设备适应性研究目前主要依靠理论分析。Guandalini 等[23]理论分析认为，对于容积式流量计，由于氢气的体积特性，计量误差随压力和氢气含量的增大而不断增大。例如甲烷含量约为 99%天然气混入 5%的氢气，在 5 MPa 压力下体积误差为 1.5%，在 2.4 MPa 压力下体积误差为 0.5%;甲烷含量约为85%天然气混入5%的氢气，在5 MPa压力下体积误差为1.7%，在2.4 MPa压力下体积误差为0.7%，而在 5 MPa 压力下，天然气(甲烷含量约 85%)中混入的氢气含量高达 10%时，体积流量误差达 3%。IEA Greenhouse R&D 项目提出理想孔板流量计其流量校准系数是在某一密度下由实验确定的，密度相对变化 1%会导致体积误差相对变化 0.5%。
考虑到混氢天然气组分改变会对压缩因子产生影响，气体组分分析是减少上述计量误差的有效途径。目前，气相色谱仪多采用氦气作为载气，主要利用氦气热导率与天然气成分导热率存在较大差异进行气体组分分析[35]，但由于氦气导热系数和氢气相近[氦气 151 W/(m·K);氢气 180 W/(m·K)]，Altfeld 等[36-38] 指出现有在线组分分析设备难以进行氢气的组分分析，会影响天然气工况下压缩因子的准确计算。目前， GRTgaz、Teréga 及 GRDF 等公司正计划升级在线组分分析仪，从而准确分析混氢天然气中氢气含量[34]。
综上，含氢量低于 15%的混氢天然气对家用燃气表计量偏差以及使用耐久性的影响较小。对于干线输气管道，混氢天然气的计量误差主要是由于组分变化导致气体压缩因子的改变造成的，可通过调整在线分析系统或使用离线分析手段来补充、完善组成分析结果，从而保证计量的准确性。同时，也可通过 CFD 仿真模拟以及实验手段进行进一步研究完善相关计量结果的修正方式。此外，氢气在长输管道输送过程中可能会出现管道分层流动现象，进而影响以超声波流量计为主的高精度计量设备的计量准确性，但国内外尚无混氢条件下超声波流量计计量结果相关研究报道。
4 混氢输送工艺安全分析
4.1 混氢天然气泄漏扩散的安全性
氢气的爆炸极限范围宽度远大于甲烷，高压泄漏情况下易发生自燃，且氢气分子直径比甲烷小 25%，在管道接头处氢气的体积渗漏速率高于天然气 3 倍[12]，因此氢气泄漏后的爆炸危险也更加突出。氢气及混氢天然气的泄漏扩散及爆炸是目前混氢天然气输送领域研究的热点。
2019 年 6 月 10 日，挪威奥斯陆郊外一座无人值守的加氢站发生起火和爆炸;6 月 1 日，美国加州硅谷，某空气产品公司氢气配送车发生爆炸;5 月 23 日，韩国江原道江陵市大田洞科技园区，一家太阳能制氢公司氢燃料储存罐发生爆炸。以上 3 起事故都是由于高压装置内氢气在富氧环境泄漏后形成的云状氢气被点燃造成的。影响混氢天然气输送安全的因素众多，不同的因素导致事故发生的可能性和带来的后果都不同。为此，美国天然气工艺研究院(GTI)、欧盟采用定量风险评估研究了不同因素对天然气混氢输送系统风险的影响。
GTI 基于美国天然气供应系统的具体数据，对混氢天然气输送安全危害性进行了定量风险评估，将数字风险评估结果进行了量化，将风险等级范围定为 0~50，其中，危害显著性等级 10 被描述为“轻微”，30 被描述为“中等”，50 被描述为“严重”;研究成果还表明，配气干线中高浓度的氢气(高达 50%)会导致总体风险(包括发生概率和严重程度)轻微增加。对于供气管道，其所处空间较为密闭，泄漏后更容易出现气体积聚现象，当天然气中氢气浓度超过 20%后，其总体风险比配气干线更大。欧盟 NaturalHy 项目以两个典型空间进行实验，检验了混氢天然气气体积累行为，一个可代表家庭房间，另一个可代表较典型的商业或工业建筑;研究发现混氢天然气的气体积累行为类似于纯天然气，但由于泄漏后氢气扩散速度较快，导致达到爆炸极限的氢气云团主要集中在泄漏口，增大了泄漏口附近的危险程度，同时减小了混氢天然气泄漏后的扩散距离[39]。在现有天然气管道系统中添加 20%及以下的低浓度氢气会导致轻微的点火风险以及爆炸严重程度轻微增加，但当氢气浓度超过 50%时，爆炸超压会显著增加。
如果混氢天然气储运过程发生意外泄漏，如何对该类事故进行防治以减小事故带来的危害也是混氢输送安全的研究重点。泄漏气体点燃后将产生射流火焰对物体、可燃材料和人员造成辐射和冲击，特别是在开放空间内，火焰的传播速度将一直处于上升阶段[40]。目前，一般采用实验测试或 Fluent 等数值仿真模拟软件对有毒有害气体的泄漏扩散进行研究。研究发现，在气体火焰的传播过程中，可燃气体的燃烧会因为障碍物的阻挡而受到延迟[36]，Robert 等通过实验验证了不同位置不同角度的挡墙对喷射火焰的影响[41]。因此，根据现场具体情况合理设置挡墙，可以有效降低泄漏气体燃烧产生的喷射火焰而带来的危害。此外，当混氢天然气泄漏后，对泄漏在第一时间做出反应是生产运行安全管理的关键。但在天然气中添加氢气会改变气体探测器的精度，因此，当天然气中存在氢气时，必须重新校准气体检测装置，以确保其在气体泄漏后能够及时作出反应[42]。针对混氢天然气泄漏，采用细水雾和氮气同时进行稀释能够获得更好的爆炸抑制效果[43]。
