近期，隨著國(guó)內(nèi)氫能的快速發(fā)展，作為各種運(yùn)輸方式中較為高效且低能耗、低成本的長(zhǎng)距離氫能管道運(yùn)輸逐漸被提上議事日程。雖然在國(guó)際上已有成功示范，國(guó)內(nèi)也不乏相關(guān)設(shè)施建設(shè)，但輸氫管道的發(fā)展并未與氫能的發(fā)展同步。那么，長(zhǎng)距離輸氫管道的建設(shè)存在哪些問題?距離大規(guī)模氫能運(yùn)輸還有多遠(yuǎn)的路要走?記者就此進(jìn)行了采訪。

氫能長(zhǎng)輸管道建設(shè)箭在弦上

中國(guó)工程院院士韓恩厚在近日召開的第八屆中國(guó)國(guó)際管道會(huì)議(CIPC)上做主旨報(bào)告時(shí)談道，氫能是全球公認(rèn)的二次清潔能源，發(fā)展十分迅速。在中國(guó)，管道輸氫的重要性不言而喻。

首先，從氫能產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)圖來看，分上游制氫、中游輸運(yùn)氫和下游用氫三部分。其中上游制氫涉及煤制氫、工業(yè)副產(chǎn)氫、天然氣制氫、電解水制氫和其他工藝制氫，氫能來源極為廣泛，需要純化與液化。下游用氫方面，分為加氫和氫能綜合應(yīng)用兩方面。氫能通過加氫站及壓縮機(jī)等設(shè)備，可以被大量用于交通如氫燃料電池車，工業(yè)如原材料、供電供熱，建筑如摻氫燃燒、發(fā)電等領(lǐng)域。制氫與用氫過程中都存在設(shè)備材料的氫損傷問題。

其次，根據(jù)中國(guó)資源稟賦，清潔能源生產(chǎn)基地主要分布于中西部和東北地區(qū)，能源消費(fèi)端主要集中于東部及東南沿海地區(qū)。因此，構(gòu)建現(xiàn)代化能源體系，尤其是建設(shè)大型能源通道(特高壓輸電、管網(wǎng)等)始終是提高我國(guó)能源供給保障能力的基礎(chǔ)。

韓恩厚介紹說，根據(jù)國(guó)外報(bào)道的結(jié)果，在不同氫能運(yùn)輸方式下的成本對(duì)比中，管道氣態(tài)輸氫的運(yùn)輸能力為100噸/小時(shí)，船舶為1000噸/船;管道輸氫總成本在0.1美元～1美元/千克·100千米，低于其他運(yùn)輸方式;效率為99.2%/100千米，而船舶輸氫是99.7%/天。

國(guó)家管網(wǎng)研究總院新能源中心主任王維斌博士介紹說，自成立起，國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)就加快推進(jìn)天然氣“全國(guó)一張網(wǎng)”建設(shè)，目前已經(jīng)開始布局氫能等新興領(lǐng)域。當(dāng)前全球能源格局正經(jīng)歷深刻變革，也處于轉(zhuǎn)型關(guān)鍵期，促進(jìn)油氣管道與新能源深度融合，將有利于推動(dòng)管道行業(yè)邁向高質(zhì)量發(fā)展新階段。

“我們的‘全國(guó)一張網(wǎng)’建設(shè)與高速公路的性質(zhì)相同，布局氫能等新能源領(lǐng)域，建立四通八達(dá)的氫氣運(yùn)輸管道就是為了搭建有如高速公路一般的運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)，在更高的平臺(tái)上便捷聯(lián)通多個(gè)地區(qū)，更有效地串聯(lián)起氫能產(chǎn)業(yè)鏈的上游生產(chǎn)和下游需求。”王維斌說，目前國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)正在建設(shè)其第一條純氫輸送管道——中能建石家莊鹿泉商用綠氫輸送管道。管道總長(zhǎng)49.5千米，年輸氫量4800噸，服務(wù)于石家莊鹿泉區(qū)的工業(yè)用氫需求‌。該管道起于石家莊市鹿泉區(qū)石井鄉(xiāng)鹿泉制氫基地，止于石家莊市鹿泉區(qū)經(jīng)開區(qū)中國(guó)電科十三所信息產(chǎn)業(yè)園(一期)和普興電子二廠(二期)，旨在將鹿泉制氫基地所產(chǎn)氫氣輸送到園區(qū)和電子廠，生產(chǎn)半導(dǎo)體置換器等產(chǎn)品。目前制約氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的堵點(diǎn)，就在于如何更高效地聯(lián)通氫能的產(chǎn)運(yùn)銷用產(chǎn)業(yè)鏈。相較于船運(yùn)、槽罐車液體輸送，長(zhǎng)距離大規(guī)模的管網(wǎng)輸氫最為經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，有利于通過低成本和大運(yùn)輸量更好地解決氫能產(chǎn)運(yùn)銷用貫通問題，從而促進(jìn)氫能上下游的協(xié)同健康發(fā)展。

