隨著可再生能源利用技術(shù)和裝備的持續(xù)突破與迭代，可再生電力成本持續(xù)下降，促進(jìn)可再生能源制氫(簡稱“綠氫”)成本不斷下降，綠氫經(jīng)濟(jì)性的持續(xù)優(yōu)化推動(dòng)各領(lǐng)域綠氫應(yīng)用需求快速擴(kuò)大。據(jù)中國產(chǎn)業(yè)發(fā)展促進(jìn)會(huì)氫能分會(huì)觀察分析，巨大的應(yīng)用潛力將帶動(dòng)綠氫長距離大規(guī)模運(yùn)輸需求日趨強(qiáng)烈，低成本穩(wěn)定的大規(guī)模氫儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)已成為決定綠氫規(guī)模化應(yīng)用進(jìn)程的關(guān)鍵因素之一。
管道輸氫是氫氣跨地域長距離運(yùn)輸?shù)挠行緩剑晟频妮敋涔艿谰W(wǎng)絡(luò)是破除綠氫消納瓶頸，實(shí)現(xiàn)可再生能源跨地域調(diào)配的必要支撐。據(jù)中國產(chǎn)業(yè)發(fā)展促進(jìn)會(huì)氫能分會(huì)統(tǒng)計(jì)，截至目前，全國已有29個(gè)省級(jí)行政區(qū)發(fā)布了氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項(xiàng)規(guī)劃或?qū)嵤┮庖?，其中?7個(gè)省級(jí)行政區(qū)將管道輸氫技術(shù)與裝備研發(fā)和開展管道輸氫試點(diǎn)示范列入重點(diǎn)工作。據(jù)中國產(chǎn)業(yè)發(fā)展促進(jìn)會(huì)氫能分會(huì)分析預(yù)測，到2030年，我國各類輸氫管道建成總里程將突破5000公里，并將在2035年前達(dá)到萬公里級(jí)別。
1、中國大規(guī)模輸氫管網(wǎng)建設(shè)元年開啟
2024年以來我國輸氫管道建設(shè)喜訊連連，一張覆蓋全國的輸氫管網(wǎng)建設(shè)藍(lán)圖正在徐徐展開。其中內(nèi)蒙古作為全國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展與投資的熱土，在積極擴(kuò)大綠氫生產(chǎn)規(guī)模的同時(shí)，加快推動(dòng)輸氫管網(wǎng)建設(shè)。
2024年8月2日，國內(nèi)首條具備摻氫輸送能力的長距離高壓管道項(xiàng)目包頭-臨河輸氣管道工程(2#-5#閥室)順利通過驗(yàn)收，項(xiàng)目全線有望在8月底試運(yùn)行，在10月份實(shí)現(xiàn)達(dá)產(chǎn)保供目標(biāo)。該管道全長258公里，摻氫比例可達(dá)10%，最大年輸氫能力可達(dá)1.2億立方米。2024年7月11日，具備摻氫能力20%的固陽-白云鄂博輸氣管道在包頭市正式開工，該管道全長125公里。2024年5月16日，總長1145公里，橫跨內(nèi)蒙古、山西省、河北省、北京市和天津市5個(gè)省市的全國首個(gè)長距離純氫管道工程-內(nèi)蒙古烏蘭察布市至京津冀地區(qū)氫氣輸送管道工程完成項(xiàng)目安全評(píng)價(jià)招標(biāo)。除內(nèi)蒙古外，全國多個(gè)地區(qū)輸氫管道建設(shè)取得積極進(jìn)展，據(jù)中國產(chǎn)業(yè)發(fā)展促進(jìn)會(huì)氫能分會(huì)統(tǒng)計(jì)，2024年以來，全國已有10個(gè)輸氫管道項(xiàng)目公布了最新進(jìn)展。
表1 2024年我國輸氫管道項(xiàng)目進(jìn)展匯總
2、管道輸氫技術(shù)加速成熟
