1.深圳市燃气集团股份有限公司；2.深圳市燃气输配及高效利用工程技术研究中心

　　城镇燃气行业以城镇天然气输配为主营业务，面临着如何发展新技术和基于现有产业基础合理布局的问题，一方面要满足未来10～20 年内天然气快速增长下的安全、稳定、高效供气需求，另一方面要应对未来30～40 年能源行业深度脱碳转型发展要求带来的挑战与机遇。基于此，简要回顾了城镇燃气行业的发展历程，剖析了当前行业痛点问题，展望了未来城镇燃气行业的发展趋势和关键技术方向燃气，以期为未来城镇燃气行业的发展提供参考。

　　燃气进入中国民用、商用能源领域，已有150 余年的历史。早期燃气仅针对个别城市用户，后期随着基础设施的完善、安全运行技术水平和产量的提高，使用范围已从城市向城镇延伸，城镇燃气行业也从服务少数人向城市基本公共服务转型。根据中华人民共和国住房和城乡建设部《2020 年中国城市建设统计年鉴》，中国城镇燃气普及率已由1981 年的11.6%增至2020年的97.9%，用气人口从1980 年的80×104 人增至41 302×104 人（图1）。

　　在气源方面，早期的燃气以人工煤气为主，在用气能力和安全性方面均存在一定问题。后期随着西气东输管道的投产，燃气用气人口和消费总量呈现指数型增长，用气规模显著提升，城镇燃气行业也迎来发展黄金期，逐渐形成了以天然气为主、液化石油气为辅的供应格局，人工煤气基本退出历史舞台，气源供给更加清洁、低碳、高效[6-7]。同时，随着能源供给侧结构性改革不断推进，国家管网已大体成型，越来越多的省级管网融入国家管网[8]，油气供应主体持续增加，燃气资源供应能力不断增强，城镇燃气企业也将有更多清洁稳定的气源可供选择。

　　目前，中国燃气生产及供应企业数量逾2 000 家，规模体量不一、经营状况各异，经过多年发展，形成了以华润燃气、昆仑能源、中华煤气、新奥能源、中国燃气为代表的5 家全国性大型燃气企业，以北京燃气、上海燃气、深圳燃气等为代表的地方性燃气企业[9]。2020 年，中国5 大燃气企业零售气量约1 435×108m3，占全国天然气消费量的41.2%，稳稳占据行业头部位置。由于近年来城镇化进程放缓、产业结构优化升级以及行业政策等多因素的影响，城镇燃气企业经营状况逐步分化，中大型燃气企业不断扩张版图、加快并购速度，头部燃气企业的市场份额进一步增加，行业进入集团化规模化时代，集中度逐步提升。

　　在深耕传统业务的同时，城镇燃气企业也积极谋求产业升级转型：①产业链逐步向上游延伸[10]，布局LNG 液化厂、LNG 接收站、国际LNG 贸易以及省级天然气管网等，以提高燃气稳定供应能力；②在下游充分发挥用户优势，开发增值业务，打造新的利润增长点；③积极进军新能源领域，投资光伏、氢能、生物质能项目。

　　随着新一代信息技术的快速发展，城镇燃气行业在提高运营效率方面有了新的途径，智慧化转型成为了行业发展趋势。智慧化转型包含信息化、数字化、智慧化3 个阶段。目前，中国大部分城镇燃气企业已初步完成信息化，实现了将燃气相关生产端的关键指标进行量化处理的过程；部分城镇燃气企业完成了数字化建设，通过建设专业化基础信息系统，实现了数据的集成共享；个别城镇燃气企业启动了智慧化建设工作，拟通过大数据、云计算等技术，构建智能决策、响应底层模型，实现对燃气生产运行、全生命周期管网设施管理、智能调度、生产可视化监控预警、运输全程监控调度、燃气信息决策门户等的智能化。

