曹 權 王洪建 秦業(yè)美 王 敏

(北京市煤氣熱力工程設計院有限公司，北京 100032)

應對氣候變化是當前全球面臨的共同問題，在21 世紀中葉，全球?qū)崿F(xiàn)碳中和已成為世界各國的共識[1]。氫能是一種來源豐富、綠色低碳、應用廣泛的二次能源，正逐步成為全球能源轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要載體之一，目前氫能已成為許多國家能源轉(zhuǎn)型的戰(zhàn)略選擇[2]。2022 年3 月，國家發(fā)展改革委員會、國家能源局聯(lián)合印發(fā)《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021—2035 年）》，明確氫能是未來國家能源體系的重要組成部分，是用能終端實現(xiàn)綠色低碳轉(zhuǎn)型的重要載體，氫能產(chǎn)業(yè)是戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)和未來產(chǎn)業(yè)重點發(fā)展方向。目前，中國的氫氣產(chǎn)能已經(jīng)達到4.1×108t/a，2022 年，我國氫氣產(chǎn)量為3.3×108t，制氫量位于全球第一[3]。

氫能產(chǎn)業(yè)鏈分為制氫、儲氫、運氫、加氫、用氫等環(huán)節(jié)[4]。氫能的儲運是連接制氫與終端應用的關鍵橋梁，發(fā)展安全、高效、低成本的儲運氫技術是氫能大規(guī)模商業(yè)化發(fā)展的前提[5]。氫氣的儲運成本是制約氫能儲運產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素之一，占氫能整個產(chǎn)業(yè)鏈成本的30%。氫氣的運輸方式主要包括高壓氣態(tài)長管拖車、管道輸氫、低溫液氫罐車、固態(tài)金屬氫化物儲運氫等[6]。目前，我國主要利用長管拖車進行氫氣運輸，由于運輸方式和運力有限，導致運輸氫氣成本高，運輸距離受限[7]。預計到2030 年，中國氫氣年需求量將達3.5×108t，預計到2050 年，氫能在我國終端能源體系中占比至少10%[8]。隨著我國氫氣需求量的增大，管道運輸氫氣要比其他輸送方式更加高效，更加環(huán)保，經(jīng)濟優(yōu)勢更為突出[9-10]。管道輸氫的方式包括利用天然氣管道進行摻氫輸送與純氫管道（新建管道或?qū)F(xiàn)役天然氣管道進行改造）輸氫。

隨著氫能產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，氫氣的規(guī)模化儲運需求將會大幅增加，純氫管道輸氫將成為最高效、最經(jīng)濟的氫氣輸送方式。《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃（2021—2035 年）》提出要統(tǒng)籌推進氫能基礎設施建設，開展純氫管道等試點示范，逐步構(gòu)建高密度、輕量化、低成本、多元化的氫能儲運體系。在氫能產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的背景下，全面統(tǒng)籌并科學推進純氫管道建設對于氫能產(chǎn)業(yè)鏈的全面協(xié)調(diào)發(fā)展具有至關重要的作用。本文給出了純氫管道輸氫各類技術指標，總結(jié)了國內(nèi)外純氫管道的發(fā)展現(xiàn)狀，探討了純氫管道輸氫面臨的技術挑戰(zhàn)與經(jīng)濟性影響因素，提出了我國純氫管道的發(fā)展建議。研究結(jié)果可為能源企業(yè)發(fā)展純氫管道提供技術支持。

1 管道輸氫技術簡介

1.1 技術簡介

純氫管道是指將氣態(tài)氫從制氫站輸送到用氫單位的管道。氫氣從制氫站出來后，將經(jīng)過收集管道進行收集，通過增壓站加壓后進入氫氣長輸管道，輸送到各個末站進行分配，長輸管網(wǎng)輸氫場景如圖1 所示。

圖1 長輸管道輸氫場景圖Fig.1 Scene diagram of long-distance hydrogen transportation pipeline

1.2 評價指標

（1）運行指標

氫氣純度：≥99%[11]；

設計壓力：≤10 MPa（現(xiàn)階段）[12]。

（2）安全指標

爆炸極限：4%～75%[13]；

鋼材等級：選用X42 和X52 等低強度管線鋼[14]。合金材質(zhì)中的C，Mn，P 和S 等元素會使管材的氫脆敏感性顯著上升，氫氣管道的選材一般是鋼級越低越好[12-15]；

