國(guó)內(nèi)外氫氣長(zhǎng)輸管道發(fā)展現(xiàn)狀及分析

蔣慶梅 王琴 謝萍 屈向軍

1中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司

2中國(guó)石油西部管道分公司

3中國(guó)石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司定向井技術(shù)服務(wù)分公司

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)氫能利用技術(shù)逐步發(fā)展，生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大。根據(jù)國(guó)家發(fā)改委、能源局的發(fā)展規(guī)劃，到2050 年氫能將成為能源結(jié)構(gòu)的重要組成部分。目前制氫技術(shù)多種多樣，氫氣的來(lái)源也各不相同，其主要來(lái)源包括天然氣、煤炭等化石燃料制氫，核燃料以及太陽(yáng)能、風(fēng)能或潮汐能等可再生能源電解水制氫[1-2]等。由于氫氣的來(lái)源并非均勻分布，因此有必要將氫氣長(zhǎng)距離運(yùn)輸?shù)较鄳?yīng)的市場(chǎng)。盡管氫氣的運(yùn)輸方式多種多樣，但對(duì)于大規(guī)模集中制氫和長(zhǎng)距離輸氫來(lái)說(shuō)，管道運(yùn)輸是最經(jīng)濟(jì)的方式[3]。根據(jù)國(guó)內(nèi)外氫氣長(zhǎng)輸管道的發(fā)展情況，分析氫氣長(zhǎng)輸管道發(fā)展趨勢(shì)及存在的問(wèn)題，可為后續(xù)氫能輸送提供借鑒。

1 國(guó)外氫氣長(zhǎng)輸管道發(fā)展概況

國(guó)外氫氣管道起步較早，氫氣的管道運(yùn)輸歷史可以追溯到20 世紀(jì)30 年代末。1939 年，德國(guó)建設(shè)了一條長(zhǎng)約208 km 的管道，管徑254 mm，運(yùn)行壓力2 MPa，氫氣輸送量達(dá)9 000 kg/h[4]。目前歐洲的氫氣輸送管道長(zhǎng)度約為1 770 km，最長(zhǎng)的氫氣管道由法國(guó)液化空氣集團(tuán)所有，該管道從法國(guó)北部一直延伸至比利時(shí)，全長(zhǎng)約402 km。北美地區(qū)美國(guó)氫氣輸送管道大部分位于德克薩斯州、路易斯安那州和加利福尼亞州，現(xiàn)有氫氣輸送管道長(zhǎng)度超過(guò)2 600 km，建成的氫氣管道一般以低于6.9 MPa 的壓力運(yùn)行。加拿大建設(shè)的兩套氫氣管道系統(tǒng)分別在艾伯塔省和安大略省，氫氣輸送管道長(zhǎng)度約150 km。在全球現(xiàn)有氫氣管道管網(wǎng)系統(tǒng)的其他地區(qū)包括日本、韓國(guó)、越南、澳大利亞、荷蘭、巴西、泰國(guó)、印度尼西亞、南非等，這些地區(qū)的氫氣管道系統(tǒng)總長(zhǎng)度大約為190 km。

氫氣管道長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)各地區(qū)存在偏差，原因是對(duì)于氫氣輸送管道的判定標(biāo)準(zhǔn)不同。部分專家認(rèn)為，管道需要達(dá)到一定的直徑才能被劃為氫氣輸送管道；還有部分專家認(rèn)為，只有把氫氣從生產(chǎn)地運(yùn)輸?shù)接脩舻墓艿啦拍芊Q作氫氣輸送管道（即工廠內(nèi)輸送氫氣以作原料或燃料的管道不計(jì)算在內(nèi)）。此外，管道的運(yùn)行狀態(tài)和氫氣的純度水平也是界定該管道是否納入氫氣管道運(yùn)輸系統(tǒng)范圍的影響因素。

2 國(guó)內(nèi)氫氣長(zhǎng)輸管道發(fā)展概況

國(guó)內(nèi)氫氣長(zhǎng)輸管道建設(shè)處于起步階段，目前已知的長(zhǎng)距離輸氫管道包括金陵—揚(yáng)子氫氣管道、巴陵—長(zhǎng)嶺氫氣提純及輸送管線工程、濟(jì)源—洛陽(yáng)氫氣管道、烏?！y川焦?fàn)t煤氣輸氣管道以及義馬—鄭州煤氣管道輸氣工程。

金陵—揚(yáng)子氫氣管道全長(zhǎng)超過(guò)32 km，其中17 km 在南京化工園區(qū)內(nèi)架空敷設(shè)，最大年輸量達(dá)4×104t，設(shè)計(jì)壓力4 MPa，管徑為325 mm，鋼管材質(zhì)為20#石油裂化鋼管。

