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管道運(yùn)輸是氫氣大規(guī)模、長距離運(yùn)輸?shù)囊环N必不可少的方式。相比于長管拖車150km的經(jīng)濟(jì)半徑，管道輸氫可以輕松實(shí)現(xiàn)200km以上的氫氣運(yùn)輸，液氫運(yùn)輸?shù)妮敋淞恳策h(yuǎn)小于管道輸氫。一般情況下，純氫管道可以實(shí)現(xiàn)100噸/天的輸氫量，可以高效迅速滿足下游氫端產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用。

輸氫管道的特殊性“氫脆”現(xiàn)象

氫氣是一種極小的氣體分子，無色無味，與天然氣相比密度小，擴(kuò)散系數(shù)大。一般氣體運(yùn)輸管道長期接觸氫氣，氫氣便擴(kuò)散到金屬內(nèi)部，尤其是進(jìn)入金屬材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷的氫將難以再擴(kuò)散出來。管道材料由于“吸氫”或“氫滲”會(huì)造成金屬材料塑性和強(qiáng)度降低進(jìn)而導(dǎo)致材料開裂，機(jī)械性能嚴(yán)重退化發(fā)生脆斷的現(xiàn)象，即“氫脆”現(xiàn)象。

若管道破裂，氫氣泄漏后很難發(fā)現(xiàn)，在受限或半受限空間內(nèi)易發(fā)生積聚，延遲點(diǎn)燃后產(chǎn)生氫氣云爆炸，引發(fā)爆燃爆轟。

安全是氫能產(chǎn)業(yè)鏈中最重要的環(huán)節(jié)。所以，氫氣管道用材在合金元素、鋼級(jí)、管型、操作壓力等方面需要比一般的管道多花費(fèi)些心思。

輸氫管道：鋼制輸氫壓力管道和復(fù)合材料輸氫壓力管道

管道輸氫的初始投資大，建設(shè)成本高，其成本主要在于特殊的管道材質(zhì)及工程開支。

天然氣管道常用管型有直縫埋弧焊管、螺旋縫埋弧焊管、高頻電阻焊管及無縫鋼管，碳、錳、硫、磷、鉻等元素在合金中會(huì)增強(qiáng)“氫脆”現(xiàn)象的發(fā)生，所以運(yùn)輸氫氣不能直接采用天然氣長輸管道標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)和建設(shè)。同時(shí)，氫氣壓力越高、材料的強(qiáng)度越高，氫脆和氫致開裂現(xiàn)象就越明顯，所以氫氣管道優(yōu)先選擇“低鋼級(jí)”鋼管。

氫氣管道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)ASME B31.12-2014，在API SPEC 5L中限定了幾種可用于氫氣管道的鋼材類型，且推薦采用X42，X52鋼管，禁止使用爐焊管。

該標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定可用于氫氣管道的管線鋼材料類型及其最大許用壓力等參數(shù)如下表所示。

氫氣管道的設(shè)計(jì)壓力和直徑均小于天然氣管道。

表2 氫氣管道與天然氣管道建設(shè)現(xiàn)狀對(duì)比

純氫管道的初始建設(shè)開支大，且需要時(shí)間成本。長距離運(yùn)輸?shù)臍錃夤艿赖脑靸r(jià)約為63萬美元/km，而天然氣管道的造價(jià)約為25萬美元/km，所以氫氣管道的造價(jià)約為天然氣管道的2.5倍。

我國棄光、棄風(fēng)、棄水、現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致可再生能源的利用率低下。通過大規(guī)模的可再生能源制氫，并將氫以一定比例摻入天然氣，再利用現(xiàn)有的天然氣管網(wǎng)輸送，可以有效解決大規(guī)模可再生能源的消納問題。

短期內(nèi)天然氣管道摻氫可以有效降低碳排放，減少化石能源的消耗，同時(shí)也是純氫管道未打破技術(shù)壁壘前的經(jīng)濟(jì)實(shí)惠之舉。不過，在應(yīng)用現(xiàn)有天然氣管網(wǎng)設(shè)施輸送氫氣及天然氣管道轉(zhuǎn)變?yōu)闅錃夤艿罆r(shí)需要重點(diǎn)考慮氫脆、低溫性能轉(zhuǎn)變、超低溫性能轉(zhuǎn)變等問題。

管道輸氫關(guān)鍵技術(shù)

最新研究發(fā)現(xiàn)，天然氣管網(wǎng)摻氫對(duì)常用的材料X70、X80、X52的抗拉強(qiáng)度影響是不大的，但是會(huì)導(dǎo)致材料的韌性斷裂性能和疲勞性能下降。

不同摻氫比例對(duì)現(xiàn)有管道的影響，最經(jīng)濟(jì)的摻氫比例，氫脆對(duì)管道使用壽命的影響和輸氫管網(wǎng)與分布式能源管理模式等關(guān)鍵技術(shù)問題尚須探索。


另外，我們國內(nèi)到目前為止還沒有完整的氫能管道輸送的標(biāo)準(zhǔn)，只是在一些相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)里給出要求。



