中國儲能網(wǎng)訊：
文/孫寶翔 楊 靜，中石化（大連）石油化工研究院，中國石化報
氫氣作為一種可再生二次能源，具有來源廣泛、清潔高效、應(yīng)用場景豐富等優(yōu)勢，在世界能源轉(zhuǎn)型中發(fā)揮著重要作用，全球多個發(fā)達(dá)國家均制定了氫能產(chǎn)業(yè)規(guī)劃，并加快部署氫能全產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)。輸氫管道運(yùn)量大、能耗低、邊際成本低，是實現(xiàn)規(guī)?；瘹漭斶\(yùn)的重要方式，將成為氫能產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢，其發(fā)展路線可借鑒參考天然氣管道。
但氫氣密度小、能量密度低，且爆炸范圍大、點火能量低、擴(kuò)散系數(shù)大、易對材料力學(xué)性能產(chǎn)生劣化，且氫氣管道相比天然氣管道輸送效率更低且管輸風(fēng)險更大，目前國際上輸氫管道降本增效和運(yùn)維保障正處于技術(shù)研究與攻關(guān)階段。中國石化擁有發(fā)展氫氣輸送管道的先天優(yōu)勢，可結(jié)合氫能全產(chǎn)業(yè)鏈規(guī)劃布局，強(qiáng)化技術(shù)攻關(guān)，統(tǒng)籌推進(jìn)輸氫管道建設(shè)。
氫能作為一種零碳高效新能源，在世界能源轉(zhuǎn)型中的角色價值日益凸顯，世界主要發(fā)達(dá)國家近年紛紛出臺政策大力支持氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展，美國、日本、澳大利亞、韓國等國家相繼制定了氫能發(fā)展戰(zhàn)略或規(guī)劃。我國作為世界第一產(chǎn)氫大國，兼具氫能大規(guī)模利用的供氫條件與用氫市場，氫能產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?jié)摿薮蟆鋬\(yùn)作為制氫與用氫之間的紐帶和橋梁，對整條氫能產(chǎn)業(yè)鏈的持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。隨著氫能應(yīng)用市場不斷擴(kuò)大，氫能儲運(yùn)基礎(chǔ)設(shè)施的供氫保障問題將成為制約產(chǎn)業(yè)規(guī)模化發(fā)展的重要因素，而管道輸送是實現(xiàn)氫能大規(guī)模、長距離輸運(yùn)的重要方式。
氫氣管輸已成國際共識，全球范圍已形成規(guī)模
利用管道輸送氫氣至今已有80余年歷史，早在1938年，德國就建成了世界上第一條氫氣長輸管道，全長215公里，主要用于化工廠氫資源匹配利用。隨著氫氣利用量增大和應(yīng)用場景多樣化，目前全球范圍內(nèi)氫氣輸送管道規(guī)模越來越大，總里程已超過4600公里。美國氫氣管道規(guī)模最大，總里程達(dá)到2720公里，其中建有全球最大的氫氣供應(yīng)管網(wǎng)，全長965公里、連接22個制氫廠，向墨西哥沿岸的煉油廠和化工廠供應(yīng)純氫，輸氫量達(dá)到150萬標(biāo)準(zhǔn)立方米/小時。歐洲輸氫管道總里程目前也已超過1500公里，其中法國建有世界上最長的氫氣管道，從法國北部一直延伸至比利時，全長約402公里。
近年來，在“雙碳”戰(zhàn)略下氫能產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，尤其是在綠氫技術(shù)推動下，規(guī)?；瘹鋬\(yùn)需求日益顯現(xiàn)，輸氫管道建設(shè)已被列入世界各國氫能產(chǎn)業(yè)規(guī)劃。歐盟正在規(guī)劃西班牙、法國與葡萄牙之間的跨國輸氫管道；德國提出將在全國范圍內(nèi)建設(shè)5900公里輸氫管道，并與挪威聯(lián)合建設(shè)兩國跨國輸氫管道；預(yù)計到2040年，歐洲將建成4萬公里氫氣輸送管道。
我國氫能產(chǎn)業(yè)整體起步較晚，現(xiàn)有氫氣輸送管道總里程約400公里，其中由我國自主建設(shè)的較長距離的典型純氫輸送管道有3條，總里程不足100公里?！半p碳”目標(biāo)下，我國也在加快推進(jìn)氫能基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，河北已啟動建設(shè)定州—高碑店氫氣管道工程，全長164.7公里，年最大輸送量10萬噸，供應(yīng)燃料電池用氫。
