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天然气掺氢相关应用技术在2000年之后开始被深入研究。据IEA数据，全球开展了近40个掺氢天然气管道输送系统应用示范项目，研究了天然气管道系统中掺入不同比例氢气后输送以及终端应用等的安全性。尽管掺氢天然气管道输送示范项目较多，国际上对于天然气管道系统中可掺氢比例仍未形成一致结论。
IEA数据显示，2020年全球天然气掺氢的规模从2013年的500吨增加到3500吨，增长了7倍。所有正在推进的天然气掺氢项目都能落地，2030年，其规模将可能增加700多倍，氢气总掺入量将大于200万吨。若需要达到2030年全球净零排放的要求，氢气总掺入了需要可以达到5300万吨。巨大的需求缺口，表明天然气掺氢市场前景可观。
在实际应用中，天然气掺氢的讨论与项目集中在天然气管网掺氢中，用以解决氢气运输成本高的问题。在下游应用中，国内积极探索了HCNG汽车、掺氢天然气发电、天然气掺氢内燃机、民用掺氢天然气等应用，其中又以“氢进万家”为代表的民用天然气掺氢最受关注。由于管道运输和民用领域对于安全问题敏感，项目的实验验证周期长，因此天然气掺氢一直处于示范的阶段，而且规模有限，商业化进程推进缓慢。
一、国外典型天然气管道掺氢项目案例
欧盟NaturalHy 项目。为了评估掺氢对现有天然气管网的影响，39 个欧盟合作单位2004至2009年大范围实验研究了工业用和家用加氢天然气的气体溢出和爆炸行为，评估了加氢量的影响。掺氢天然气比从100%、70%、50%至 20%进行了管道断裂韧性和安全风险相关实验和研究。
实验表明：从产生气体积聚的本性来看，HCNG建筑内的溢出特性和天然气类似。但是，气体的浓度和聚集的体积随着氢气的添加而增加，不过50%内的增加值很轻微；室内爆炸的严重性会随着氢气的增加而加重，但是对于 20%的HCNG来说危害的加重微乎其微。
英国Hy Deploy示范项目2020年1月正式投入运营。项目包括试验研究和示范工作两个阶段。前期试验研究工作表明，在掺氢比例为20%的掺氢天然气条件下，家用燃气用具和配送管道使用性能良好，而现有气体探测器易受氢气干扰无法保证测量准确度，需另开发新型可在掺氢天然气环境下工作的气体探测器。
示范阶段向基尔大学专用天然气管网和英国北部天然气管网注入20%比例的氢气，为100户家庭和30栋教学楼提供掺氢天然气。测试表明，所测试的各种家用电器都能在氢气浓度高达28.4 %的情况下安全运行。全国范围内推广使用20 %氢气混合物可减少的碳排放量相当于减少了250万辆汽车行驶。
荷兰Ameland项目于2008至2011年开展了有关将风电制氢掺入当地天然气管网的研究，其中2010年年平均氢气掺入体积分数达到12%。
德国Falkenhagen 2MW电转氢能示范电厂于2013年完全服役，制取的氢气被直接送入天然气管线。
法国环境与能源控制署(ADEME)赞助的“GRHYD”项目则将可再生能源制得的氢气掺入天然气中供加氢站和居民使用，掺氢体积分数最高将达到20%。
德国意昂(E.ON)的子公司Ava-con2019年8月计划将其天然气管网的氢气混合率提高到20%。Ava-con在斯科普斯多夫市安装400套供暖系统并和其他用户设备进行“酸性试验”。
此外，德国天然气网络运营商协会（FNB Gas）曾指出，鉴于德国的天然气基础设施较为完善，氢气适合在德发展，并将敦促政府逐年递增天然气管网纳入氢气的比例，如从2021年的1%升至2030年的10%。
