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【原创】“进击”中的管道输氢
管道输氢 文章来源自:高工氢电网
2022-05-12 10:19:42 阅读:4063
摘要国内的氢气管网建设按下“快进键“。

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国内的氢气管网建设按下“快进键“。
 
3月出台的氢能产业发展中长期规划(2021-2035年)明确,将统筹推进氢能基础设施建设,其中包括推进开展掺氢天然气管道、纯氢管道等试点示范,以稳步构建高密度、轻量化、低成本、多元化的氢能储运体系。
 
近日,玉门油田输氢管道工程建设开工,将于6月底建成甘肃首条中长距离输氢管道。今年以来,以宁夏宝廷新能源有限公司至宁夏沃凯珑新材料有限公司氢气输送管道、中国石油玉门油田公司输氢管道工程为代表的输氢管道启动建设。
 
无论是政策还是项目推进上,我国的氢能管网建设都明显加快。当前我国的输氢管道建设目前处于怎样的水平?规模性的氢能管网建设何时到来?又将对氢能行业产生怎样的影响?
 

氢能“血管”建设起步


安全高效的输氢技术是氢能大规模商业化发展的前提。依据氢在输送时所处状态的不同,可分为气态输氢、液态输氢和固态输氢。
 
其中高压气态输氢是现阶段最为成熟的输氢方式。根据氢的输送距离、用氢要求以及用户的分布情况,高压氢气可以通过氢气管道和长管拖车进行输送,对于输送量大且距离较远的场合,利用管道输送是最为高效的方式。
 
根据输送距离分类,管道输氢又分为长距离管道输氢和短距离管道输氢,前者主要用于制氢单元与氢气站之间的高压氢气的长距离、大规模输送,输氢压力较高、管道直径较大、建设难度大、成本高。后者主要用于氢气站与各个用户之间的中低压氢气的配送,输氢压力较低,管道直径较小,建设成本较低。
 
根据实现方式,又可分为纯氢管道和天然掺氢管道。纯氢管道的铺设难度大,初始投资成本较高,是氢能管网建设的终极目标形态;在氢能发展初期,综合经济性与可行性,存在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天然气掺氢管道方式。
 
从输氢管道建设需求来看,无论是与煤炭工业紧密相连的工业副产氢,还是可再生能源制氢资源,主要集中在北方内陆地区,而东部沿海地区氢能产业发展超前,氢能需求量巨大。发展多点供应的氢能管网体系是解决区位氢源供需错配的根本途径,长远来看,也能促进全网氢气价格平衡,从而建立统一的氢能市场价格体系,实现氢能产业的整体降本和推广。
 
从实际建设情况来看,我国纯氢管道建设处于起步阶段,规模较小,总里程约400公里,已建项目以化工园区内应用为主,具体如下:
 

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备注:根据公开信息整理,存在遗漏可能
 
上述纯氢管道建设项目主要分布在环渤海湾、长三角等地。其中定州—高碑氢气管道工程是国内首条氢燃料电池的氢气管道工程,也是打造京津冀的氢走廊之一,能够满足远期整个京津冀燃料电池的用氢需求。在设计规模上基于各省市出台的燃料电池或新能源的相关规划,以及周边的供氢情况,对北京、天津、雄安新区、保定、高碑店、定州、石家庄、廊坊等地进行了供氢预测。
 
天然气掺氢管道建设方面,也已经有广东海底掺氢管道项目、朝阳天然气掺氢示范项目、张家口掺氢天然气管道示范项目、宁夏天然气掺氢降碳示范化工程中试项目展开先行探索。
 
整体而言,我国的管道输氢建设需求巨大,目前相关建设已经起步,但仍以示范项目为主,距离规模化推广尚有距离。

规模化氢能管网还有多远?