大規(guī)模管網(wǎng)建設(shè)存技術(shù)卡點(diǎn)

盡管我國(guó)已經(jīng)規(guī)劃了烏蘭察布到燕山、康保到曹妃甸、霍爾果斯到連云港等氫能長(zhǎng)輸管道，但不可否認(rèn)的是，由于氫能運(yùn)輸管網(wǎng)建設(shè)的滯后，從中西部氫能生產(chǎn)到東南部需求之間還難以實(shí)現(xiàn)真正的匹配。那么大規(guī)模長(zhǎng)距離氫能輸送管網(wǎng)建設(shè)的卡點(diǎn)在哪兒呢?

韓恩厚談道，管道輸氫的優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)并存。優(yōu)點(diǎn)是：連續(xù)運(yùn)輸、運(yùn)量大、成本低、效率高;但挑戰(zhàn)是技術(shù)尚不成熟，安全風(fēng)險(xiǎn)高。

同樣是輸氫管道，專屬輸氫管道與天然氣管道摻氫的優(yōu)勢(shì)和問題也有所不同。在常溫高壓下，專屬輸氫管道的優(yōu)勢(shì)是：連續(xù)運(yùn)輸、運(yùn)輸量大、運(yùn)輸過程能耗低，但問題是前期投資高，審批困難，且需確保上游氫源充足。天然氣管道摻氫運(yùn)輸?shù)膬?yōu)勢(shì)是：可利用現(xiàn)有西氣東輸管道，減少前期投資成本，也可連線運(yùn)輸，且運(yùn)輸量大;問題是摻氫輸運(yùn)的機(jī)理研究尚顯不足、難以跟上輸氫的迫切需求，相關(guān)操作參數(shù)如摻氫比等不確定，氫氣的摻入可能會(huì)降低管道的安全性。

韓恩厚說，其團(tuán)隊(duì)目前已經(jīng)開展了多項(xiàng)相關(guān)研究工作，比如研發(fā)出了多因素耦合作用下的滲氫擴(kuò)散與氫失效測(cè)試技術(shù)與裝備;證實(shí)了外腐蝕與內(nèi)氫協(xié)同作用增加了管線鋼的氫脆敏感性，因此在役天然氣管道輸氫應(yīng)充分預(yù)評(píng)估;利用第一性原理計(jì)算獲得了氫分子在滑移臺(tái)階易解離—吸附—擴(kuò)散，明確了管道的局部塑性形變會(huì)促進(jìn)氫分子解離和擴(kuò)散;建立了金屬管材和焊縫的氫促失效數(shù)據(jù)庫(kù);制定了純氫/摻氫埋地鋼質(zhì)管道在氫與外腐蝕耦合下的慢應(yīng)變速率試驗(yàn)方法(測(cè)試標(biāo)準(zhǔn))。特別是通過理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)證明，微量氧和一氧化碳可以抑制氫的解離、滲透和氫脆，并建立了相應(yīng)的模型，該結(jié)果有望成為保障輸氫管道安全的重要措施。

“但未來仍將面臨一些挑戰(zhàn)。”韓恩厚強(qiáng)調(diào)說。

首先，關(guān)于氣態(tài)氫下的管線鋼材料氫脆機(jī)理不明。盡管現(xiàn)有氫脆機(jī)理多，但是目前在管道輸氫上的爭(zhēng)議較大。這是由于不同材料體系間的多因素耦合作用所致。

第二，理論計(jì)算不深。目前計(jì)算結(jié)果較少，現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)提供了良好機(jī)遇，需要進(jìn)一步深入研究并進(jìn)行一系列理論計(jì)算。

第三，缺乏先進(jìn)試驗(yàn)研究技術(shù)。雖然團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一些測(cè)試裝備并形成了發(fā)明專利，但目前的檢測(cè)和表征手段難以直接觀察到氫在管線鋼基體中的擴(kuò)散路徑和分布特征。高通量試驗(yàn)技術(shù)也較少。目前需要高通量且快速的試驗(yàn)技術(shù)，但這些需要長(zhǎng)期的研究，花費(fèi)的時(shí)間長(zhǎng)，代價(jià)大。

