氫氣長距離管輸技術現狀與探討

楊 靜，王曉霖，李遵照，董經發，馮 燦

(1.中國石油化工股份有限公司 大連石油化工研究院,遼寧大連 116045；2.大連福瑞普科技有限公司,遼寧大連 116045；3.國家石油天然氣管網集團 西南管道有限責任公司，成都 404100)

0 引言

氫能作為一種零碳高效新能源，在世界能源轉型中的應用價值日益凸顯，世界主要發達國家近年紛紛出臺政策大力支持氫能產業發展，美國、日本、歐盟、澳大利亞、韓國等國家和地區相繼制定了氫能發展戰略或規劃[1]。我國作為世界第一產氫大國，兼具氫能大規模利用的供氫條件與用氫市場，氫能產業發展潛力巨大。2016年，國家能源局發布《能源技術革命創新行動計劃(2016—2030年)》，部署“氫能與燃料電池技術創新”任務。中國標準化研究院和全國氫能標準化技術委員會聯合發布《中國氫能產業基礎設施發展藍皮書(2016)》，首次明確我國氫能產業基礎設施在近期(2016—2020年)、中期(2020—2030年)和遠期(2030—2050年)的發展目標和主要任務，其中預計到2030年，我國燃料電池汽車將達200萬輛，屆時將建成3 000 km以上的氫氣長輸管道。2019年3月，氫能首次被寫進我國《政府工作報告》。隨后，各地方政府對氫能產業發展高度重視，陸續出臺各項規劃和發展目標，有力助推氫能產業發展。總體而言，我國已初步形成從基礎研究、應用研究到示范演示的全方位格局，部分區域布局了完整的氫能產業鏈，涵蓋制氫、儲氫、運氫、用氫等4個環節。

氫能儲運作為制氫與用氫之間的紐帶和橋梁，對整個氫能產業鏈的持續發展至關重要。但是，隨著氫能應用市場的不斷擴大，氫能儲運基礎設施的供氫保障問題也將成為制約產業規模化發展的重要因素。面對當前國際氫能產業方興未艾、而我國尚處于開局部署階段的現狀，如何有序推進氫能儲運基礎設施建設、降低氫氣運輸成本、實現氫氣運輸安全，將是保障我國氫能產業健康持續發展的重點工作。

1 國內外氫氣長輸管道發展概況

管道輸送是實現氫能大規模、長距離輸運的重要方式。氣氫長距離管輸已有80余年歷史，美國和歐洲是世界上最早發展氫氣管網的地區。液氫管輸一般用于以液態形式利用的場合，且輸送距離較短，多見于航天領域[2]。隨著氫能產業的規模化發展，氫氣輸送管道規模越來越大。據統計，全球范圍內氫氣輸送管道總里程已超過4 600 km，統計數據見表1[3]。

美國氫氣管道規模最大，總里程達到2 720 km，最大運行壓力5.5～10.3 MPa，基本采用低碳鋼，按照ASME B31.12—2019HydrogenPipingandPipelines設計建造[4]。此外，美國建有全球最大的氫氣供應管網，位于墨西哥灣沿岸，于2012年建設完成，全長600英里(965 km)，連接22個制氫廠，輸氫量達到150萬Nm3/h[5]。

表1 全球氫氣輸送管道統計Tab.1 Statistics of global hydrogen transportation pipelines

我國氫氣輸送系統建設較為滯后，現有氫氣輸送管道總里程僅約400 km，其中包括法國某公司在上海、天津和遼陽建設的輸氫管道。我國自主建設的典型輸氫管道有2條，分別是2014年建成投產的中國石化巴陵石化的巴陵-長嶺輸氫管道，與2015年建成投產的中國石化洛陽分公司的濟源-洛陽輸氫管道，具體參數見表1。

