氢能具有燃烧性能好、利用率高、零排放、环境污染小等优势，是支撑能源系统低碳转型的重要二次能源。碳中和背景下，我国氢能需求量急剧增长，然而国内氢能资源主要分布在风、光和天然气资源丰富的三北地区，消费市场集中在东部地区，资源市场错位分布。

近期氢能储运主要为区域内就近短途运输，未来中长距离储运需求较大，纯氢或掺氢管道输送是打通制氢和用氢“最后一公里”的关键技术。我国纯氢管道建设起步较晚，氢气长输管道领域的标准体系尚不完善。相比之下，天然气国家基干管网已形成“全国一张网”互联互通格局，储运潜力巨大。参考国外示范工程，利用现有天然气管网输送混氢天然气（HCNG）作为储运环节的过渡阶段具有可行性。

随着新能源装机容量的平稳快速增长，混氢气电综合能源系统（HPIES）成为解决新能源消纳难题的重要手段。该系统以区域电网和天然气输配网络为主体，利用电解水制氢将难以消纳的可再生能源转换为氢能注入天然气管道，从而提升可再生能源利用率。世界范围内已有多个可再生能源电解水制氢-天然气混输项目投运，但掺氢输运技术应用尚不成熟，掺混和输运过程的动态特性研究仍有待完善。

由于涉及异质气体混合，掺氢为综合能源系统研究带来了新的难点：①气体组分受上游注入气体影响，全网范围内气质不均一且分布情况随时空变化；②负荷节点流量边界条件随燃气热值等热力学参数变化改变；③黏度、摩阻系数等水力工况参数变化，导致能流分布与系统运行状态改变；④氢气对管道设备运行工况的影响，为联合系统增加了新的运行约束。计及氢气掺混的气电综合能源系统调度问题更加复杂，需要结合燃气输配工程中的流体力学推导新的能流计算模型，揭示系统运行原理与动态特性，为优化运行提供理论基础。

关于混氢气电综合能源系统的最优能流计算，现有文献已经开展相关研究。

第一类为稳态能流模型，该模型忽略了异质气体注入后的动态特性，在掺氢气网受扰动后长达数十小时的过渡时间内，依靠稳态计算获取的运行状态与实际值差异明显，进而导致优化问题求解结果并非实际最优解，甚至无可行解。除此之外，稳态模型也无法计及管道存储能力，不能够充分挖掘管存灵活性并用于提升系统运行可靠性。

第二类为等效能流模型，该模型将氢气等效为能量相同的天然气，仅关注是否满足负荷节点处能量需求。由于缺少气网不同管道和节点处气质差异的建模，压力、流量和管道存储能力计算结果与实际值存在较大偏差。

向天然气网络中掺氢消纳可再生能源涉及异质气体混合问题，系统特性更为复杂，需要推导新的数学模型，并考虑该过程对系统运行状态和能流分布影响。为解决现有模型一般忽略过渡时间或空间气质差异的问题，强电磁工程与新技术国家重点实验室（华中科技大学）的刘文昕、方家琨、胡可崴等学者，建立了混氢气电综合能源系统的动态最优能流计算模型，以反映掺氢后气网各状态量的时空分布特性，并指导混氢气电综合能源系统优化调度。

图1 混氢气电综合能源系统结构

首先，研究者根据流体动力学原理推导含组分输运方程的混氢天然气动态潮流方程；然后，对非线性偏微分方程组进行线性化重构，并考虑双向能量转换关系，建立混氢气电综合能源系统多时段最优能流模型；最后分别分析小规模、大规模典型算例分析，验证模型有效性。

图2 混氢气电综合能源系统输入数据

与现有模型相比，该模型具有以下特点：①可以计及混氢天然气不同管道、节点间的气质差异；②反映混氢天然气系统的压力、流量、气质的动态变化过程，并揭示掺氢前后气网时间尺度上的差异及其产生原因；③气网动态潮流模型为线性差分模型，具有良好的数学性质，适用于较大规模优化问题。

研究者还分析了掺氢对于气电综合能源系统的影响：①降低能量转换环节损耗，提高能源利用效率；②降低终端用户碳排放；③设备掺氢适应性和异质气体混合导致的管存下降、压力降低等效应影响系统运行域。在进行优化调度时需要计及上述影响。

本工作成果发表在2023年《电工技术学报》增刊1，论文标题为“计及氢气-天然气混输的气电综合能源系统动态最优能流计算”。本课题得到国家自然科学基金和国家重点研发计划的支持。