第四，多因素耦合作用機(jī)理和規(guī)律研究有待進(jìn)一步加強(qiáng)。包括內(nèi)外腐蝕之間的作用、應(yīng)力的促進(jìn)作用以及氣體參數(shù)影響也有待進(jìn)一步澄清。

“此外，很多臨氫材料和焊縫的氫損傷數(shù)據(jù)嚴(yán)重缺乏，如果不注意脆化韌性降低問題，一旦發(fā)生事故，后果不堪設(shè)想;摻氫/純氫輸運(yùn)管線鋼的輸運(yùn)參數(shù)選擇尚不明確，缺乏科學(xué)依據(jù);管道的摻氫/純氫輸運(yùn)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)缺乏、尚未形成安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn);而且在役檢查技術(shù)仍有待深入研發(fā)，如缺乏基于機(jī)理的檢查技術(shù);摻氫/純氫輸運(yùn)管道的壽命預(yù)測(cè)理論目前尚未形成，缺乏氫損傷動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)與規(guī)律。針對(duì)上述一系列問題，亟需加大研發(fā)投入。”韓恩厚表示。

推進(jìn)管網(wǎng)建設(shè)需標(biāo)準(zhǔn)先行

在第八屆中國(guó)國(guó)際管道會(huì)議(CIPC)上，國(guó)家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)有限公司黨委書記、董事長(zhǎng)張偉指出，在大口徑、高壓力氫能管道輸送成套技術(shù)上，國(guó)家管網(wǎng)已經(jīng)完成我國(guó)首次大尺度天然氣長(zhǎng)輸管道摻氫燃爆工業(yè)驗(yàn)證試驗(yàn)，形成天然氣管道摻氫和純氫輸送成套技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn);同時(shí)牽頭編制了《天然氣管道摻氫輸送技術(shù)要求》《輸氫管道完整性管理》2項(xiàng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)以及《在役天然氣管道適應(yīng)性評(píng)價(jià)方法》《氣相氫環(huán)境管道斷裂韌性評(píng)估方法》2項(xiàng)ISO標(biāo)準(zhǔn)，為全球氫能管輸產(chǎn)業(yè)發(fā)展貢獻(xiàn)管網(wǎng)智慧。

“我們受委托制定了氫失效測(cè)試技術(shù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，全稱為《金屬和合金的腐蝕 純氫/摻氫埋地鋼質(zhì)管道在氫與外腐蝕耦合下的慢應(yīng)變速率試驗(yàn)方法》，預(yù)計(jì)今年正式發(fā)布。”韓恩厚說。

中國(guó)石油管道局工程有限公司一級(jí)工程師王亮告訴記者，他們幫助張家口海泰氫能科技有限公司規(guī)劃的康保—曹妃甸氫氣長(zhǎng)輸管道項(xiàng)目已經(jīng)河北省發(fā)改委批復(fù)并開始設(shè)計(jì)，主要是利用張北風(fēng)光發(fā)電制綠氫，通過管道運(yùn)送至曹妃甸工業(yè)園，兩地之間相距近1000千米。

“就氫能等新能源產(chǎn)業(yè)良性發(fā)展而言，中游儲(chǔ)運(yùn)端的作用變得越來越關(guān)鍵，但是中游的發(fā)展還需要政策的推動(dòng)，單純依靠企業(yè)無法解決所有問題。此前，氫氣輸送管道建設(shè)并無明確標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)，2024年12月25日新發(fā)布了由中國(guó)石油管道局工程有限公司主編的《輸氫管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，將于2025年的6月份開始實(shí)施，為中游氫能運(yùn)輸端打通了標(biāo)準(zhǔn)政策通道。”王亮說，目前其實(shí)行業(yè)內(nèi)對(duì)輸氫管道的認(rèn)識(shí)不同、說法不一。有的人覺得應(yīng)該對(duì)輸氫管道的可靠性設(shè)計(jì)制定更高的標(biāo)準(zhǔn)、有更高的要求，比如說環(huán)焊縫根部缺欠的容許范圍，也有人認(rèn)為其與天然氣運(yùn)輸管道沒有太大區(qū)別，可以按照天然氣管道相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。目前，國(guó)內(nèi)尚無長(zhǎng)距離管道輸氫的具體實(shí)踐，因此，行業(yè)需要做的工作還很多。

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