2 國內外氫氣長距離管輸技術現狀

2.1 基礎設施規劃

美國和歐洲針對氫基礎設施轉型(過渡)與系統優化部署開展了大量基礎研究和案例分析工作。由于氫能可以在不同規模上進行生產和運輸，且可以使用不同的原料、生產技術和分配模式，因此氫能供應途徑多樣化，這就導致氫能基礎設施優化部署建模工作較為復雜。早期的模型側重于成本、溫室氣體排放與氫基礎設施組件能耗的量化等，僅解決單路徑或單場景靜態優化問題。隨后，模型進一步擴展為涵蓋生產、輸配與利用等環節的區域性系統優化模型，及考慮基礎設施隨時間演進的動態優化模型，其中部分模型一定程度上融合了空間結構，與地理信息系統(GIS)集成[6-10]。這些研究成果大部分被應用于城市或區域或全國氫基礎設施部署與優化設計案例分析中。比較典型的模型有美國某國家實驗室開發的氫氣輸送場景分析模型HDSAM(Hydrogen Delivery Scenario Analysis Model)，通過氫設施的仿真設計和貼現現金分析估算氫氣平均成本。其中氫氣輸送系統或基礎設施的仿真涉及組件包括壓縮機、儲存罐、氣氫管道拖車、液氫卡車、輸送管道等，輸送環節包括從制氫廠出口至車輛的所有運輸、儲存和調節(壓縮、液化、管輸)等全過程。模型中仿真場景的設定包括市場類型、規模、位置、氫能市場滲透率、交付方式、調峰用儲存方式、加氫站規模等參數[11]。

目前，我國氫能基礎設施規劃建設尚處于初期階段，在國家層面缺乏系統的頂層設計，相關研究文獻的報道很少見。國家能源局最新發布的《中華人民共和國能源法(征求意見稿)》(2020年)明確將氫能納入能源種類，預示著氫能產業發展邁出了重要一步，隨之而來的國家配套法律、規劃、政策等將成為氫能產業發展的重中之重。

2.2 材料與設備

美國針對氫氣管輸系統降本提效方面開展了大量研究工作。一方面試圖開發新型材料如纖維復合材料用于氫氣管輸，通過顯著減少接頭數量，以降低氫氣輸送管道建設成本。為此，美國國家實驗室ORNL和SRNL開展了高壓氫氣條件下纖維復合材料的爆破壓力、材料在氫環境下的相容性、裂紋容差、泄漏率和抗疲勞性等材料性能評估工作；另一方面，針對成熟氫能利用市場下管輸過程存在周期性壓力波動或疲勞荷載這一特點，開展傳統管材如高強鋼的性能表征與評估研究，揭示不同壓力和荷載頻率對管材本體及焊縫的影響規律[12-14]。美國國家標準技術局NIST(National Institute of Standards and Technology)和美國國家實驗室SRNL針對氫氣管道焊縫性能，通過試驗研究氫氣對于縱向焊縫、周向焊縫及其熱影響區的影響規律[14]。此外，NIST通過管材疲勞裂紋擴展試驗，研究氫氣管道高壓輸送以提高管輸效率的可行性，并探討氫氣管道設計規范ASME B31.12修訂的必要性[4]。試驗研究的同時，學者[12]也在研究基于應變的氫脆預測模型，以指導鋼制設備完整性管理實踐的發展及新型鋼制管材的開發。針對氫與材料相容性，世界其他國家也都在積極搭建氫環境原位測試平臺，以便開展高壓氫環境下管材力學性能試驗[15]。

相比天然氣管道而言，壓縮氫氣具有需要更高的壓縮機轉速，對組件可靠性要求高，且氫氣導致潤滑油污染會影響燃料電池性能，氫氣更容易泄漏等情況。同時，為降低氫脆和組件失效風險，氫氣壓縮機用材料往往價格高昂。因此，針對壓縮機功率要求高、運行可靠性低、易產生氫污染、對密封件要求高、造價高等問題開展相關研究，從新型材料、壓縮機結構設計、非機械壓縮技術的應用等方面提出解決方案。目前技術進展主要體現在壓縮機運行優化、特定組件的改良(如膜片的設計和密封件涂料)、新型非機械壓縮技術的開發應用等方面。