氫氣管道輸送包括純氫管道和天然氣摻氫管道兩種，兩種技術(shù)路線又都包括高壓和低壓兩條路線，不同技術(shù)路線之間具有較大差別，且其優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用場景均有所不同，相比之下低壓氫氣管道技術(shù)更加成熟。
在摻氫輸送方面，近年來隨著國內(nèi)摻氫示范應(yīng)用逐步開展，摻氫比例已從5%逐漸增長至24%，但示范應(yīng)用仍集中于下游城燃領(lǐng)域，現(xiàn)有干線管道多采用X70、X80管材，易發(fā)生氫脆，因此尚未開展摻氫示范應(yīng)用，在建干線管道已具備20%摻氫能力。
在純氫輸送方面，當(dāng)前國內(nèi)已建成氫氣輸送管道設(shè)計(jì)壓力均不高于4MPa，管道材質(zhì)為L245或20#碳素鋼。據(jù)中國產(chǎn)業(yè)發(fā)展促進(jìn)會(huì)氫能分會(huì)統(tǒng)計(jì)，截至2024年7月，我國各地區(qū)規(guī)劃建設(shè)的純氫管道總長度已超過5000公里，我國純氫管道建設(shè)已經(jīng)逐步向大口徑、長距離、大規(guī)模輸氫轉(zhuǎn)變，部分規(guī)劃管道已開始采用L360管線鋼，設(shè)計(jì)壓力達(dá)到6.3MPa，管徑達(dá)到610毫米，最大輸氣能力已達(dá)10萬噸/年級(jí)別。
表2 管網(wǎng)輸氫不同技術(shù)路線對(duì)比
數(shù)據(jù)來源：中國產(chǎn)業(yè)發(fā)展促進(jìn)會(huì)氫能分會(huì)
3、我國管道輸氫技術(shù)仍然面臨多方面挑戰(zhàn)
在低壓管道摻氫輸送方面，管道摻氫輸送及隨動(dòng)摻氫技術(shù)已基本成熟，但仍需進(jìn)一步明確下游用戶的適應(yīng)范圍并開展安全性分析。目前國內(nèi)關(guān)于摻氫天然氣對(duì)管道影響的研究涉及氫含量較低，且樣本數(shù)量較少，尚處于數(shù)據(jù)積累階段，尤其對(duì)站場管、彎管、壓縮機(jī)等裝備材料的相容性研究數(shù)據(jù)積累相對(duì)薄弱。
在摻氫設(shè)備和氫分離設(shè)備開發(fā)與應(yīng)用方面，天然氣摻氫設(shè)備主要在城燃領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用，目前投產(chǎn)的示范項(xiàng)目流量較小(≤10萬標(biāo)方/天)、壓力較低(≤4MPa)，大流量摻混系統(tǒng)的工程示范數(shù)據(jù)不足，大流量摻混工藝與裝置有待進(jìn)一步研發(fā)。
在高壓氫氣管道裝備開發(fā)方面，近幾年，通過對(duì)壓縮機(jī)氫氣進(jìn)出口合理設(shè)置緩沖器等優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效地消除了壓縮機(jī)工作振動(dòng)，提高壓縮機(jī)使用壽命及生產(chǎn)效率，但可靠性與穩(wěn)定性方面仍有提升空間。此外，大流量離心式壓縮機(jī)組的設(shè)計(jì)、制造仍處于研究階段。
在管道計(jì)量系統(tǒng)方面，主要包括體積計(jì)量和能量計(jì)量兩種，當(dāng)前雖取得技術(shù)上的突破但國產(chǎn)替代比例上還有待提升。
在高壓輸氫管道材料開發(fā)方面，高鋼級(jí)抗氫管材及阻氫涂層技術(shù)是當(dāng)前管材開發(fā)的重點(diǎn)，可顯著提高管道的輸氫能力，國內(nèi)預(yù)計(jì)在2030年左右取得突破并進(jìn)入試用階段。
4、管道輸氫經(jīng)濟(jì)性分析
