一、成果简介：

“天然气掺氢验证应用技术”以国家电投集团科学技术研究院有限公司承担的《掺氢天然气管道安全关键技术研究及验证》、《天然气掺氢关键技术研发及应用示范》为项目依托，为辽宁省朝阳市和河北省张家口市的天然气掺氢示范项目提供可行性验证。天然气掺氢是新能源产业中的创新技术，其目的在于将风光等大规模可再生能源制氢和制氢厂过剩氢与天然气进行掺混，并通过燃气管网进行输送使用，解决氢气的储存及运输问题，进而为氢能大规模综合利用提供可行的方案。同时，氢气替代部分天然气燃烧，契合了我国今年“做好碳达峰、碳中和”的重点任务，因此开展天然气掺氢的理论评价和应用验证技术十分重要。

“天然气掺氢验证应用技术”主要包括掺氢天然气管道服役性能评价、混合气燃烧性能评价、应用示范验证，数据库建设四个方面。管道服役性能评价在国内首次在掺氢天然气环境中开展管线钢力学性能的原位测试研究，模拟示范现场管道服役环境，获取材料原位力学性能（慢应变速率拉伸、疲劳寿命、裂纹扩展速率等）数据，通过模型计算论证掺氢天然气管道安全性及可靠性，并对掺氢天然气管道寿命进行了预测。混合气燃烧特性评价从燃烧理论出发，通过燃气具建模进行模拟燃烧，并且在实验室进行燃烧工况测试，可为天然气掺氢灶具标准制定提供理论和试验支撑。应用示范验证是对之前工作可行性的验证，针对燃气终端用户的示范，对使用现场燃气具使用进行数据采集及跟踪，完成温升及热效率测试、安全性及排放测试和用户使用体验反馈。数据库建设方面，部署环境为腾讯云服务器Windows Server 2016 + IIS，支持跨平台，用户可以通过云端实时访问数据库。数据库包括了实验室测试数据和掺氢现场实时监控数据两大部分，实验室数据将通过项目建设不断地进行补充，届时将成为更多天然气掺氢应用项目可靠的信息支撑平台。实时监控管理平台通过记录现场实时数据，帮助管理者了解现场运行状态，作出应用分析和管理决策。

“天然气掺氢验证应用技术”的应用为燕山湖发电公司朝阳示范项目正式运行提供了理论和数据支撑。该项目为能源局委托国家电投集团，在国内开展的首个电解水制氢掺混应用示范，填补了国内天然气+氢气混合气作为能源的示范空白。项目于2019年4月开工建设，于2020年9月正式投入运行。 

图1 现场管道运行状态监测

图2 天然气掺氢项目现场

图3 数据库

二、技术优势及性能指标：

技术优势：国内首次在掺氢天然气环境中开展管线钢力学性能的原位测试研究，采用独特的高压混合气原位力学测试装置对料进行慢速拉伸、疲劳及裂纹扩展测试，整个实验过程实验材料都在特定的气体成分和压力环境下进行，最大程度地模拟了管道材料的真实服役环境，保证了基于实验数据安全评估的可靠性及材料寿命预测模型的准确性，形成了《在役管道掺氢天然气输送适用性评价方法》。该技术应用直接推动了《天然气掺氢混气工程技术工程》的制定工作，在天然气掺氢应用领域填补了国内的空白。

性能指标：

经过示范，形成了《在役管道输送掺氢天然气适应性评价方法》和《掺氢天然气管道寿命预测和评定技术》。辽宁朝阳天然气掺氢示范项目满足氢气掺混比例 0%-20% 进行调节，目前正以 10% 氢气掺混比例正常运行。

三、所属领域：

综合能源系统方向：能源互补技术、 能源存储技术

综合能源服务方向：多能供应服务技术、清洁能源服务技术

四、成熟度：

产业化阶段

五、市场应用情况及经济效益分析：

以该项目为基础，国家电投集团科学技术研究院有限公司继续参与了河北省重点研发计划项目《天然气掺氢关键技术研发及应用示范》。项目建设方为张家口鸿华清洁能源科技有限公司，项目完成后将实现从制氢到天然气掺氢的市场化运作。目前电解水制氢成本约1.8元/立方米，预计掺混比例为5%（体积分数），年预计掺混量为440吨，按混合气完全作为居民家庭燃气销售（采购价2.2元/立方米），每年可实现利润193.6万元。如果采用工业副产氢成本会更低，约1.5元/立方米，按鸿华公司上述掺混量计算，可以实现年利润338.8万元。将来，随着电解水制氢成本的下降和掺混量的上升，利润还有继续上升空间。此外，国内有丰富的工业副产氢资源，也为掺氢天然气应用获得良好经济效益提供了条件。