中石油含氢输气管道关键技术获得突破，管道输氢产业发展还需要解决什么？
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8月17日，CPECC西南分公司承担的科研课题“含氢输气管道系统关键技术研究”通过了中国石油集团工程股份有限公司（以下简称“中油工程”）验收。
水平管道天然气掺氢模型，图源CPECC西南分公司
本课题基于塔里木油田及长庆油田等氢气回注及掺氢输送生产需求而立项攻关。经过三年的奋战，系统解决了含氢管道输送系统的关键技术难题，形成了包括“掺氢天然气/纯氢管道输送技术”“含氢管道潜在影响半径定量分析技术”“掺氢天然气放空分析技术”“天然气掺氢工艺技术”“含氢环境下材料适应性评价技术”等多项核心技术。
课题取得以下创新点：
基于氢气-天然气体系物性特征及氢气、天然气密度差异，提出了管道停输过程中潜在的氢气浓度聚集，建立了基于时域的氢气-天然气混合体系浓度修正聚集模拟方法，形成了指导工程设计的混氢天然气聚集浓度预测技术；
基于高精度静态混合器进行天然气氢气掺混工艺，使天然气及氢气气体有效均匀混合，掺混后单一气体体积含量误差控制在±1.5%范围；
基于金属材料准静态断裂韧度测试方法，提出了氢气环境下X52、X70、X80钢管及其环焊缝断裂韧度特征值KQ及CTOD的验收指标。
图源CPECC西南分公司
浙江掺氢示范项目课题研究成果已用于浙江能源集团《天然气管道系统掺氢储运及终端分离研究及先导性示范项目》，并用于行业标准《氢气管道设计规范》及《输氢管道工程设计规范》的编制。
随着《“十四五”能源领域科技创新规划》、《氢能产业发展中长期规划（2021—2035年）》等系列文件的发布，氢能产业将成为能源市场重要部分。输氢管道是实现规模化氢输运的重要方式，具有运量大、能耗低、边际成本低等优点，可以实现大规模、长距离的氢气运输，满足高效、连续的氢气供应需求。
近期六部委联合印发《氢能产业标准体系建设指南（2023版）》，其中提及要完善输氢管道建设的各项标准，这也是对于管道输氢产业发展的一大利好。管道输氢作为未来最具潜力的长距离、大规模运氢方式之一，尽管如今还存在经济性较差、标准不完善、建设难度大等难点，但随着产业的破局，定会行则将至。
未来，西南分公司将严格落实国家和集团公司绿色低碳相关要求战略，依托组建的材料研发、工艺研发和储运研发等3个氢能技术团队，继续深入推进氢能科技研发和产业化应用，为落实国家“双碳”目标和推进生态文明建设贡献力量。
管道输氢产业发展还需要解决什么问题？
近年来，国内氢能利用技术逐步发展，生产规模不断扩大。根据国家发改委、能源局的发展规划，到2050年氢能将成为能源结构的重要组成部分。然而氢气的来源并非均匀分布，这就需要将氢气运输到相应的市场。氢气的运输方式多种多样，目前仍以气态氢为主， 管道运输被视为非常重要的氢气运输方式。
根据报道，今年4月10日，中国石化宣布，“西氢东送”输氢管道示范工程已被纳入《石油天然气“全国一张网”建设实施方案》，标志着我国氢气长距离输送管道进入新发展阶段。[相关阅读：一期运力10万吨/年！我国首条“西氢东送”管道纳入国家规划]
4月16日，中国石油对外发布消息，用现有天然气管道长距离输送氢气的技术获得了突破。这为我国今后实现大规模、低成本的远距离氢能运输提供技术支撑。[相关阅读：中国石油：现有天然气管道长距离输送氢气技术获得突破]
目前，汽车运输仍是我国长距离氢气运输的主流方式，但这种方式成本较高、效率较低，也是造成终端用氢成本高的主要原因之一，制约了产业链发展，而管道输氢在大规模、长距离条件下具有不可替代的经济性，是解决氢能规模化低成本运输难题的优先选项和现实选择。
氢气的管道运输，是指在制氢工厂与氢气站、用氢单位等之间建设一定的管道，氢气以气态形式进行运输的方式。
根据氢气纯度，可将管道输氢分为天然气掺氢管道和纯氢管道，前者是指在氢能发展初期，利用现有的天然气管道，将氢气加压后输入，使氢气与天然气混合输送的方式。后者是指专门用于纯氢气运输的管道，但铺设难度大、投资成本较高，是氢能管网建设的终极目标形态。
由于纯氢输氢管道的建设成本较为高昂，且国内对输氢管道的研究建设起步较晚，目前我国输氢管道主要以天然气掺氢管道项目为主，且正往纯氢管道项目发展。据全球氢能不完全统计，当前，包含未建和在建的管道，天然气掺氢管道7条，纯氢管道多达13条。
我国掺氢管道，包含未建和在建管道，图源全球氢能
我国纯氢管道，包含未建和在建管道，图源全球氢能
输氢管道可以满足长时、长距离、大规模的输氢，在大规模输送下，管道输氢具备明显成本优势。