　　随着能源转型的提速，燃气技术也在发展中不断创新和完善。从气源端看，LNG 接收站、储备库等基础设施日益完善，极大程度地提高了城镇天然气的应急储备能力；同时，生物天然气、氢能利用等新兴产业技术蓬勃发展，也丰富了气源构成。从输配端看，城镇燃气输配系统逐渐从传统的、单一的管理模式向全过程、全方位、智能化的管理模式转变[11-12]，无人值守场站、智能化燃气调度系统、应急管理辅助决策系统等技术同时也在助力着燃气企业生产管理提质增效。从应用端看，民用和商用领域产品设备燃气燃烧技术和燃气安全技术不断更新迭代，工业用气领域在保障燃气安全供应、提升燃气气质、燃烧节能降耗等方面的技术不断成熟；同时，燃气的应用也不再局限于燃烧、发电等方式，多样化的天然气高效利用技术正在不断丰富燃气利用方式和应用场景。

　　（1）现阶段，城镇燃气行业运营仍以人工为主，抢维修、巡查、巡检、客服等环节需投入大量人力，企业运营成本居高不下。同时，随着城镇燃气信息化、数字化转型的深入，城镇燃气企业积累了海量基础运营数据，但由于缺乏有效的分析手段，这些数据并未得到合理的应用。

　　（2）城镇燃气基础设施经过长期的运营，设备老化、检维修难度大、设备管道基础与历史数据缺失等问题日益突出，燃气安全事故进入了高发期。而现阶段，行业内尚未建立起完善、科学的安全管理体系。

　　（3）现阶段天然气利用技术仍以燃烧和发电为主，以天然气为主的多能互补、综合能源等技术因为经济性、效率等问题，商业推广举步维艰。同时，天然气使用过程有一定的碳排放量，如何实现天然气脱碳，构建以天然气为核心的“近零碳”能源网络，应对能源革命发展要求，是城镇燃气企业亟需聚焦和思考的重大课题。

　　智慧燃气指利用新一代信息技术，结合燃气行业特征，通过智能设备和物联网，全面感知企业生产、环境、状态等信息的全方位变化，对海量感知数据进行传输、存储及处理，实现对数据的智能分析，从而达到“智慧化”的状态[13]。该技术以更加精准、动态的方式辅助燃气企业的生产、经营、服务及管理等环节，提高企业运作效率，降低人工成本，规范生产运营中的各个环节，降低事故发生的可能性和严重程度。智慧燃气建设的技术路线为：基于城市信息模型（City Information Modeling，CIM）+BIM 技术，在“智慧城市数据底座”上叠加燃气业务数据，构建“智慧燃气数据底座”。在此基础上，研发构建管道安全管理、燃气事故应急处置、异常用气行为分析等智慧燃气应用场景，其关键核心内容分为底层数据库的建立（感知层）、实时数据画面的传输（传输层）、数据的分析处理（中心大脑）以及结果应用（智慧场景）4 个环节。智慧燃气是一个系统工程，基于标准体系和政策体系，分为感知层、传输层、应用层3 个层面（图2）。

　　目前中国正处于燃气管道的高峰发展期，然而，随着燃气管道投运时间的增长，“老龄化”趋势日益凸显，燃气行业事故频发。据《全国燃气事故分析报告（2020）》[16]披露：2020 年全国（不含港澳台）共发生燃气事故615 起，造成了92 人死亡，560 人受伤。因此，及时准确地掌握燃气管道的运行状态，对管道做出科学性的安全评价，降低管道失效风险，减少管道维修次数，有效防止相关安全事故发生，保障燃气管道安全运行显得尤为重要。

　　完整性管理是石油天然气行业内广泛认可的一种管道安全管理模式。长输管道完整性管理上的相关技术已非常成熟，但城镇燃气管道由于敷设环境、管径尺寸及运行压力等方面存在较大差异，其完整性管理不能完全照搬长输管道完整性管理的技术、体系及流程，需要针对城镇燃气管道特点，开展针对性研究[17]。