首当其冲的是技术问题。从可行性较高的掺氢管道分析,研究表明,含20%体积比氢气的天然气氢气混合燃料可以直接使用天然气输运管道,无需任何改造,运输结束后对混合气体进行氢气提纯。天然气中的氢浓度为 5%~20% 时用氢地区采用膜分离方法从混合气中提取氢,氢浓度低于 5% 时采用混合气重整制氢方法,由此既不增加二氧化碳排放,也具有长距离输氢的技术可实现性。
 
但掺氢天然气混合了烷、氢气、水、二氧化碳、氧气等多组份,不同组成的协同反应对碳素钢、二碳化钢等材料的疲劳裂纹扩张速率比在氢气当中的还要加快。目前国内外均未找到一种普世性的可推广、可复制的技术,面对掺氢天然气不同组成对管道材料的性能影响。
 
纯氢管道采用的钢铁材料面临着建设成本高、氢脆等一系列问题,而钢管成型工艺、焊缝质量、缺陷大小、钢材强度等因素都会影响其失效概率,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、氢能管道的运行和控制技术以及应急和维护的技术等仍需攻克。
 
以及配套的标准体系及产业机构。我国已发布的国家标准GB50177-2005《氢气站设计规范》、GB4962-2008《氢气使用安全技术规程》仅适用于供氢站、车间内氢气短距离配送管道,而可用于氢气长输管道的标准GB/T 34542.5《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。
 
好在2021年标准体系建设有了实质性推进,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》、由北京市公用工程设计监理有限公司主编的《氢气输送工业管道技术规程》、《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》等相继得到启动及批复,将助力我国输氢管道政策体系的完善。
 
同年7月,国家管网集团建设项目管理分公司在廊坊发起创立“氢能输送发展创新联合体”。该联合体创立计划集合了目前国内顶尖的科研院所和绿色能源、氢气制取、储运、加注领域的行业龙头,比如国家管网集团相关部门、中国石油天然气管道工程有限公司、清华大学车辆与运载学院、宝山钢铁股份有限公司中央研究院、隆基氢能科技有限公司、液空厚普氢能源装备有限公司等,致力于为后续氢气管道建设项目的推进提供强力保障。
 
最后回归到最根本的经济账。由于20%以下体积比的天然气掺氢不涉及管道重建成本,因此这里只计算混合气体本身。目前中国的城市燃气以体积进行计量,工业副产氢的价格(0.9~1.45 元 /立方米)低于等体积天然气的价格(1.8~3 元 /立方米),若直接将工业副产氢掺混输送至城市燃气管网,具备一定的经济性。
 
未来随着国家油气管网设施的开放和天然气热值计量条件的日益完善,热值计量势在必行,而氢气的体积热值约为天然气的 1/3,当氢气价格降低至 0.6~1 元/立方米时,氢气掺入燃气管网具备商业价值。
 
而纯氢管道氢气运输的成本主要包括固定成本(折旧费、维护管理费用等)和变动成本 (包括氢气压缩耗电费、油料费等)。
 
以“济源-洛阳”项目为例,该输氢管道长度25km,总投资额1.46亿元,年输送能力10.04万吨,建设成本为584万元/km, 管道使用寿命 20 年。假设管道运能的利用率达到 100%,以直线法折旧,管线配气站的直接与间接维护费用为投资额的15%,氢气压缩过程耗电1kwh/kg,电价0.6元/ kwh,且运输过程中氢气损耗率8%,TC=(管道折旧费用+维护及管道费用)×输送距离+年输氢总量×氢气压缩费+氢气运输损耗×输送距离,则可测算出长度25m,年输送能力10.04万吨的氢气管道,运氢价格为 0.86元 /kg。
 
由于压缩每公斤氢气所消耗的电量固定,管道运氢成本增长的驱动因素主要是与输送距离正相关的管材折旧及维护费用。当输送距离为 100km 时,运氢成本为 1.20元/kg,约为同等距离下气氢拖车成本的1/5。
 
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。因此,在当前加氢站尚未普及、站点较为分散的情况下,管道运氢的成本优势并不明显。当氢气下游需求足够支撑大规模的氢能输送,通过管道运输氢气是一种降低成本的可靠方法。
 
综上所述,无论是天然气掺氢管道还是纯氢管道,在技术、标准上距离规模化推广仍需要一段时间,其经济性取决于下游用氢市场的需求,以氢车示范为火车头,加上交通、工业、建筑、医学、电力等诸多领域的用氢需求增长,未来氢能产业整体发展,将持续催动管道输氢网络的建设。
 
尤其氢能在我国能源绿色低碳转型中的战略定位已经确立,基于长期考虑下,氢能管网建设突破必须前置,才能保证多元化氢储运体系的建设,实现我国氢能产业的长足发展。

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