天然氣管道摻氫輸送或成為經(jīng)濟(jì)快捷的氫氣規(guī)?；斔头绞?。氫氣摻入天然氣管道輸送，不僅解決了碳減排問題，而且避免了新建管道的成本投入，是短期內(nèi)解決氫氣長距離規(guī)?；斔偷慕?jīng)濟(jì)有效方式。天然氣摻氫管輸已被多個國家列入氫能產(chǎn)業(yè)規(guī)劃，據(jù)有關(guān)統(tǒng)計，目前全球已開展近40個摻氫天然氣管道輸送系統(tǒng)應(yīng)用示范項目。
歐洲基于“NaturalHy”天然氣管網(wǎng)摻氫研究成果，開展了多處摻氫示范項目，摻氫比例在2%~20%。英國依托“Hy Deploy” 示范項目，向基爾大學(xué)專用天然氣管網(wǎng)和英國北部天然氣管網(wǎng)注入20%比例的氫氣，為100戶家庭和30棟教學(xué)樓提供摻氫天然氣。荷蘭、德國、法國、意大利等國家也在積極推進(jìn)天然氣管道摻氫輸送技術(shù)研究與探索，均基于天然氣管網(wǎng)摻氫輸送試驗研究在局部區(qū)域開展了天然氣摻氫管輸小范圍示范應(yīng)用。但由于各國天然氣品質(zhì)、輸送管網(wǎng)、關(guān)鍵設(shè)備、用戶端等存在差異，國際上對于天然氣管道系統(tǒng)中可允許的摻氫比例并未形成一致結(jié)論。
近年來，我國在氫能全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展推動下，也在積極開展天然氣摻氫技術(shù)研究，但目前示范項目多集中于天然氣摻氫應(yīng)用領(lǐng)域，管道摻氫輸送由于安全性、經(jīng)濟(jì)性、可行性等影響因素比較復(fù)雜，摻氫比例的確定涉及管材相容性、管道完整性、設(shè)備匹配性及下游用戶適應(yīng)性等多方面因素，尚未見相關(guān)示范項目落地。
我國天然氣管道網(wǎng)絡(luò)發(fā)達(dá)，截至2021年，全國主干天然氣管道總里程達(dá)到11.6萬公里，已形成“西氣東輸”“北氣南下”供氣格局，實現(xiàn) “全國一張網(wǎng)”全面互聯(lián)互通。相比我國天然氣氣源特殊性，氫氣雖是二次能源，但我國內(nèi)蒙古、新疆、甘肅、寧夏、青海、山西、河北、山東等地風(fēng)光綠電資源富足，這意味著我國西部地區(qū)和北部地區(qū)具有大規(guī)模綠氫資源。另外，我國東部地區(qū)和南部地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，氫能無論是工業(yè)應(yīng)用還是民用，都具有巨大市場潛力。因此，我國氫能產(chǎn)銷區(qū)域特點與天然氣極為相似，具有發(fā)展天然氣管道摻氫輸送的先天優(yōu)勢和廣闊前景。
氫氣管道泄漏危害嚴(yán)重，安全運(yùn)維至關(guān)重要
有人認(rèn)為，氫氣質(zhì)量輕，泄漏后向上逃逸且擴(kuò)散速度快，即使燃燒，生成的水也不會對環(huán)境產(chǎn)生污染，因此，輸氫管道泄漏后果不如天然氣管道泄漏后果危害大。事實上，氫氣相比天然氣點火能量更低、爆炸范圍更大、起爆能量更低，且氫氣無色無味、燃燒火焰肉眼不易察覺，泄漏燃爆風(fēng)險反而更大，輸氫管道安全問題更不容忽視。
氫進(jìn)入金屬材料內(nèi)部易導(dǎo)致材料力學(xué)性能下降，管輸工況下，由于內(nèi)外應(yīng)力綜合影響，易出現(xiàn)氫鼓泡、氫致裂紋、延性降低等損傷，大大增加管材失效可能性。國際上雖已建成一定規(guī)模輸氫管道并正常運(yùn)營，且這些管道基本采用低等級鋼材，氫損傷管材問題并不是很突出，但由于運(yùn)行壓力較低、設(shè)計偏保守，管道綜合輸送效率普遍不高。
研究開發(fā)高強(qiáng)度或耐氫脆管材，加快實現(xiàn)氫氣管輸系統(tǒng)降本增效，是滿足當(dāng)前規(guī)?；瘹鋬\(yùn)需求的重要途徑，國內(nèi)外在這方面已開展大量研究，包括氫致金屬材料損傷機(jī)理、氫與管材相容性、氫對焊縫性能影響、焊接工藝，以及新型非金屬管材開發(fā)等。
目前輸氫管材在氫環(huán)境下的性能研究多是針對金屬材料本身特性的研究，由于管道服役環(huán)境與運(yùn)行工況差異，相關(guān)研究結(jié)論對輸氫管道建設(shè)運(yùn)維的指導(dǎo)意義尚且有限，部分結(jié)論適用條件存在一定局限性。針對在役輸氫管道金屬損失、凹陷等體積型缺陷及裂紋缺陷的適用性評價，以及含缺陷輸氫管道承壓能力評估方法，國內(nèi)外正在開展相關(guān)研究，目前尚未建立公認(rèn)模型或完善的方法體系。