此外還需要考慮氫氣對壓縮機、管件、閥門等配套設施的影響[16]。

（3）經(jīng)濟指標

經(jīng)濟距離：相比其他運輸方式，75%～100%負荷率的管道輸氫在所有輸運范圍內(nèi)均最具備經(jīng)濟性。

2 國內(nèi)外純氫管道發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國外純氫管道發(fā)展現(xiàn)狀

美國、法國、德國等發(fā)達國家在純氫管道方面的建設已經(jīng)有了一定的實踐和經(jīng)驗。目前全球范圍內(nèi)氫氣輸送管道總里程超過5000 km。美國是全球輸送氫氣管道最多的國家，其管道總里程達到2720 km。歐洲也在積極發(fā)展氫氣管道，其總長度已經(jīng)達到1770 km。日本、韓國、澳大利亞等地區(qū)氫氣純氫管道總長度大約為190 km。目前全球的純氫管道基本由法國Air Liquide，美國Air Products，美國Praxair 和德國Linde 公司建設。國外代表性的純氫管道情況見表1。

表1 各國代表性純氫管道情況[17-22]Table 1 Overview of representative pure hydrogen pipelines in various countries[17-22]

2022 年5 月，歐洲氫氣主干(European hydrogen backbone，EHB)提出，2030 年前，將在歐洲建立5 個氫氣供應長廊[23]，到2040 年，將建立一個長達53 000 km 的純氫管網(wǎng)，氫氣管網(wǎng)共連接28 個歐洲國家，其中約60%的管道由現(xiàn)役天然氣管道改造而成，其余為新建管道。氫氣管網(wǎng)總投資80～1430 億歐元，當輸氫距離超過1000 km時，氫氣的平均運輸成本為0.11～0.21 歐元/kg。2022 年12 月，西班牙、法國、葡萄牙三國聯(lián)合發(fā)起了H2Med 項目計劃，旨在2025 年開始，在葡萄牙至西班牙修建一條248 km 的陸上氫氣管道，在西班牙至法國修建一條455 km 的海底氫氣管道。國外的純氫管道建設經(jīng)驗和技術不斷積累和提高，為全球氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了基礎設施支持和示范[24]。

2.2 國內(nèi)純氫管道發(fā)展狀況

我國純氫管道建設處于起步階段，規(guī)模較小，現(xiàn)有氫氣輸送管道總里程約為400 km，主要分布在環(huán)渤海灣、長江三角洲等地區(qū)。目前國內(nèi)已建成的純氫管道項目僅3 條，我國自主建設的典型輸氫管道有2 條，分別是2014 年建成投產(chǎn)的中國石化巴陵石化的巴陵—長嶺輸氫管道、2015 年建成投產(chǎn)的中國石化洛陽分公司的濟源—洛陽輸氫管道[25-26]。目前我國規(guī)劃建設的純氫管道總長度超過1400 km。2023 年4 月10 日，中國石化宣布，“西氫東送”輸氫管道示范工程已被納入《石油天然氣“全國一張網(wǎng)”建設實施方案》，標志著我國氫氣長距離輸送管道進入新發(fā)展階段?！拔鳉鋿|送”起于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市，終點位于北京市的燕山石化，管道全長1152 km，是我國首條跨省區(qū)、大規(guī)模、長距離的純氫輸送管道。管道建成后，將用于替代京津冀地區(qū)現(xiàn)有的化石能源制氫及交通用氫，大力緩解我國綠氫供需錯配的問題，對今后我國跨區(qū)域氫氣輸送管網(wǎng)建設具有戰(zhàn)略性的示范引領作用，助力我國能源轉(zhuǎn)型升級[27]。

2023 年6 月25 日，國家管網(wǎng)集團完成了6.3 MPa 管道充氫測試和9.45 MPa 管道爆破測試，本次試驗是國內(nèi)首次對輸氫非金屬管道進行的高壓在線測試，也是國內(nèi)首次對非金屬管道進行高壓純氫爆破試驗。這為我國今后實現(xiàn)大規(guī)模、低成本的遠距離純氫運輸提供了技術支撐。目前我國現(xiàn)有及在建的純氫管道項目如表2 所示。

表2 我國純氫管道項目[25-27]Table 2 Pure hydrogen pipeline project in China[25-27]