公开资料显示，使用20MPa长管拖车运输氢气，当运输距离为50km时，氢气的运输成本约4.9元/kg；随着运输距离的增加，长管拖车运输成本逐渐上升，当距离500km时，运输成本约22元/kg。相比之下，管道输送大规模、长距离氢气更具优势。根据相关人员测算，当输送距离为100km时，运氢成本为1.43元/kg，远低于高压长管拖车及低温液态输氢。因此，同等运输距离下管道输氢成本远低于高压长管拖车及低温液态输氢。
但是管道输氢在国内发展一直受限，除新建管道本身难度大投入高与后期维护的成本高昂等问题外，还需要解决以下难题：
01
管道输氢产业相关标准建设
欧美等国对输氢管道的研究和建设起步较早，使用管道对氢气进行长距离输送已有约60年的历史，具有一定的规模。经过多年研究和工程经验积累，已建立多个输氢管道规范和指导文件，国际上，关于氢气长输管道的标准主要有3个：
美国机械工程师协会编制的ASME B31.12-2014 《氢用管道系统和管道》；
欧洲压缩气体协会， CGA G-5.6-2005（R2013）《氢气管道系统》；
亚洲工业气体协会的AIGA 033/14 《氢气管道系统》；
第一个适用于将氢气从制造厂输送到使用地的长输管道、分输管道和服务管线，后两个适用于纯氢及氢混合物的输送和配送系统，仅限于气态产品，温度范围在-40~175 ℃之间，总压力为1~21MPa 。
此外，我国管道输氢相关标准有了一定的突破：
2021年7月，由西南市政总院负责主编的《城镇民用氢气输配系统工程技术规程》编制工作正式启动。
2021年7月，中国标准化协会批复了《氢气输送工业管道技术规程》的编制工作，由北京市公用工程设计监理有限公司主编；
2021年8月，中国标准化协会发布了《关于公开征求中国标准化协会标准〈天然气掺氢混气站技术规程〉意见的通知》；
但是整体上，我国国内到目前为止还没有完整的氢能管道输送的标准，只是在一些相关的标准里给出要求，比如国标GB50177-2005《氢气站设计规范》和GB4962-2008《氢气使用安全技术规程》，这两个标准仅适用于供氢站、车间内氢气短距离配送管道，可用于氢气长输管道的标准GB/T34542.5《氢气储存输送系统第5部分：氢气输送系统技术要求》正在编制过程中。也因此，氢气输送管道的建设需要一套更为严格的标准来进行规范。
不过，近期六部委联合印发《氢能产业标准体系建设指南（2023版）》，其中提及要完善输氢管道建设的各项标准，氢能标准建设政策落地，利好管道输氢产业发展。[相关阅读：重磅！国家标准委等六部门联合印发《氢能产业标准体系建设指南（2023版）》]
02
输氢管道技术难关亟待突破
当前，我国氢能产业处于起步阶段，全产业链关键核心技术自主可控是我国氢能产业高质量发展的关键。储运环节是制约当前我国氢能发展的瓶颈之一，安全高效的输氢技术是氢能大规模商业化发展的前提。
受气体性质差异、掺氢比、管道材质和外部环境等影响，管道材料与氢气长期接触，氢会侵入到材料内部，导致金属材料出现损减、裂纹扩张速度加快和断裂韧性的下降，从而产生氢脆、渗透和泄漏等风险。研究表明，氢气压力、纯净度、环境温度、管道强度水平、变形速率、微观组织等因素均会影响管道的损伤程度。此外，氢气对于管道配套的相关设施，如仪表、阀门等，也会有一定的影响。
中国工程院院士郑津洋表示，氢气管道运输想要中国进行大规模商业化应用，主要存在两个的技术难关：
一是关键技术，包括低成本、高强度的抗氢脆材料、高性能的氢能管道的设计制造技术、管道运行和控制技术以及应急和维护的技术；
二是相关装备国产化，像大流量的压缩机，氢气计量的设备阀门、仪表等。
不过进入2023年，国内管道输氢技术已有所突破，虽还未进行大规模的应用，输氢管道建设所需管材、压缩机、管阀件、流量计等关键设备与核心零部件，已有多个国内厂家布局且有实际突破，进口垄断局面开始“松动”。
03
市场规模与供需匹配
此前，有业内人士分析，管道氢成本很大程度上受到利用率的影响。根据国内“济源-洛阳”项目各项指标测算（该项目实际管道长度25公里，总投资额1.46亿元，年输送能力10.04万吨），在满负荷运行下，该项目输送距离为100公里时，综合考虑管材折旧及维护费用的运氢成本为1.43元/kg，但当运能利用率仅为20%时，管道运氢的成本已经接近长管拖车运氢的6.5元/kg。因此，当氢气下游需求足够支撑大规模的氢能输送，通过管道运输氢气才是一种降低成本的可靠方法。
相关数据显示，到2030年，氢能产业将成为我国新的经济增长点和新能源战略的重要组成部分，高压氢气长输管道建设里程达到3000km。
全球氢能认为，随着氢能的发展与相关技术的成熟和完善，大规模集中制氢和氢的长距离运输是未来趋势。高效经济的管道运输方式，是氢能实现大规模商业化发展的重要方向。
END
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