　　有效开展城镇燃气管道完整性管理活动，必须建立相应的管理体系。燃气管道的时间跨度长，运行时间至少在数十年以上，在其长期服役过程中，城市建设影响管道安全的因素不断变化并可能滋生新的影响因素，需要建立全生命周期的安全保障体系；燃气管道及其周边设施的建设和管理可能分属数十个单位，统筹管理上存在较大难度，如何完善燃气管道企业已有的管道完整性管理体系，覆盖管道的全生命周期，协调燃气管道与周边建（构）筑物的关系，将城镇燃气管道完整性管理（图4）纳入整个城市的公共安全管理体系，是城市建设发展过程中必须解决的关键问题。

　　能源革命发展的最终目标是降碳，减少化石能源的使用，对城镇燃气企业而言，要实现生存和发展转型，需基于已有的天然气输配基础设施、安全运营经验及用户资源，把握未来10~20 年天然气发展的黄金时期，打造基于城镇燃气的“近零碳”能源生态系统（图5）。

　　基于城镇燃气的“近零碳”能源生态系统构建的思路即是“开源节流”：①通过天然气高效利用、碳捕集等技术，不仅能降低天然气利用过程中的碳排放，还可充分发挥天然气稳定的特点，利用已有的燃气基础设施，保证能源的稳定供应；②发展可再生能源、氢能等“近零碳”能源，配合储能技术，不仅能进一步降低整体碳排放，还可为城镇燃气企业向综合能源运营商转型发展奠定基础。构建基于城镇燃气的“近零碳”能源生态系统，涉及燃气、电力、化工、储能等行业，技术体系较为复杂，在此，仅探讨两项关键技术。

　　天然气高效利用技术一方面指通过科学路径，如多能转化输出、电化学方法等，提高天然气的能源利用率；另一方面是指基于天然气构建多能互补能源系统，通过协同互补，提高天然气的利用率。

　　（1）无论通过哪种途径，其核心问题是3 个“匹配”问题：①天然气与光伏、电能、生物质能等能源的匹配问题，需构建科学的系统运行模式和商业模式，充分发挥各种能源的优势。

　　②系统各模块能量的匹配问题。天然气转化为可输出能量的过程中，各环节的能量如何合理匹配，如何合理利用废弃的能量，降低转化过程的能量损耗。③输出能量与用户的匹配问题。为降低能量储存过程的损耗，需对用户的用能需求进行科学分析。某燃气公司针对酒店、医院等中小型用户，自主研发、定制了气电互补分布式天然气供冷装置（图6），该装置以“气电互补、削峰平谷、智能调控、小型撬装”为研发理念，解决了现阶段传统的以天然气为能源的制冷机组效率低、经济性差等问题。

　　（2）天然气高效利用系统中能源的种类和能量的输出方式复杂多样。同时，由于天然气高效利用一般针对中小型用户，其用能习惯波动大、用能不连续等现象均会给系统的稳定性和运行效率带来影响，这一现象会随着装置规模的降低、装置能源和能量种类的增加而愈发明显。需对其进行系统的研究，一是通过优化系统设计，避免不同模块之间的冲突；二是采用先进的控制技术，降低系统响应时间；三是通过大数据分析，提前对系统工况和用户需求进行预判。

　　（3）天然气高效利用系统如能实现准确的自动化控制与智能无人化管理，其在经济性方面的竞争力将得到大大提高。

　　（4）现有的天然气分布式发电装置的发电效率普遍低于33%，较新型的固体氧化物燃料电池（SolidOxide Fuel Cell，SOFC）发电技术（发电效率普遍高于50%）相比，存在着难以消除的差距。但SOFC 也面临着长时间稳定性差、不能满足随启随停需求以及成本较高等问题[18-19]。