輸氫管道氫損傷最主要的失效模式是氫致開裂，管道運(yùn)維管理應(yīng)重點關(guān)注裂紋情況。然而，管道裂紋的內(nèi)檢測仍是石油天然氣管道行業(yè)面臨的難題，同時由于氫氣特殊性，輸氫管道的內(nèi)檢測還需要解決檢測器與氫環(huán)境的相容性及運(yùn)行速度控制等問題，目前國際上尚不具備輸氫管道內(nèi)檢測的技術(shù)條件。裂紋無損檢測手段主要包括磁粉檢測、滲透探傷和超聲檢測，其中超聲檢測能夠檢測到管道內(nèi)部使用磁粉及測厚都不能檢測到的氫損傷缺陷，能夠?qū)θ毕葸M(jìn)行定位、定量及定性，并能夠達(dá)到一定的精度。金屬磁記憶檢測技術(shù)通過檢測金屬內(nèi)部的應(yīng)力集中區(qū)域，能夠初步篩查管道氫損傷易發(fā)區(qū)，可用于輸氫管道氫損傷的早期檢測與定位預(yù)判。
針對氫氣的泄漏擴(kuò)散安全性與風(fēng)險評估，國內(nèi)外研究主要集中于氫氣泄漏擴(kuò)散規(guī)律、燃燒爆炸機(jī)理與后果預(yù)測、風(fēng)險評估模型與工具開發(fā)等方面，我國目前在輸氫管道方面的風(fēng)險評價與管控技術(shù)體系尚不完備，尚未形成統(tǒng)一的風(fēng)險評判標(biāo)準(zhǔn)。針對氫氣泄漏問題，全球各大公司也正在開發(fā)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(jī)械損傷和大規(guī)模泄漏的應(yīng)用途徑?；诶庾V的微納光纖氫氣泄漏檢測技術(shù)，具有本質(zhì)無源、高靈敏、快響應(yīng)等特點，能夠解決現(xiàn)有大部分技術(shù)存在的與可燃?xì)怏w串?dāng)_、靈敏度低、響應(yīng)速率慢、有毒性、存在暗火等問題，可有效提升輸氫管道、加氫站等涉氫場景痕量氫氣實時檢測技術(shù)能力和水平。
有序推進(jìn)氫氣管輸業(yè)務(wù)，助力氫能產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展
“十四五”期間，中國石化將加快培育并壯大氫能產(chǎn)供銷一體化產(chǎn)業(yè)鏈，推進(jìn)打造中國第一氫能公司。伴隨氫能業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，作為制、儲、運(yùn)、加、用的業(yè)務(wù)鏈中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，氫的大規(guī)模高效運(yùn)輸將成為中國石化氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要內(nèi)容之一。管道輸氫工藝簡單、經(jīng)濟(jì)高效、管理方便，是有效解決氫氣大規(guī)模儲運(yùn)問題的重要方式。中國石化已建成3條氫氣長輸管道和多條輸氫工藝管道，積累了較豐富的輸氫管道設(shè)計建設(shè)及運(yùn)行管理經(jīng)驗。
作為中國最大的氫能源供應(yīng)商之一，中國石化具有強(qiáng)大的制氫基礎(chǔ)，氫氣年產(chǎn)量高達(dá)390萬噸，占全國氫氣產(chǎn)量的11%。目前，中國石化正在積極推動制氫技術(shù)從灰氫、藍(lán)氫向綠氫方向轉(zhuǎn)變，規(guī)劃布局的新疆太陽能發(fā)電制氫和內(nèi)蒙古太陽能發(fā)電加風(fēng)電制氫兩個百萬噸級綠氫示范項目，年產(chǎn)綠氫規(guī)模都超過世界上現(xiàn)有的同類項目，建成后有望成為世界上最大的綠氫生產(chǎn)項目。強(qiáng)大的制氫供氫能力成為中國石化發(fā)展氫全產(chǎn)業(yè)鏈、推進(jìn)氫儲運(yùn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的先天優(yōu)勢。
中國石化擁有中國最大的加油站供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，站址遍布全國各地。在加油站的基礎(chǔ)上改建、擴(kuò)建加氫站已被美國、日本等國家證實是加氫站網(wǎng)絡(luò)布局最快的方式。由于中國石化具備國內(nèi)最大的交通能源營銷網(wǎng)絡(luò)，且對加油站進(jìn)行改擴(kuò)建成本低、效率高，因此加氫站建設(shè)布局成為氫能走廊規(guī)劃及輸送供應(yīng)體系建設(shè)的重要決定因素。