巴陵—長(zhǎng)嶺氫氣提純及輸送管線工程最大管徑457 mm，鋼管材質(zhì)為裂化碳素?zé)o縫鋼管。該管道總里程42 km，其中巴陵分公司城區(qū)片區(qū)至云溪片區(qū)段埋地管道24.2 km，氫氣由管道利用原料壓力送至巴陵石化云溪片區(qū)及長(zhǎng)嶺煉化，為相關(guān)裝置提供氫氣資源。

濟(jì)源—洛陽(yáng)氫氣管道實(shí)長(zhǎng)約為25 km，管徑為508 mm，設(shè)計(jì)壓力4 MPa，鋼管材質(zhì)為L(zhǎng)245 無(wú)縫鋼管，采用常溫型三層PE 外防腐層。該管道起自濟(jì)源工業(yè)園區(qū)氫氣首站，止于吉利區(qū)洛陽(yáng)石化末站，其主要功能是為石化行業(yè)加氫反應(yīng)器提供氫氣原料，為進(jìn)一步擴(kuò)大石化企業(yè)的產(chǎn)能提供基礎(chǔ)保障。

烏海—銀川焦?fàn)t煤氣輸氣管道起自內(nèi)蒙古烏海市千里山產(chǎn)業(yè)園區(qū)首站，止于寧夏銀川市寧夏石化公司烏銀寧化末站。該管道主要用于輸送焦?fàn)t煤氣和氫氣混合氣，經(jīng)過(guò)2 省3 市4 區(qū)2 縣，線路總長(zhǎng)217.5 km，管徑610 mm，設(shè)計(jì)壓力為3 MPa，采用L245 直縫雙面埋弧焊鋼管。

義馬—鄭州煤氣管道輸氣工程線路全長(zhǎng)194 km，管徑426 mm，最大工作壓力2.5 MPa，材質(zhì)為SM400C 螺旋縫埋弧焊鋼管，采用聚乙烯表面防腐。該管道的主要功能是將義馬煤礦坑口氣化廠所產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)潔凈煤氣輸往鄭州、洛陽(yáng)、義馬等城市煤氣輸配管網(wǎng)。

3 氫氣長(zhǎng)輸管道發(fā)展趨勢(shì)

目前世界上氫氣生產(chǎn)和消費(fèi)的最大應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)楹铣砂?、甲醇或煉廠。國(guó)內(nèi)氫氣主要消費(fèi)領(lǐng)域?yàn)楹铣砂?、石油煉制和其他石化產(chǎn)品等[5]。氫能作為一種清潔能源，未來(lái)可應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)很多，包括氫燃料電池車(chē)、分布式發(fā)電、備用電源和儲(chǔ)能等方面。近年來(lái)，隨著日本在氫燃料電池車(chē)領(lǐng)域的技術(shù)突破，交通領(lǐng)域的氫能技術(shù)日益受到關(guān)注[6]。

世界主要能源大國(guó)均制定了氫能源發(fā)展目標(biāo)、戰(zhàn)略、路線圖等，投入研發(fā)力度巨大[7]。如美國(guó)發(fā)布了《全面能源戰(zhàn)略》，日本制定了《面向2030 年能源環(huán)境創(chuàng)新戰(zhàn)略》，歐盟推出了《2050 能源技術(shù)路線圖》，我國(guó)也已制定了《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃（2016—2030 年）》，提出了氫工業(yè)（氫的制取、儲(chǔ)運(yùn)及加氫站）、先進(jìn)燃料電池、燃料電池分布式發(fā)電等三個(gè)戰(zhàn)略發(fā)展方向。全國(guó)氫能標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)在《中國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展藍(lán)皮書(shū)（2016）》中也明確了氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施在近期（2016—2020 年）、中期（2020—2030 年）和遠(yuǎn)期（2030—2050 年）三個(gè)階段的發(fā)展目標(biāo)和主要任務(wù)。

綜上所述，鑒于氫氣長(zhǎng)輸管道運(yùn)輸具有速度快、效率高的優(yōu)點(diǎn)，其作為氫能大規(guī)模利用的配套基礎(chǔ)設(shè)施，將會(huì)得到進(jìn)一步發(fā)展。

4 氫氣長(zhǎng)輸管道建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)

氫氣長(zhǎng)輸管道的許多規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)與天然氣長(zhǎng)輸管道相似，但由于兩種氣體物理性質(zhì)差異較大，因此規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)還存在一些不同之處，不能直接采用天然氣長(zhǎng)輸管道標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)、建設(shè)等。