我國科研院所和高校針對氫氣對鋼制管材力學性能的影響，開展了理論和試驗研究，并取得了階段性成果。浙江大學利用自主研制的140 MPa高壓氫環境耐久性試驗裝置，對 X70,X80 材料在氫環境和摻氫天然氣環境下的相容性進行了系統評估，建立了國產金屬材料與高壓氫環境相容性數據庫[15-17]。但目前臨氫環境下管材力學性能數據仍極為有限，氫環境與材料相容性數據庫有待進一步完善。

2.3 運行安全保障

美國針對氫氣管輸涉及的氫氣泄漏、風險評估、完整性管理等方面已開展了大量研究工作。由于氫氣管道輸送運行歷史數據有限，美國國家能源局目前正在積極開展安全評價模型和工具的開發等研究工作，為建立國家安全、規范和標準奠定基礎[15-19]。為解決運行與安全數據缺乏問題，美國國家實驗室SNL開展了氫氣泄放、點火及燃燒行為與物理模型、定量風險評價模型等研究開發工作[19]。針對氫氣泄漏問題，各大公司也正在開發氫氣泄漏探測傳感器，并探索光纖傳感器用于氫氣輸送管道機械損傷和大規模泄漏的應用途徑。此外，氫氣管道運行與維修維護等完整性管理相關要求也被納入ASME B31.12標準中。

天然氣管道摻氫作為一種實現氫氣輸送的經濟方式，受到關注，隨之而來的安全運行問題也成為世界各國研究熱點，主要包括天然氣管道材料與氫的相容性、輸送壓力、摻氫比例、對終端用戶的影響等方面。英國健康安全局、國家電網、高校等與法國原子能委員會、殼牌氫能公司聯合開發NaturalHy項目，針對天然氣摻氫輸送過程中的氣體聚集、爆炸及管輸風險開展試驗研究并建立評估模型。美國燃氣技術研究院(Gas Technology Institute，GTI)針對天然氣輸配管道摻氫在腐蝕、材料缺陷、外力損傷、設備失效等方面進行風險評估，結果表明，摻氫導致泄漏風險增加，但配氣干線摻氫量在50%以下時，風險增加并不明顯[21]。

針對現有油氣管道改造用于輸送純氫氣，國外在氫氣泄漏導致設備設施老化、改造管道中的氫污染、管道運行歷史未知條件下的材料氫脆風險評估等方面也開展了相關研究工作。

我國在氫氣泄漏與擴散、燃燒與爆炸、風險評價等方面也開展了大量研究工作，以理論分析和數值模擬為主。浙江大學通過數值模擬分析不同泄漏位置、環境溫度、風速對高壓儲氫罐泄漏擴散的影響[22]。中石油管道局利用 DNV PHAST 軟件對不同程度的管道泄漏事故進行模擬分析，確定天然氣及氫氣管道泄漏后的擴散狀態及影響范圍，得出燃燒爆炸事故對周圍的熱輻射影響距離[23]。雖然國內學者在氫氣或混氫埋地管道泄漏后果方面開展了模擬分析，但針對氫氣管道安全間距方面并未形成定論。

2.4 標準體系建設

國外氫氣長輸管道設計建造技術整體相對成熟，已頒布的標準規范包括壓縮氣體協會(CGA)的CGA G5.6HydrogenPipelineSystems、美國機械工程師協會(ASME)的ASME B31.12HydrogenPipingandPipelines、歐洲工業氣體協會(EIGA)的IGC Doc 121/14HydrogenPipelineSystems、亞洲工業氣體協會(AIGA)的AIGA 033/06HydrogenTransportationPipelines。