當(dāng)前氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展如火如荼，輸氫管道各項關(guān)鍵核心技術(shù)尚處于研發(fā)與優(yōu)化階段，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系尚不完善，建議中國石化結(jié)合自身傳統(tǒng)領(lǐng)域及技術(shù)優(yōu)勢，分階段有序部署氫儲運(yùn)技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展，從標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建、核心技術(shù)攻關(guān)及工程項目示范等3個維度同步推進(jìn)氫儲運(yùn)相關(guān)工作：
⒈標(biāo)準(zhǔn)先行引領(lǐng)高質(zhì)量發(fā)展
統(tǒng)籌推進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系謀劃布局，加快構(gòu)建完善氫氣管輸標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)實施與監(jiān)督，通過標(biāo)準(zhǔn)先行引領(lǐng)氫儲運(yùn)領(lǐng)域高質(zhì)量發(fā)展。初期可借鑒國際通用的輸氫管道相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，在我國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范框架下，融合中國石化氫能產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)及管理要求，編制中國石化輸氫管道/微網(wǎng)設(shè)計建設(shè)、運(yùn)行管理規(guī)范，為標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)和規(guī)范化運(yùn)營提供支撐。
⒉技術(shù)攻關(guān)夯實產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)
由于氫氣與天然氣或其他工業(yè)氣體存在較大差別，無論是在管材選擇、輸送工藝優(yōu)化，還是在風(fēng)險管理、泄漏檢測、完整性管理等安全保障措施方面，當(dāng)前油氣管道或工業(yè)管道相關(guān)技術(shù)均難以完全適用，因此需要結(jié)合氫氣物理化學(xué)性質(zhì)及燃燒爆炸特征，開展相關(guān)技術(shù)研究或優(yōu)化升級，推動關(guān)鍵核心技術(shù)突破和提升，形成適用于輸氫管道的建設(shè)運(yùn)維管理技術(shù)及模式，夯實中國石化氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。
⒊工程示范搶占市場先機(jī)
為加速推進(jìn)中國石化高質(zhì)量發(fā)展行動，確保氫能發(fā)展走在行業(yè)最前列，中國石化應(yīng)立足氫能全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)調(diào)發(fā)展戰(zhàn)略布局，加快推進(jìn)氫能產(chǎn)銷一體化示范項目，統(tǒng)籌規(guī)劃輸氫管道示范建設(shè)項目，打通氫源地與用氫市場的聯(lián)通動脈，以示范引領(lǐng)效應(yīng)搶占?xì)淠苁袌鱿葯C(jī)，主動引導(dǎo)政府布局氫能發(fā)展。
未來，隨著氫能產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，氫的規(guī)?；瘍\(yùn)需求將大幅提升，管道和管網(wǎng)將成為一定區(qū)域內(nèi)氫氣經(jīng)濟(jì)高效輸送的重要方式。因此，立足氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展要求，全面統(tǒng)籌并科學(xué)推進(jìn)輸氫管道及輸氫微管網(wǎng)建設(shè)，對中國石化氫產(chǎn)業(yè)鏈全面協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要作用。