2.3 純氫管道標準建設現(xiàn)狀

國外氫氣輸送管道設計建設技術整體比較成熟，我國氫氣輸送管道相關標準基礎薄弱。我國已發(fā)布的國家標準GB50177—2005《氫氣站設計規(guī)范》、GB4962—2008《氫氣使用安全技術規(guī)程》僅適用于供氫站、車間內(nèi)氫氣短距離配送管道，而可用于氫氣輸送管道的標準正在籌備或編制過程中。我國現(xiàn)有氫氣輸送管道基本參照國內(nèi)天然氣輸送管道、工業(yè)管道標準及國外氫氣管道標準（ASME B31.12）設計建造，運行管理也基本按照天然氣輸送管道模式進行。氫氣輸送管道相關標準規(guī)范如表3 所示。

隨著氫能示范工程的建設和相關研究的推進，2021 年起，我國標準建設加快了步伐。國家標準方面，國家能源局下達了2022 年能源領域行業(yè)標準制定計劃，計劃中輸氫管道輸送標準《輸氫管道工程設計規(guī)范》由中國石油天然氣管道工程有限公司主編，適用于純氫及天然氣摻氫管道的新建、改擴建等工程設計。中國石油化工集團有限公司已發(fā)布其企業(yè)標準《氫氣輸送管道工程技術規(guī)范》。同時，由中國市政工程西南設計研究總院有限公司和中國市政工程華北設計研究總院主編的《城鎮(zhèn)民用氫氣輸配系統(tǒng)工程技術規(guī)程》、由北京市公用工程設計監(jiān)理有限公司主編的《氫氣輸送工業(yè)管道技術規(guī)程》、由中國石油天然氣管道工程有限公司主編的《氫氣輸送管道工程設計規(guī)范》和《氫氣管道工程施工技術規(guī)范》等相繼啟動，將助力國內(nèi)輸氫管道標準體系的建設和完善。2022 年7 月，國家管網(wǎng)集團建設項目管理分公司在廊坊發(fā)起創(chuàng)立“氫能輸送發(fā)展創(chuàng)新聯(lián)合體”，該聯(lián)合體創(chuàng)立計劃集合了目前國內(nèi)頂尖的科研院所和綠色能源、氫氣制取、儲運、加注領域的行業(yè)龍頭，包括國家管網(wǎng)集團相關部門、中國石油天然氣管道工程有限公司、清華大學車輛與運載學院、寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院、隆基氫能科技有限公司、液空厚普氫能源裝備有限公司等，致力于為后續(xù)氫氣管道建設項目和標準規(guī)范的推進提供強力保障。

目前我國純氫管道輸送氫氣的國家標準缺失，團體標準與企業(yè)標準正在加速制定。標準制定的難點在于我國相關研究未考慮H2S，CO 和CO2等組分對輸氫的協(xié)同影響，缺少管材在純氫條件下的力學性能基礎數(shù)據(jù)庫，尚未明確運行壓力對管材氫損傷的定量關系，導致純氫管道在標準法規(guī)方面缺少重要支撐[12]。

3 純氫管道輸氫技術研究與經(jīng)濟性分析

3.1 純氫管道輸氫技術研究

純氫管道輸氫進行大規(guī)模商業(yè)化應用，主要面臨關鍵技術（抗氫脆材料、管道設計制造）、相關裝備國產(chǎn)化（壓縮機、流量計等）與標準體系的制定3 方面的挑戰(zhàn)，具體可參見圖2 所示。

圖2 氫氣管道運輸存在的技術挑戰(zhàn)Fig.2 The technological challenges of hydrogen pipeline transportation

3.1.1 氫與材料的相容性

金屬材料與氫氣長期接觸，氫會侵入到材料內(nèi)部，導致金屬材料出現(xiàn)損減、裂紋擴張速度加快和斷裂韌性的下降，從而產(chǎn)生氫脆、滲透和泄漏等風險[9]。氫脆可以分成金屬及合金在氫氣氣氛下塑性變形引起的環(huán)境氫脆，氫被金屬中的缺陷吸收引起的內(nèi)部氫脆，氫與金屬或合金結(jié)合成為金屬氫化物引起的反應性氫脆3 種類型。環(huán)境氫脆從表面發(fā)生，會引起表面裂紋、延展性下降和應力斷裂性能下降。內(nèi)部氫脆從內(nèi)部缺陷開始形成裂紋。反應性氫脆是通過吸收氫氣形成金屬氫化物，分布到金屬母體中而引起的，在溫度高的時候容易產(chǎn)生，一般發(fā)生在焊接受熱部位[28-31]。