其中亞洲AIGA標準完全采標EIGA的IGC標準IGC Doc 121/04，而EIGA的IGC標準與CGA標準在技術內容上完全相同，只是在地方法規要求和格式、編輯上存在差別，一般將CGA標準作為EIGA和CGA所有成員的統一標準。CGA標準適用于輸送純氫氣或氫氣混合物的鋼制輸送管道系統和配送管道系統，對于輸送介質要求溫度范圍在-40～175 ℃之間，管輸壓力為1～21 MPa或不銹鋼管氫氣分壓大于0.2 MPa，氣體組分要求同時滿足：(1)水摩爾分數小于20ppm；(2)CO2摩爾分數小于100ppm；(3)天然氣或惰性氣體處于相平衡狀態；(4)氫氣摩爾分數超過10%，或氫氣摩爾分數低于10%且CO摩爾分數超過200ppm。

ASME B31.12包括通用要求、工業管道和管線3個部分，內容涵蓋工業管道、長輸管道及分輸系統的設計、建造、運行與維護要求，適用于氣氫和液氫輸送管道及氣氫引入管道。其中第3部分(管線)主要針對氫能輸送管道、分輸管道及引入管道涉及的材料、組件、設計、制造、安裝、敷設、檢測、檢驗、試驗、運行和維護等方面提出具體要求，該部分內容不適用于：(1)按照ASME BPVC標準設計建造的壓力容器；(2)溫度超過450℉或低于-80 ℉的管道系統；(3)壓力高于3000 psig(20.67 MPa)的管道系統；(4)水蒸氣含量超過20ppm(1個標準大氣壓下水露點為-67 ℉)的管道系統；(5)氫氣體積分數低于10%的管道系統。

我國與輸氫管道相關的標準主要有GB/T 29729—2013 《氫系統安全的基本要求》、GB/T 34542.1—2017 《氫氣儲存輸送系統 第1部分：通用要求》、GB/T 34542.2—2018 《氫氣儲存輸送系統 第2部分：金屬材料與氫環境相容性試驗方法》、GB/T 34542.3—2018 《氫氣儲存輸送系統 第3部分：金屬材料氫脆敏感度試驗方法》等，尚未建立輸氫管道設計與運行標準規范。

3 我國氫氣長距離管輸技術探討

面對日益擴大的氫能產業市場，管道輸氫將成為氫氣大規模、長距離輸運經濟有效的方式。目前純氫輸送管道大多采用低強度鋼材，輸送壓力有限，管道壁厚大，導致輸送效率低且建設投資成本高。另外，我國純氫輸送管道基本參照油氣輸送管道和工業管道標準及國外氫氣管道標準(ASME B31.12)設計建造[24-26]，運行管理一般也按照油氣長輸管道模式，但氫氣與天然氣存在較大差別，天然氣管道建設與運行管理經驗不能完全適用于氫氣輸送管道。結合我國氫能發展現狀，從網絡布局、材料、工藝與安全方面提出氫氣長距離管輸技術方向。

(1)長距離供氫網絡規劃與優化。

針對我國氫能產業發展現狀及趨勢，研究“制氫-儲/運氫-用氫”一體化優化模型，形成長距離輸氫管道/網絡布局優化方法和規劃策略，基于氫能與其他能源利用行業的深度融合，規劃部署區域性/全國性供氫網絡，促進氫能產業鏈的協調可持續發展。

(2)純氫氣體輸送高強度管材及焊接技術。

針對純氫輸送管道鋼氫損傷問題，研究純氫輸送管材本體及焊縫失效機理，揭示高壓力條件下氫氣對不同等級管材及焊縫的損傷規律，建立純氫輸送管材及焊接性能指標要求與測試評價方法，提出純氫輸送管道失效控制方法。