在管道摻氫經(jīng)濟(jì)性方面，決定摻氫運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵在于摻氫比例和管道壓力。對(duì)于低壓管網(wǎng)摻氫而言，管道摻氫輸送的成本基本可以忽略不計(jì)。對(duì)于高壓長輸管道而言，當(dāng)摻氫比小于3%時(shí)，管道摻氫輸送的成本基本可以忽略不計(jì);當(dāng)摻氫比大于3%時(shí)，需對(duì)長輸管道系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估與改造，其管輸費(fèi)用約為0.5~1.0元/(千標(biāo)方·公里)，包括改造費(fèi)用以及壓縮機(jī)運(yùn)行功耗增加造成的成本上升等。此外提高摻氫比例可有效降低分離提純成本，當(dāng)摻氫比例為10%時(shí)，氫氣分離提純成本為2.3~5.7元/標(biāo)方的，當(dāng)摻氫比例上升至20%時(shí)，氫氣分離提純成本降低至1.4~5.1元/標(biāo)方。
在純氫管道經(jīng)濟(jì)性方面，提高輸送壓力可有效降低氫氣運(yùn)輸成本。對(duì)于低壓純氫管道系統(tǒng)，其運(yùn)輸成本相對(duì)較高，約為3.5~10.0元/(千標(biāo)方·公里)，主要構(gòu)成為工程建設(shè)投資，受管道負(fù)荷率影響顯著。對(duì)于高壓純氫管道系統(tǒng)而言，其運(yùn)輸成本將大幅下降，預(yù)計(jì)成本將在0.5~1.37元/(千標(biāo)方·公里)，主要構(gòu)成為工程建設(shè)投資、壓氣站運(yùn)行費(fèi)用等，受管道負(fù)荷率影響同樣顯著。
5、管網(wǎng)輸氫發(fā)展趨勢展望
管道輸氫是實(shí)現(xiàn)氫氣大規(guī)模、網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)輸最具潛力的技術(shù)之一，高壓力、大口徑、長距離的輸送技術(shù)是未來發(fā)展方向。
我國管道輸氫技術(shù)圖譜
對(duì)于純氫管道，在材料與工藝方面，開發(fā)適用于高壓輸氫管道的高鋼級(jí)抗氫管材、非金屬管材及阻氫涂層技術(shù)，探索滿足高壓氫氣環(huán)境服役要求的焊材及合適的焊接工藝，研究管體、管體焊縫及環(huán)焊縫臨氫環(huán)境服役性能評(píng)價(jià)方法，提出臨氫環(huán)境管材氫脆敏感性、斷裂韌性等關(guān)鍵指標(biāo)將是近期重點(diǎn)工作。在核心裝備方面，開展大輸量、高壓力壓縮機(jī)組，大口徑、高壓力閥門等裝備的研發(fā)，是保障高壓氫氣管道工程的順利實(shí)施的關(guān)鍵。同時(shí)，開展管道斷裂控制技術(shù)及全尺寸試驗(yàn)驗(yàn)證，并針對(duì)典型失效模式，如爆炸、泄露、噴射火等開展失效后果研究，建立高壓氫氣泄漏擴(kuò)散特性及模型，將為高壓氫氣管道安全運(yùn)行提供保障。
對(duì)于摻氫管道，對(duì)現(xiàn)役天然氣管材及設(shè)備進(jìn)行相容性評(píng)價(jià)，開展高摻氫比例下管材性能劣化與損傷機(jī)理研究，完善天然氣摻氫管道缺陷適用性評(píng)價(jià)方法將是近期重點(diǎn)工作。
預(yù)計(jì)2025年前后，我國將形成完善的天然氣管道摻氫輸送適用性評(píng)價(jià)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)2~3個(gè)氫氣管道示范項(xiàng)目平穩(wěn)運(yùn)行，部分天然氣管道摻氫量達(dá)到5%。預(yù)計(jì)到2030年，我國各類輸氫管道建成總里程將突破5000公里;預(yù)計(jì)到2035年，天然氣管道摻氫輸送技術(shù)基本具備廣泛推廣條件，實(shí)現(xiàn)“西氫東送”且成本可控，氫氣管道(含摻氫天然氣管道)總里程達(dá)到萬公里級(jí)別。2050年，高壓力大口徑長輸管道輸氫技術(shù)成熟且經(jīng)濟(jì)可行，完成覆蓋全國范圍的純氫管道及摻氫天然氣管道系統(tǒng)建設(shè)。
評(píng)論