現(xiàn)有輸氫管道多采用X42 和X52 等強度較低的管線鋼材，而更高強度的X70，X80 和X90 等常常摻入S，P，Al 和Mn 等極易造成偏析與夾雜的元素，導致氫脆敏感性增強，現(xiàn)階段無法應用于輸氫管道。根據(jù)ASME B31.12 標準，包括ASTM A 106 級B、ASTM A 53 級B 和API 5L級、X42 和X52 在內(nèi)的碳鋼，已被證明適用于壓力高達14 MPa 的純氫管道[32-33]。由于目前尚未形成金屬材料氣相充氫相容性試驗標準，因此管材相容性試驗都以小試樣為研究對象，試驗數(shù)據(jù)呈現(xiàn)分散性，無法準確考慮純氫管道的真實工況。

管道焊縫處具有獨特的金相組織以及冶金缺陷，會更加容易發(fā)生氫脆事故[34]。國內(nèi)外一些學者已經(jīng)開展了系列研究，研究表明氫會降低鐵原子之間的內(nèi)聚力，使焊縫處更容易產(chǎn)生氫致裂紋[35]。目前用于氫管線的鋼的最大硬度大約為22 HRC或250 HB，該硬度極限約為116 ksi（800 MPa）的抗拉強度極限，因此焊縫的最大硬度也應達到22 HRC 或250 HB。此外，由于焊接區(qū)通常較硬，因此比母材更容易發(fā)生脆化，為了達到可接受的焊接區(qū)硬度，需要使用不超過100 ksi（690 MPa）的強度鋼。目前關于氫與焊縫相容性的研究的試驗數(shù)據(jù)量較少，且試驗條件或操作方式不同，導致無法得到準確定量的結(jié)論，需要制定適于在役管線的評估方法[34]。

氫氣密度小，易出現(xiàn)泄漏和滲漏。研究表明球閥和截止閥、凹凸式/榫槽式/梯形槽法蘭有利于防止氫氣泄漏。氫氣管道設計壓力為0.1～10 MPa 時，閥門中的閥桿與閥體宜采用鑄鋼，密封面采用合金鋼或與閥體一致。法蘭密封面型式應選用凹凸式/榫槽式，墊片選擇金屬纏繞式墊片。此外，氫氣管道的螺紋連接處，應采用四氟乙烯薄膜進行填充[36-37]。

綜上，現(xiàn)有金屬管料、焊縫、閥門與密封件等與氫相容性已有相關研究結(jié)果。但對于天然氣管道輸送純氫的評估方法尚處于空白，亟需開展相關研究。

3.1.2 氫氣壓縮機

我國天然氣長輸管道管徑在610 mm 以上，體積流量超過30×108m3/a，一般采用離心式壓縮機。氫氣長輸管道管徑在100～500 mm，體積流量通常小于11×108m3/a，運行壓力通常低于5 MPa。由于氫氣與天然氣的密度不同，采用管道輸送同量的氫氣，其產(chǎn)生的壓縮機功耗是天然氣的3.3 倍，因此氫氣壓縮機需要更高的功率和轉(zhuǎn)速[12]，將天然氣管道改造為純氫管道時，需要更換壓縮機設備。

氫氣壓縮機分為低壓、中壓和高壓壓縮機。低壓壓縮機指輸出壓力小于1.6 MPa 的氫氣壓縮機，經(jīng)常用于上游制氫后的增壓、儲存（如低壓儲氫球罐）；中壓壓縮機指輸出壓力大于或等于1.6 MPa，小于10.0 MPa 的氫氣壓縮機，經(jīng)常用于管道輸氫等場合；高壓壓縮機指輸出壓力大于或等于10.0 MPa 的氫氣壓縮機，通常用于下游高壓儲氫（如高壓儲氫罐）、輸氫（如長管拖車）或用氫（如加氫站）[38]。氫氣長輸管道用壓縮機屬于中壓壓縮機。離心式壓縮機壓縮密度較小的氫氣能耗較高，不宜用來壓縮氫氣。往復式壓縮機具有排氣量及壓力適用范圍廣的特點，基于輸量、壓比等因素考慮，氫氣管道用壓縮機通常采用往復式壓縮機。此外，壓縮機中螺栓、彈簧、鉚釘?shù)攘慵菀装l(fā)生氫脆問題。因此，從熱力學和材料學角度來看，具備高壓耐氫能力的高功率氫氣壓縮機將成為未來的發(fā)展趨勢[39]。

3.2 純氫管道輸氫經(jīng)濟性

氫氣管道運輸?shù)某杀居晒潭ǔ杀竞涂勺兂杀緲?gòu)成。其中固定成本主要包括設備折舊與攤銷、直接維護及管理費，受設計階段管道規(guī)模的影響。可變成本主要包括壓縮電耗與運輸損耗，主要受運行工況即氣體輸送量的影響[39]。由于氫氣與天然氣的密度不同，采用管道輸送同量的氫氣，其產(chǎn)生的壓縮機功耗是天然氣的3.3 倍，用電成本是長輸管網(wǎng)輸氫成本最重要的影響因素之一。管道運氫成本構(gòu)成與運輸距離關系如圖3 所示。