法国计划是到2023年工业用氢气的生产脱碳约10%，并拨出1亿欧元鼓励使用氢气，特别是用于运输。为了达成该目标，GRTgaz、GRDF、Eleng等运营商表示，法国网络最初可以使用混合6%氢气的天然气。2019年11月，法国天然气管道运营商表示，从2030年起，法国天然气网络可能会进行改造，以管道输送天然气与20%氢气的混合物。
日本三菱日立动力系统有限公司（MHPS）将体积分数30%的掺氢天然气通入大型烧燃气轮机中进行测试。结果表明，MHPS专用燃烧器燃烧掺氢天然气可以实现烧燃气轮机稳定运行，与单纯燃烧天然气相比，CO2排放量可以减少10%，发电效率大于63%，且除了燃烧器外，其他部件可以不用改动，减少了改造的成本。
澳大利亚2020年初消息，昆士兰政府与澳大利亚天然气网络公司合作，进行天然气掺氢实验。目前，该公司已获得超过170万美元的资金，用于建设一个混合设施，将10%的绿氢掺入到天然气网络中。这是澳大利亚首个将可再生氢与住宅、商业及工业客户链接为一体的天然气掺氢项目。
俄罗斯联邦能源部2020年8月公布了其第一份氢能战略发展路线图，其中莫斯科方面最看重的应用是出口氢气，从而确保其全球能源市场地位。俄气的重要氢能试点项目，就是研究在现有天然气管网中掺氢，以向欧洲大陆输送含有最高20%氢气比例的混合气。
二、我国典型天然气管道掺氢项目案例
2019年以来，在国电投、中石化、国家管网等央企努力下，国内在天然气管网掺氢项目上取得了突破性的进展。在社会认知、技术积累、行业标准、示范项目和发展规划等方面均取得了实质进展，带动了全国部分省市将天然气掺氢项目列入产业规划。
随着天然气管道掺氢运输逐渐受到认可，从2021年底、2022年初开始，国内天然气掺氢项目的热点发生了两个重点变化：从运输环节向应用环节发展，从民用领域向工业领域发展。从运输向应用的转变，有利于更快地形成商业化项目，推进能源终端应用减碳；对比民用领域，工业领域的安全管理更加规范，更容易推行。
朝阳项目。国家电投集团燕山湖发电有限公司联合国家电投集团科学技术研究院，于2018年在辽宁朝阳开展国内首个天然气掺氢示范项目研究。利用可再生能源电解碱液产生10Nm3/h的“绿氢”，设计掺氢比为3%-20%，实际运行以 10%的掺氢比例做为燃料使用，其采用电气式随动掺氢结构。主气源天然气和随动气源氢气根据各自的实时流量、温度、压力采集数值，通过 PLC（Programmable Logic Controller）控制系统，结合阶梯过渡的算法，控制调节装置开度，对混合气实现自动调节。
同时，经混合气体经静态混合器中多组涡流发生器将两种气体充分互混合，供终端用户使用。2021年10月，该项目在民用终端应用验证方面取得了新进展，成功召开了应用成果见证会。
此项目已安全运行了1年，在此过程中，探索了天然气掺氢工艺、输送过程、掺氢比对管道的腐蚀作用、以及安全监测以及使用过程的整体流程研究，达到全面验证示范氢气“制取-储运-掺混-综合利用”产业链关键技术的目的。
鉴于此项目的理论和实践积累，编制了“天然气掺氢混气站技术规程”团体标准意见稿。为我国天然气掺氢输送技术发展提供了整体设计和工程实现的理论依据和实践经验。
张家口项目。2020年9月，“天然气掺氢关键技术研发及应用示范”项目启动会在张家口市召开，该项目是河北省首个天然气掺氢示范项目，掺氢天然气最终将应用于张家口市的商用用户、民用用户和HCNG汽车，未来预计每年可向张家口市区输送氢气400余万立方米，每年减少150余万立方米天然气用量及3000余吨碳排放量。
目前吉林省白城市、四川省成都市、内蒙古乌海、安徽省六安市等城市的氢能规划中均提及天然气掺氢内容。
三、天然气掺氢燃烧发电案例
近年来，日本三菱日立、美国通用电气、德国西门子能源和意大利安萨尔多能源公司等国际主要燃机厂商，均针对对掺氢燃料用于燃机开展研究、试验和示范应用工作，并已取得一定的技术突破和少量的实际应用经验，也分析指出燃氢电厂在未来电源结构中将起到重要的储能调峰作用。