國(guó)內(nèi)關(guān)于氫氣管道的標(biāo)準(zhǔn)有GB 50177《氫氣站設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB 4962《氫氣使用安全技術(shù)規(guī)程》。GB 50177 適用于新建、改建、擴(kuò)建的氫氣站、供氫站及廠區(qū)和車(chē)間的氫氣管道設(shè)計(jì)[8]。GB 4962 規(guī)定了氣態(tài)氫在使用、置換、儲(chǔ)存、壓縮與充（灌）裝、排放過(guò)程以及消防與緊急情況處理、安全防護(hù)方面的安全技術(shù)要求，適用于氣態(tài)氫生產(chǎn)后地面上各作業(yè)場(chǎng)所，不適用于液態(tài)氫、水上氣態(tài)氫、航空用氫場(chǎng)所及車(chē)上供氫系統(tǒng)，氫氣生產(chǎn)中的相應(yīng)環(huán)節(jié)可參照?qǐng)?zhí)行[9]。上述兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)均不適用于埋地氫氣長(zhǎng)輸管道，所以目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)針對(duì)氫氣長(zhǎng)輸管道的標(biāo)準(zhǔn)體系。

國(guó)外適用于氫氣長(zhǎng)輸管道的標(biāo)準(zhǔn)有美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)（American Society of Mechanical Engineers）編制的ASME B31.12—2014《氫用管道系統(tǒng)和管道》、歐洲壓縮氣體協(xié)會(huì)的CGA G-5.6—2005（R2013）《氫氣管道系統(tǒng)》和亞洲工業(yè)氣體協(xié)會(huì)的AIGA 033/14《氫氣管道系統(tǒng)》。ASME B31.12 適用于將氫氣從制造廠輸送到使用地的長(zhǎng)輸管道、分輸管道和服務(wù)管線，不適用于按照ASME 鍋爐和壓力容器準(zhǔn)則設(shè)計(jì)和制造的壓力容器、溫度高于450 ℉或低于-80 ℉的管道系統(tǒng)、壓力超過(guò)3 000 psi（1 psi=6 894.76 Pa）的管道系統(tǒng)、水氣含量大于20 mg/L 的管道系統(tǒng)以及氫的體積分?jǐn)?shù)小于10%的管道系統(tǒng)[10]。AIGA 033/14 和CGA G-5.6 內(nèi)容基本一致，不過(guò)CGA G-5.6 因?yàn)樵?013 年修訂過(guò)，所以部分章節(jié)內(nèi)容更加詳細(xì)。兩者適用于純氫及氫混合物的輸送和配送系統(tǒng)，僅限于氣態(tài)產(chǎn)品，溫度范圍在-40～175 ℃之間，總壓力為1～21 MPa 或不銹鋼材質(zhì)的H2壓力高于0.2 MPa。這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織成員協(xié)會(huì)（ICI）在歐洲工業(yè)氣體協(xié)會(huì)（EIGA）的領(lǐng)導(dǎo)下編寫(xiě)，旨在供國(guó)際協(xié)調(diào)委員會(huì)所有成員在世界范圍內(nèi)使用和參考[11-12]。

5 結(jié)束語(yǔ)

（1）國(guó)外氫氣長(zhǎng)輸管道發(fā)展起步較早，技術(shù)成熟，建設(shè)里程明顯多于國(guó)內(nèi)，在工程應(yīng)用方面具有一定的研究深度和廣度。國(guó)內(nèi)氫氣消費(fèi)主要是作為工業(yè)原料，利用規(guī)模相對(duì)較小，整體技術(shù)水平也有待提高。

（2）國(guó)外已形成多個(gè)氫氣管道相應(yīng)的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行、維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)或指南，指導(dǎo)了工程的設(shè)計(jì)實(shí)施；國(guó)內(nèi)對(duì)于氫氣管道的研究起步較晚，雖然建成了部分氫氣管道，但還沒(méi)有一套完整的氫氣管道標(biāo)準(zhǔn)，更缺少氫氣長(zhǎng)輸管道標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)有的氫氣管道相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求不全面，難以滿足各方面需要。

（3）隨著國(guó)內(nèi)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和能源產(chǎn)業(yè)規(guī)劃的實(shí)施，氫能產(chǎn)業(yè)得到進(jìn)一步發(fā)展，對(duì)于大規(guī)模集中制氫和長(zhǎng)距離輸氫來(lái)說(shuō)，管道運(yùn)輸是最經(jīng)濟(jì)的方式，管道輸氫應(yīng)用前景廣闊，所以迫切需要完善氫氣長(zhǎng)輸管道配套設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行、維護(hù)等標(biāo)準(zhǔn)體系。