　　天然气管道掺氢是指利用现有的天然气管道输送掺有一定量氢气的掺氢天然气。天然气管道掺氢输送的优势有：①用氢替代部分天然气，可降低碳排放；②用工业副产氢作为燃气的组成部分，可丰富气源，保障国家能源安全；③利用现有的燃气管道解决氢气的大规模运输问题，可降低氢气的储运成本；④对于城镇燃气企业而言，掺氢可以调整热值，增加售气量，提高企业经济效益；⑤可解决氢气作为风电、光电储能介质时的大规模储运问题，推进风电、光电的发展。

　　氢气的物理性质与天然气相差较大，因此，天然气管道掺氢还面临着一系列的难点问题：

　　（1）氢气的分子量小、难压缩、易扩散，还易发生氢脆、氢腐蚀等现象[20]，常用天然气管材、零部件、调压设备、焊缝、连接件、终端燃器具等设备是否适用于掺氢天然气还需进行系统科学的论证实验。

　　（2）各城市的实际情况差异较大，无法直接利用已有的研究成果。掺氢天然气技术是“改造”，不是“新建”。管道掺氢更多是针对已有燃气管网系统进行掺氢，各城市管道系统的实际情况差异较大，如管材、管龄、压力、周边环境、腐蚀情况等。因此，在掺氢前，需要对已有管网进行有针对性的研究和评估。同时，即便是新建管道系统，各城市管道的土壤腐蚀情况、杂散电流情况、管廊/穿山隧道、超高层用气情况均不同，无法直接套用已有的研究成果。

　　（3）掺氢天然气的热值、密度会发生改变，进而影响整个管道系统的调度能力和储气能力，需构建科学的数学模型，在保证用户用气的基础上，综合考虑掺氢对天然气管道水力特性、离心压缩机和调压器的运行特性、系统输气能力等的影响规律，进而有针对性地确定保证管网输气量的最佳掺氢比例。

　　（4）氢气与天然气密度相差较大，而城镇燃气管道输配系统存在大量的“盲肠段”，同时，用户用气具有一定的阶段性，掺氢天然气在超高楼层立管、大管径高压/次高压燃气调峰电厂入口端、管道系统中的“盲肠段”等场景中长时间停留，是否会发生掺混不均匀现象，进而导致用气安全隐患是亟需论证的问题。

　　（5）氢气极易扩散，掺氢天然气泄漏后的扩散规律也将有所变化，城镇燃气行业已形成的燃气安全管理标准、应急管理措施等需适时调整，综合考虑掺氢比、泄漏孔径、风速、泄漏量等影响因素，研究掺氢天然气的泄漏扩散规律，确定其扩散状态和影响范围，形成适用于各种应用场景下的风险评价体系，为城镇燃气安全管控提供支持。

　　回顾了城镇燃气行业发展的历史进程，分析了行业的痛点问题，并在此基础上，指出了未来若干关键技术方向，得出以下结论：

　　（1）城镇燃气行业的供气格局趋向低碳化、多元化，市场格局呈现集团化、规模化，运营模式日益智慧化、高效化，技术系统逐渐科学化、完善化。

　　（2）现阶段，城镇燃气行业面临的痛点问题主要包括：智慧化程度不够，企业运营效率有待提高；安全问题日益突出，安全体系尚未完善；天然气本身的脱碳问题和燃气在未来能源体系中的定位问题。

　　（3）围绕智慧燃气关键技术，构建了逻辑框图，阐明了“基于CIM+BIM 技术，构建‘智慧燃气数据底座’，研究核心算法，开发管道安全管理、燃气事故应急、异常用气行为分析等应用场景”的发展思路，同时围绕感知层、传输层及应用层建设中的关键难题进行了分析。

　　（4）围绕燃气安全关键技术，提出了基于完整性管理的城镇燃气安全管理体系，指出需构建输配系统数字化模型、建设失效数据库等核心问题。

　　（5）围绕燃气脱碳，构建了基于城镇燃气的“近零碳”能源生态系统，围绕天然气高效利用、天然气管道掺氢等前沿技术面临的经济性、安全性等问题，提出了解决途径和思路。