三菱日立动力系统公司2018年开展了大型氢燃料燃机测试，氢气含量30%的氢燃料测试结果表明，新开发的专有燃烧器可以实现混氢燃料的稳定燃烧，与纯天然气发电相比可减少10%的二氧化碳排放，联合循环发电效率高于63%。西门子能源也致力于提高燃气轮机的燃氢能力。
2019年，西门子能源承诺，将在2030年前实现100%燃氢燃气轮机，并且涵盖从小功率到重型燃气轮机的所有产品组合。
国内积极探索了HCNG汽车、掺氢天然气发电、天然气掺氢内燃机等应用。其中，掺氢天然气发电项目在全球都属于前沿探索领域。
1．荆门绿动电厂掺氢项目
2021年12月23日，国家电投荆门绿动电厂在运燃机，成功实现15%掺氢燃烧改造和运行，机组具备了纯天然气和天然气掺氢两种运行模式的兼容能力。12月26日，改造后的机组接受电网调度，正式投入运行，整体方案可行性得到验证，这标志着国内已掌握一套完整的燃气轮机电站掺氢改造工程设计方案。
国家电投湖北分公司荆门氢混燃机示范项目为改造项目，设计最高掺氢比例为30%。天然气取自原天然气管网，氢气在初始阶段由气体公司经管束车供气，远期考虑铺设氢气管道输送至电厂。因氢气快速的燃烧速度与广泛的自燃温度范围，在燃机中使用掺氢天然气易存在闪回的风险（向后火焰分布到燃烧器中）。
本项目中燃气轮机氢气含量的最大允许变化率限制为±0.5vol%/s，压力保持在燃气轮机允许的限度内。因此对于混气站的掺氢精度、稳定性都有较高要求。本混氢站掺混点位于天然气调压站后。天然气从调压站后管道引出，与氢气经氢气调压撬后管道通过三通进行并气，并气后混合气体进入混合撬进行静态预混，预混后的混合气燃料通入燃气轮机燃料进气主管路。
混氢站主要含卸氢部分、氢气调压部分、混氢部分及控制系统。卸氢部分主要是卸车柱的设计，卸氢压力为4-20MPa，集卸车、吹扫、超压保护于一体，保障安全卸气。调压撬块是将氢气调压至3.2MPa，采用1×100%运行设计，预留吹扫放空功能，并设置紧急切断系统。
混氢部分主要由质量流量计、调节阀、静态混合器等构成，高精度流量计带压力温度补偿，保证氢气、天然气流量的准确性；气动调节阀316材质，在纯氢介质下能够长期抵制氢脆现象，精度控制在1%以内；静态混合器设计异向扰流器，同时保证掺混罐容积，保证混合气的停留时间，提高掺混均匀性。控制系统主要用于保障氢气混合的精度以及整站的安全运行。
天然气根据燃机负荷控制进气流量，氢气管路按照（天然气的流量/70%）×30%（最大）的流量设定值控制阀门开度，天然气流量、氢气流量、混合气的氢浓度与氢气管路的比例调节阀形成闭环控制；混合器下游设置的色谱仪，对混合后的燃料热值和氢气比例进行动态监测，并设定报警，高高报警，氢气比例超限的连锁保护等。
此外，混氢站配备有完善的氮气置换吹扫系统、安防报警系统、安全放散系统，包含紧急切断阀、止回阀、过滤器、安全阀等必要的阀件；放空、排污采用双阀，减少泄漏风险；充分考虑防火间距，保持氢气使用区域的良好通风；所有设备均满足ExZone1IIBT4；氢气管路材质附件满足GB50516、50177等相关规定，避免氢脆。同时，因氢气的焦汤负效应，氢气在减压节流过程中产生一定的温升，本项目根据计算满足燃机对于气体燃料进气温度要求。
2．浙江石化燃气-蒸汽联合循环电站项目
2022年3月，水发派思燃气参与建设的浙江石化燃气-蒸汽联合循环电站项目三台西门子SGT5-2000E机组，先后点火成功。水发派思燃气为电站供应调压站设备，此项目为世界首套天然气与氢气、一氧化碳混合介质调压站。
3．惠州中国首座掺氢燃烧电厂