天然气掺氢后一定程度上增大了管网输送总体运行风险，对于家庭及商业用气的安全性也有了更高的要求。对不同工况下混氢天然气泄漏扩散研究成果进行分析，可为混氢天然气管道输送安全运行生产提供预警及防护指导。但目前少有针对混氢天然气泄漏检测仪器的相关研究，今后可考虑通过提高检测设备对混氢天然气的敏感程度及优化其空间布置、安装方式来加快现场对泄漏事故的响应速度。
4.2 混氢天然气材料的适应性
金属材料在氢环境中可能出现氢脆及氢腐蚀问题，导致管道破裂及系统设备构件失效，从而引发重大事故。氢环境中设备腐蚀失效的主要原因包括氢损伤、氢渗透及高温腐蚀[44]。天然气混氢后的氢脆问题不仅受到管材自身材质的影响，而且与氢气浓度、管输压力等有关。针对天然气管道与设备用钢，目前公认氢气输送管道管材硬度不宜超过 22HRC，拉伸强度不宜超过 793 MPa[45]。拉伸强度超过 950 MPa 的 CNG 汽车用钢管能够适应的氢气添加量不能超过 2%，欧洲 CNG 汽车罐使用的 34CrMo4钢对天然气中添加的氢气具有很好的兼容性[46]。当混氢天然气中氢气浓度大于等于 10%时，可按照 ASME B31.12-2014《氢气管道和管线》相关规定进行分析;当氢气浓度小于 10%时，可采用 CGA-5.6-2005 R2013《Hydrogen Pipeline System》进行分析[47]。若管道为 X52 钢，可用于输送氢气浓度低于 10%的混氢天然气;若管道为 X70 钢，天然气中混氢比例小于 10%时，需要将最大操作压力降低至 7 MPa;混氢比例大于等于 10%时，最大操作压力需降低至 5.38 MPa[31]。针对氢气对金属的氢脆作用，可考虑采用聚乙烯管进行混氢天然气输送，虽然聚乙烯管存在氢气渗透现象，但该渗透率相对于年输送量可不予考虑[48]。因此，为了降低混氢天然气输送风险，低压配气系统管道输送混氢天然气推荐使用 PE 管道，高压长输系统管道推荐采用软钢管道以降低氢脆发生的概率。
综上可知，氢气对于低强度管材的影响不大，对于高强度管材氢脆影响更大。中国西气东输管道等大型输气管网建设工程中大多采用 X70、X80 高等级钢，且管网输送压力要求高，相应的氢气分压更高。在管道长期服役条件下，高钢级管道的材料安全性能仍有待评估。
5 结论与建议
目前，国内外已开展混氢天然气研究及工业化试验中氢气的体积分数为 20%，对于混氢输送适应性及安全性的研究是目前国内外研究的热点。结合中国天然气管网“全国一张网”战略，主要建议如下：
(1)天然气掺氢后将降低气体的热值及华白数等参数，增大火焰燃烧速率，导致终端民用/工业燃具及天然气燃气轮机热负荷下降，增大燃具使用过程的回火风险。建议全面研究不同地区、不同类型燃具对混氢天然气燃气互换性的要求，评估混氢天然气作为燃料、化工产品对民用/工业用户等终端用户的潜在影响。
(2)天然气中掺入氢气会提高管道的输气能力，但当管网和压缩机联合运行时其平衡工作点对应的压力和流量都将减小，反而会降低管道的输气能力。建议全面研究不同类型压缩机在不同输量、不同季节、不同混氢量条件下管道水力热力参数分布以及压缩机工况点的变化规律;结合混氢天然气燃烧热值、华白指数和燃烧势等特性，分析混氢天然气输送过程中燃气轮机的工况变化。
(3)天然气掺氢后气体压缩因子等物性发生改变，致使不同流量计精度出现不同程度的偏差，但低含量的氢气对计量精度的影响较小，可通过调整在线分析系统或使用离线分析手段进行组分分析，确保计量的准确性。对于超声波流量计在天然气贸易交接的主导地位，可以考虑含氢量、气体分层流等因素，采用理论分析、CFD 模拟及实验等手段对超声波流量计计量精度进行研究。
(4)氢气与天然气气体性质差异较大，天然气掺氢后会在一定程度上增大天然气管网输送的总体运行风险，同时对于家庭及商业用气的安全性也有了更高要求。为了保证运行能够对混氢天然气的泄漏及时做出反应，建议结合混氢天然气泄漏扩散特性规律，研究不同应急预防措施的适应性，同时针对不同场景优化检测设备空间布置、安装方式，及提高检测设备对混氢天然气的敏感程度，从而加快现场对泄漏事故响应速度，保证生产安全。
(5)混氢天然气氢气组分对高强度钢影响大于低强度钢，主要表现为氢脆及氢腐蚀问题。建议采用实验测试、理论分析等方法，开展高钢级管道在混氢条件下的长期服役能力研究，评估高钢级管道输送天然气的安全混氢比。
(6)中国天然气干线管网已基本形成了互联互通的格局，在全国管网中进行混氢输送将面临较大的工艺安全风险。因此，可考虑选择单一管道或局部管网先进行混氢输送先导试验，积累混氢输送经验，最终形成可靠的适于中国混氢输送管道的评价方法及评价标准。