(3)氫氣長距離管輸工藝及安全保障技術。

研究氫氣長距離管道輸送工藝計算模型，建立氫氣管道站場工藝流程及管輸工藝，提出大規模儲氫-長距離輸氫-供氫的一體化工藝方案；研究氫氣壓縮機運行特性及氫氣儲運系統能耗指標，建立氫氣大規模存儲與調配優化方法；研究氫氣泄漏擴散與事故演化規律，建立氫氣管道、站場設備定量風險評價方法、完整性檢測評價與失效評估方法，提出泄漏監測與防護、應急處置與保障策略，形成氫氣管輸及儲存系統安全保障成套技術。

(4)氫氣長距離管輸標準體系。

針對我國氫氣管輸尚缺乏專業標準的問題，研究建立長距離氫氣輸送管道設計、建造、運行與管理系列標準，健全氫氣管輸標準體系，促進技術進步與氫能產業發展。

在當前我國氫能產業呈爆發式發展背景下，新建管道輸送純氫顯然不是一蹴而就的事，如何快速實現氫氣的經濟運輸并保證安全性，是目前亟待解決的問題。針對氫氣長距離輸送可能遇到的技術問題，提出以下建議供參考。

(1)探索氫氣與天然氣混合輸送方案。利用天然氣管道輸送氫氣是未來管輸氫氣的重要途徑，目前兩種氣體摻混輸送已有較多研究，但氫氣與天然氣順序輸送未見報道。考慮氣體分離成本，不妨對順序輸送可行性進行探索。管輸壓力下氣體擴散性較強，勢必會產生大量氫氣和天然氣混合氣體，可借鑒成品油順序輸送與混油處理成功經驗，切實提高輸送效率。

(2)探索氫氣能量計量方案。氫氣能量密度低，僅為天然氣的1/3，因此相同輸送壓力下摻氫會降低管道輸送效率，且總氣體需求量增大，就當前流量計量方式而言，經濟性較差。目前我國正在大力推廣天然氣能量計量方式，可借鑒天然氣能量計量設施改造成果，探索研究氫氣能量計量的解決方案。

(3)研究輸氫管道潛在影響區域。高后果區管理已成為管道完整性管理重要內容，借鑒天然氣管道爆炸時潛在影響區域，研究氫氣泄漏、集聚、燃燒、爆炸等的演化規律，分析輸氫管道影響范圍，以此明確高后果重點管理區域，保障輸氫安全性。

4 結論與建議

目前我國氫能產業化發展雖已初具雛形，在制氫與用氫關鍵技術上取得一定突破，部分區域也實現了小規模全產業鏈應用示范，但仍存在一定技術短板和難點尚未突破，尤其是氫能的大規模儲運技術，與國際發達國家相比還有較大差距。

(1)有序推進氫氣長輸管道建設，重視戰略性統籌規劃。建議從國家層面研究制定氫能戰略與產業政策，基于制氫、儲運、用氫一體化模式，因地制宜有序推進氫能基礎設施建設，尤其是氫氣長距離輸運設施，整合氫能產業鏈資源，避免造成資本浪費。

(2)注重核心技術與關鍵裝備研發，解決“卡脖子”問題。目前從國際形勢來看，新建氫氣長輸管道成本高昂，主要體現在管道材料、壓縮機等關鍵設備及現場焊接等人工成本上，因此促進核心技術與關鍵設備的國產化，大幅度降低建設運營維護成本，是助推氫能產業化、規模化的重要基礎。

(3)加快完善氫氣管輸標準體系，加強標準實施與監督。氫氣相比天然氣具有質量輕、易泄漏、易燃易爆、易致材料損傷等特點，因而在管道材料、設計建造、運行工藝、安全管理等方面與天然氣管道存在較大差別，而目前我國氫氣長輸管道相關規范嚴重滯后，亟需完善相關技術標準體系。

(4)新建氫氣長輸管道成本高、周期長，難以適應當前高速發展的氫能產業需求，不妨將天然氣管道摻混氫氣輸送作為中短期內氫氣長距離輸送的有效途徑。