2021年12月，通用电气（简称GE）宣布，广东省能源集团旗下的惠州大亚湾石化区综合能源站正式向GE及哈电集团订购含两台9HA.01重型燃气轮机的联合循环机组。3月29日，由中国能建广东院设计、广东火电承建的国内首个兼具氢能利用的一体化综合能源示范基地项目惠州大亚湾石化区综合能源站项目进行了第一方混凝土浇筑，标志着项目正式开工。
项目规划建设4×600兆瓦级燃气-蒸汽联合循环热电冷联产机组，本期建设2×600兆瓦9H型燃气-蒸汽联合循环热电冷联产机组，相关机组由哈电通用燃气轮机（秦皇岛）有限公司生产。项目投产后，两台燃机将采用10%（按体积计算）的氢气掺混比例与天然气混合燃烧。
四、示范项目存在的不足
目前，现示范项目均存在一定局限或不足。
首先，大部分项目掺氢研究对象是局部短距离管网，并没有将相关设备尤其是工业设备纳入其中。如德国规定其掺氢上限为10%，当下游管网连接加气站时，掺氢比例下降至2%，现有项目有待完善，试点范围需包含整个管网系统及其运行的工业设备；但目前许多工业设备还无法接受较高的掺氢水平，诸如老式天然气发动机，混氢最高含量2%-10%，燃气轮机极限混氢比例不得超过2%，许多经认证的设备掺氢含量低于5%。
其次，现有掺氢示范项目缺乏更大规模的耐久性试验，包括工业设备的耐久性试验，尤其是在工业应用中，掺氢比例需慎重对待，工业发动机、燃气涡轮机等对氢气较为敏感，其正常运行受氢气浓度影响较大。天然气基础设施较为复杂，管网分为输送管网和配送管网，且运行工况存在差异性，一些示范项目中管网经过升级改造，与现有在役管网存在一定差异，未充分考虑天然气管网服役状况对掺氢比例的影响。
第三，各国管网设计参考标准规范不一，管道承受的掺氢比例存在明显差异。目前示范项目进行的大多是短期应用示范，而材料氢脆损伤是一个缓慢积累的过程，有可能导致掺氢天然气管输系统在短期运行期间未发生明显异常，但这不能确保管道在之后的长期运行期间也不会发生材料失效引发的管道、设备等结构性破坏或气体泄漏、燃烧、爆炸等恶性事故。
因此掺氢之前需对现有天然气管网输送系统进行全面的可行性评估，且可行性评估过程相关因素较多，需综合考虑在役天然气管道及配件、设备、天然气成分、氢分压、地理环境、服役历史等多方面因素的影响，不能一概而论，需逐案分析。
应用示范是掺氢天然气管输系统可行性短期验证的有效途径，但系统全面地开展管道输送掺氢天然气可行性研究仍是掺氢天然气管道输送长期化和规模化发展不可或缺的首要条件。且我国天然气长输管网输送距离长，覆盖范围广，工况差别大，需针对我国国情具体研究掺氢天然气管道输送系统的安全掺氢比例，切不可盲目照搬国外研究成果。
传统的天然气燃气轮机掺入氢气，意味着燃机设备对氢的适应性与掺氢后的安全性均面临挑战。
一是氢燃料的火焰温度比天然气高出近300摄氏度，着火延迟时间比天然气低三倍以上。当燃料中的掺氢比例较高，燃料反应性会发生变化，造成火焰向上移动、燃烧时间过盈等问题，增加氮氧化物排放，并可能使燃烧室超温过热。因此，需要对燃烧室的使用稳定性及废气排放进行测试，重新设计或优化传统燃烧室或燃烧系统。
二是与甲烷相比，氢气具有更高的扩散系数、更低的点火能量以及更宽的爆炸极限，因此一些天然气燃机的常规辅助系统，如通风、气体泄漏检测、管道裂纹检测系统等，对于燃氢燃机的安全使用具有更为重要的意义，需要引起重视。
三是使用氢燃料还面临着与整体安全相关的操作风险。氢火焰的亮度很低，肉眼难以发现，需要专门的氢火焰检测系统；氢气具有比其他气体更强的渗透性，可能不适用于原天然气输送采用的传统密封系统；氢气比甲烷更易燃易爆，相比甲烷而言，氢气的爆炸极限范围宽的多。
因此，氢气泄漏会增加安全风险，需要考虑改变操作程序以及防爆危险区域划分等问题。
