可再生能源发电制氢被认为是解决弃电消纳问题的一条有效途径，将氢气以一定的比例掺入天然气中，利用现有的天然气管道或管网进行输送，有可能是当前实现大规模氢气输送的最佳方式。
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掺氢天然气性质和管输关键环节
天然气的主要成分是甲烷，表1给出了常温常压下氢气和甲烷的主要性质对比。而氢气具有密度小、爆炸区间范围宽、最小点火能量低、火焰温度高、扩散系数大等特点。因此，掺氢天然气和常规天然气的物性、燃爆特性都存在一定差异，具体差异大小取决于掺氢比。例如，氢气的体积能量密度（低热值）大约只有天然气的1/3，在相同的工况下，掺氢会降低天然气管道输送气体的能量含量，导致终端用户天然气需求量上升。一般地，掺氢天然气混合物的物性、热力学状态参数等均可根据常规天然气的计算方法进行计算。
表1氢气与甲烷的主要性质对比表
掺氢天然气管道输送主要包括掺氢环节、输送环节和用户环节（图1）。由于氢气的掺入，一方面引入了新的若干技术问题；另一方面影响了常规天然气管道输送中的若干关键问题。图1掺氢天然气管道输送主要环节示意图
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掺氢天然气管道输送关键问题研究进展
——掺氢比
将氢气掺入天然气管道中输送，首先需要确定合适的掺氢比。但掺氢比受多个因素制约，目前尚无统一确定标准，不同国家对掺氢比上限的规定也不尽相同。?????例如，芬兰、瑞士、奥地利、西班牙等欧洲国家规定天然气管道中掺氢比上限分别为1%、2%、4%、5%（后续如无特殊说明均指按体积分数计）。澳大利亚可再生能源署指出，掺氢比小于10%时不会对天然气管道、设备及法规等产生明显影响。德国规定天然气管网的掺氢比上限为2%（个别情况10%）。法国规定天然气管网的掺氢比上限为6%，但从年起部分天然气运营商将尝试20%的掺氢比上限。英国法律规定天然气管网中掺氢比上限为0.1%（按质量分数计），目前英国HyDeploy示范项目已成功向在役天然气管网中掺入20％的氢气。我国目前仅有的掺氢天然气管道输送示范项目“朝阳可再生能源掺氢示范项目第一阶段工程”的掺氢比约为5%，但我国相关法律法规和技术标准中并未明确规定天然气管道和管网中的掺氢比上限。
目前在役输气管道是以输送天然气为基础设计的，终端用户燃烧设备也多以天然气为燃烧介质设计，使用天然气作为原料的终端企业的工艺流程也均基于天然气设计。因此，掺氢后会对天然气管输系统及终端用户产生广泛的影响。?????掺氢比的确定是掺氢输送的系统性和综合性难题，主要困难在于掺氢比受管道输送系统和终端用户等多个因素共同制约，例如管材材质、燃气互换性、燃爆安全性等。
??对于终端用户，由于氢气与天然气的基本性质差别较大，掺氢后天然气的密度、热值、燃烧特性等发生改变，而燃气灶具、燃气发动机、锅炉及燃气轮机等燃烧设备由于各自燃烧性能的不同，对可接受的掺氢比范围也不同，需充分考虑掺氢后的燃气互换性及掺氢对燃烧性能的影响。为查明掺氢后燃气的互换性和燃具的适应性，研究者采用不同的燃气互换性判别方法对掺氢天然气的燃烧特性和掺氢比上限进行了研究，例如德尔布指数法、韦弗指数法、沃泊指数与热值法。研究表明，在满足12T天然气特性指标的范围内，随着掺氢比的增加，掺氢天然气的华白数逐渐下降、燃烧势逐渐升高，燃烧的一次空气系数逐渐增大、热负荷逐渐下降、热效率逐渐升高，但燃气的火焰传播速度急剧增大，燃具回火的风险增加，并容易造成燃烧不稳定。国内外多位学者研究表明，燃气互换性及燃具要求的合理掺氢比上限约为20%～27%。
此外，国内西安交通大学、清华大学等在燃气发动机方面的研究表明，天然气掺氢后会对发动机的热效率、排放特性、循环变动、稀燃极限等产生一系列影响，掺氢比较低时无需改造发动机，但当掺氢比超过一定值后，需对发动机进行改造。Ball等研究表明燃气发动机对掺氢比的适应范围为2%～5%，掺氢浓度过高时发动机会发生爆震等现象，燃气轮机对掺氢比的适用范围也低于5%，但经调整和改造后对掺氢比的适用范围可提高到5%～10%。日本三菱日立动力系统有限公司对采用掺氢天然气作为燃料的大型燃气轮机进行了燃烧实验测试，结果表明使用30%氢燃料混合物时必须对燃烧器进行升级改造，现有燃气轮机的控制系统和密封条件无法适应高浓度的氢气环境。
虽然各国已开展掺氢比研究和天然气掺氢对管道输送系统及终端用户燃烧设备等影响的研究，但目前仍缺乏明确的结论。受天然气组分、设备工况等的影响，不同研究给出的同一设备的可接受掺氢比范围也存在差异。因此，未来应继续开展深入研究，查明掺氢比对在役天然气管道、设备和下游终端用户可能产生的各种影响。综合考虑安全性和经济性等因素，明确不同制约条件下的掺氢比，并制订掺氢天然气管道输送掺氢比的确定准则。
参考文献
[1]李敬法,苏越,张衡,宇波.掺氢天然气管道输送研究进展[J].天然气工业,,41(04):-.长按识别
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