圖3 管道運氫成本構(gòu)成與運輸距離關系[40]Fig.3 Relationship between pipeline hydrogen transportation cost composition and transportation distance[40]

管道作為規(guī)?；瘹錃廨斔偷闹匾绞?，具有運輸體量大、距離遠、能耗損失低、經(jīng)濟高效等多重優(yōu)勢。隨著輸送距離的增加，長管拖車運輸氫氣是成本最高的運輸方式，而管道長距離大輸量運輸氫氣則是成本最低的運輸方式[1]。管道運輸與長管拖車、液罐槽車運輸成本對比如圖4 所示。

圖4 不同儲運技術成本與運輸距離關系[41]Fig.4 A graph showing the cost-distance relationship of several storage and transportation technologies[41]

根據(jù)歐洲氫氣主干的預測，到2040 年，歐洲建成的53 000 km 純氫管網(wǎng)需要投資80 億～143億歐元，其中60%由天然氣管道改造，40%為新建管道。不考慮海底純氫管道，當運輸距離超過1000 km 時，整個純氫管道的平均運輸成本在0.11～0.21 歐元/kg H2[41]。圖5 所示為2040 年歐洲純氫官網(wǎng)預計投資，圖6 為陸上和海底管道運輸成本的比較。

圖5 歐洲純氫管網(wǎng)預計投資和運營成本（2040 年）[42]Fig.5 Projected investment and operating costs for a pure hydrogen pipeline network in Europe (2040)[42]

圖6 歐洲純氫管網(wǎng)陸上管道和海底管道平準化運輸成本比較（歐元/(kg·1000 km)）[42]Fig.6 Comparison of leveling transportation costs between onshore and offshore pipelines in European pure hydrogen pipeline networks（€/(kg·1000 km)）[42]

4 總結(jié)

隨著氫能產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，我國氫氣需求量不斷增大，氫氣的規(guī)模化儲運需求將會大幅增加，純氫管道輸氫將成為最高效、最經(jīng)濟的氫氣輸送方式。本文總結(jié)了純氫管道輸氫技術發(fā)展現(xiàn)狀，對純氫管道輸氫開展了技術性與經(jīng)濟性分析，得到以下結(jié)論。

（1）在建設現(xiàn)狀方面，我國正加快純氫管道的建設與規(guī)劃。目前全球范圍內(nèi)氫氣輸送管道總里程超過5000 km，歐洲規(guī)劃在2040 年建設長達53 000 km 的氫氣管網(wǎng)。我國純氫管道建設處于起步階段，氫氣輸送管道總里程約為400 km，規(guī)劃建設的純氫管道總長度超過1400 km。

（2）在標準方面，我國氫氣輸送管道相關規(guī)范基礎薄弱，正在加快相關標準制定步伐?，F(xiàn)有氫氣長輸管道基本參照油氣輸送管道和工業(yè)管道標準及國外氫氣管道標準（ASME B31.12）設計建造，我國從2021 年起加快純氫管道標準的制定與完善，多項相關標準正在編制中。

（3）在關鍵技術方面，抗氫脆管材、氫氣壓縮機等輸氫關鍵材料和設備需要投入研發(fā)?，F(xiàn)有輸氫管道多采用X42，X52 等強度較低的管線鋼材，運行壓力≤10MPa，氫氣壓縮機采用往復式壓縮機。

（4）在經(jīng)濟性方面，管道長距離大輸量運輸氫氣是未來成本最低的氫氣運輸方式，用電成本是長輸管網(wǎng)輸氫成本最重要的影響因素之一。歐洲氫氣骨干預測歐洲在2040 年建成的純氫管網(wǎng)在運輸距離超過1000 km 時，整個純氫管道的平均運輸成本0.11～0.21 歐元/kg。

我國純氫管道建設尚在起步階段，仍有許多問題亟待解決。我國建設純氫管道不能盲目借鑒國外的參數(shù)，需結(jié)合我國的實際情況，加強產(chǎn)業(yè)的頂層設計和戰(zhàn)略研究、加快相關標準的制定、完善產(chǎn)業(yè)安全監(jiān)管、搭建技術與運營管理體系，推動純氫管道輸氫的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。