為降低氫氣管道的材料成本，國內(nèi)正在加速研究天然氣管道摻氫、純氫輸送等相關(guān)技術(shù)。2021年年底，內(nèi)蒙古自治區(qū)重大科技專項(xiàng)“中低壓純氫與摻氫燃?xì)夤艿垒斔图捌鋺?yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)”項(xiàng)目落戶通遼，該項(xiàng)目由通遼市隆圣峰天然氣有限公司牽頭，聯(lián)合清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、中國石油管道工程有限公司、中國石油規(guī)劃總院等9家高校及企業(yè)，開展純氫/摻氫天然氣管道及輸送的關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)。

全國氫氣及摻氫管道分布情況

我國天然氣摻氫尚處在示范研究階段。

我國首次主干線（陜煤線）的摻氫線路全長97km，摻氫比例5%，一期計(jì)劃輸量4.2萬噸/年，二期規(guī)劃11.7萬噸/年。另外，國家電投在遼寧朝陽的天燃?xì)夤艿罁綒涫痉俄?xiàng)目已安全運(yùn)行一年有余，此項(xiàng)目是利用燕山湖發(fā)電公司的10Nm3/h堿液電解制氫，但氫氣是經(jīng)壓縮瓶儲(chǔ)后通過集裝箱式貨車運(yùn)至摻氫地點(diǎn)，摻氫比例10%。

據(jù)香橙會(huì)研究院調(diào)查，目前的天然氣摻氫比例在2%~20%，其中20%是實(shí)驗(yàn)室的理論值，實(shí)際工程中摻氫比例通常低于5%。

據(jù)香橙會(huì)研究院統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前全國氫氣及摻氫管道分布情況如下圖所示。


現(xiàn)階段我國的輸氫管道主要由中國石油、中國石化、國家電投及他們的子公司承建，都是一些大型國企負(fù)責(zé)，市場(chǎng)集中度很高?？傮w來看，我國氫氣運(yùn)輸管道主要分布在北部，天然氣摻氫管道也主要分布在北部地區(qū)。這與我國北方的煤炭工業(yè)緊密相連，因?yàn)楫?dāng)前主要的氫氣來源于工業(yè)副產(chǎn)氫。我國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展較發(fā)達(dá)地區(qū)位于東部沿海，氫氣需求量大的地區(qū)和氫氣資源豐富地區(qū)錯(cuò)位。所以，建立多點(diǎn)供應(yīng)的氫能管網(wǎng)是解決我國當(dāng)前氫能行業(yè)“痛點(diǎn)”的一大方案。

2021年7月20號(hào)，國家管網(wǎng)集團(tuán)建設(shè)項(xiàng)目管理分公司在廊坊組織召開了“氫能輸送發(fā)展創(chuàng)新聯(lián)合體研討會(huì)”，發(fā)起創(chuàng)立了“氫能輸送發(fā)展創(chuàng)新聯(lián)合體”。國家管網(wǎng)集團(tuán)建設(shè)項(xiàng)目管理分公司是國家管網(wǎng)集團(tuán)成立的第一個(gè)專門負(fù)責(zé)工程建設(shè)的專業(yè)化公司，該公司將根據(jù)國家管網(wǎng)集團(tuán)的安排負(fù)責(zé)建設(shè)純氫管道及摻氫管道。

美歐是世界上最早發(fā)展氫氣管網(wǎng)的地區(qū)。全球范圍內(nèi)純氫的輸氫管道為5000km左右，其中美國有2700km，歐洲有1600km，中國僅有約400公里（包括規(guī)劃和在建），年輸氫量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于歐美。此外，加拿大氫氣輸送管道長度約150km，日本、韓國、越南、澳大利亞、荷蘭、巴西、泰國、印度尼西亞、南非等其他地區(qū)的氫氣管道總長度大約為190km。管道輸氫技術(shù)走在最前端的是美國，其輸氫管道最高運(yùn)行壓力范圍有5.5~10.3兆帕，在墨西哥灣沿岸有1000km左右的管線。

展望

在今年的歐洲氫能大會(huì)上，世界各國業(yè)內(nèi)人士均認(rèn)為中國是綠氫的重要市場(chǎng)和供應(yīng)地區(qū)。未來幾十年內(nèi)全世界對(duì)輸氫管道的需求量會(huì)出現(xiàn)大幅增長。今年2月份國家發(fā)展改革委、國家能源局發(fā)布了《關(guān)于完善能源綠色低碳轉(zhuǎn)型體制機(jī)制和政策措施的意見》，我國政府正積極規(guī)劃、出臺(tái)財(cái)政補(bǔ)貼政策加快布局輸氫/摻氫管道的研究及建設(shè)。

據(jù)《中國氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展藍(lán)皮書》，2030年我國氫氣管道將達(dá)到3000公里。隨著未來管道輸氫的關(guān)鍵技術(shù)問題逐漸攻破，氫氣運(yùn)輸網(wǎng)管逐漸完善，屆時(shí)氫氣輸送成本將低于其它化石能源，氫能產(chǎn)業(yè)將迎來它的黃金時(shí)代。

原標(biāo)題：我國管道輸氫分布地圖