现代化工

现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (5) : 25-30. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.05.004

专论与评述

氢能管道输送技术发展现状与分析

杨明 ¹^,² ,
李龙冬 ¹^,² ,
张伟凯 ¹^,² ,
林小飞 ¹^,² ,
曹权 ³^,^* ,
张晓瑞 ³

作者信息 +

Development status and analysis of hydrogen pipeline transportation technology

Ming YANG ¹^,² ,
Long-dong LI ¹^,² ,
Wei-kai ZHANG ¹^,² ,
Xiao-fei LIN ¹^,² ,
Quan CAO ³^,^* ,
Xiao-rui ZHANG ³

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摘要

氢能的管道输送包括高压气态氢输送和液态氢基能源(液氨或甲醇)输送,管道为新建或利用原有管道改输,已具备一定的发展基础,但仍面临技术与经济的双重挑战。介绍了氢能管道输送的技术分类与技术原理,并给出评价指标,总结了国内外氢能管道输送的发展现状与趋势,分析了氢能管道输送的关键技术与经济性。氢能管道输送具备一定的技术可行性,将迎来规模化的发展,成为最高效、最经济的氢能大规模长距离输送方式。

Abstract

Hydrogen pipeline transportation encompasses high-pressure gaseous hydrogen transport and liquid hydrogen-based energy carriers (such as liquid ammonia or methanol) transport.These pipelines can be newly constructed or converted from existing pipelines,and there is already a foundation for their development.However,they still confront dual challenges from technology and economy.This paper introduces the technical classifications and principles of hydrogen pipeline transportation,provides evaluation indicators,summarizes the current status and trends of hydrogen pipeline transportation development both in China and in the globe,and analyzes the key technologies and economy of hydrogen pipeline transportation.Hydrogen pipeline transportation,with its technical feasibility,is poised for scaled development,and expected to become the most efficient and economical method for large-scale and long-distance hydrogen transportation.

Graphical abstract

关键词

管道 / 经济性 / 关键技术 / 液态氢基能源 / 氢气

Key words

pipeline / economy / key technologies / liquid hydrogen-based energy / hydrogen

Author summay

杨明(1985-),男,硕士,高级工程师,研究方向为油气、新能源储运技术,yangming04@pipechina.com.cn。

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杨明,李龙冬,张伟凯,林小飞,曹权,张晓瑞. 氢能管道输送技术发展现状与分析[J]. , 2025, 45(5): 25-30 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.05.004

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现阶段,我国正加快建设以新能源或可再生能源为主、利用先进技术和系统来实现能源高效利用和可持续的新型能源体系^[1]。氢能作为一种来源丰富、绿色低碳、应用广泛的二次能源,是新型能源体系的重要组成部分,近年来得到了快速的发展^[2]。氢气可以直接利用,也可以合成液氨、甲醇等液态氢基能源后进行利用,均可以利用管道进行输送。

氢能储运是连接上游制氢及下游用氢的关键环节,在氢能产业发展中至关重要。氢能储运成本是影响氢能产业发展的重要因素,占据了用氢成本的30%以上^[3]。目前,氢气主要通过高压长管拖车以气态形式运输,但这种方式受限于运输距离和规模^[4]。管道输送是确保能源从源端输送至用户端的核心环节,在提升能源系统的安全性与维持社会正常运行等方面具有不可替代的重要性^[5]。利用管道运输不仅可以实现氢能大规模、长距离输送,也可以有效缓解氢能供需空间不平衡的问题,是最理想的输氢方式。氢能的管道输送包括输送气态氢或输送液态氢基能源(液氨与甲醇)。

随着氢能需求量的快速增加,氢能输送管道也会迎来大规模的发展。2023年,我国氢气产量约 3 500万t,已成为世界最大产氢国^[6]。预计到2050年,氢能在我国终端能源体系中占比有望达到10%^[7]。氢能管道输送在我国尚处于起步阶段,面临技术不成熟与经济性较差的双重挑战。本文介绍了氢能管道输送的技术分类与技术原理,总结了国内外的发展现状与趋势,分析了氢能管道输送的关键技术与经济性,提出了相关发展建议,研究结果可为相关企业发展氢能管道输送产业提供可靠参考。

1 技术分类与原理

1.1 技术分类

氢能管道输送根据输送介质不同主要分为管道输送气态氢、管道输送液态氢基能源两类。管道输送气态氢包括纯氢管道输送和天然气管道掺氢输送,管道为新建或利用天然气管道进行改输。管道输送液态氢基能源包括管道输液氨与管道输甲醇,管道为新建或利用输油管道进行改输,具体分类如图1所示。

1.2 技术原理

管道输送气态氢技术是指上游制取的氢气经过压缩机加压后,送入纯氢管道或掺入天然气管道中输送至用氢终端。纯氢管道输送的氢气可以直接利用,掺氢天然气可以直接利用或将天然气中的氢气进行提纯后利用。

管道输送液态氢基能源技术是指上游制取出的氢气通过与氮气反应合成液氨,或与二氧化碳等反应合成甲醇,依托改造后的输油管道或新建管道输送至终端用户。液氨和甲醇可以直接利用,也可以在终端重整为氢气使用。管道输氢及液态氢基能源的技术原理如图2所示。

1.3 技术指标

(1)运行指标

设计压力:输氢管道≤10 MPa^[8];液氨管道 ≤10 MPa(国外)^[9],≤3.4 MPa(国内)^[10];甲醇管道≤10 MPa^[11]。

介质流速:输氢管道10~15 m/s^[12];液氨管道≤1.5 m/s^[13];甲醇管道1~2 m/s^[14]。

(2)安全指标

能量密度:氢气120~142 MJ/kg^[15]、液氨12.7 MJ/kg^[16]、甲醇20 MJ/kg^[17]。

爆炸极限:氢气4.1%~75%、液氨6%~36.5%、甲醇15%~28%。

金属管材:输氢管道利用S31603、S31603、6061、4130X、X42、X52等低钢级等材料^[18];液氨管道利用20^#钢、Q345、不锈钢等材料^[19];甲醇管道利用X60及以下低钢级等材料^[20]。

2 国内外发展现状与趋势

2.1 管道输氢发展现状

管道输氢作为一种高效、经济的氢能输送方式,在全球范围内逐渐受到重视并呈现出快速发展的趋势。目前全球范围内纯氢管道总里程超过5 000 km^[3]。美国、法国、德国等发达国家在建设和运行方面已经有了一定的实践和经验,我国纯氢管道建设处于起步阶段,规模较小,现有纯氢管道总里程约为 400 km^[21]。在纯氢管道建设规划上,欧洲氢能源骨干网计划在2040年之前部署超过5万km的氢管道网络。截至2024年,我国已有多个省级行政区发布了氢能产业发展专项规划或实施意见,规划建设的纯氢管道总长度已超过5 000 km。预计到2030年,我国各类输氢管道建成总里程将突破5 000 km,并在2035年前达到万公里级别。表1为国内外已建成投运的代表性纯氢管道情况。

天然气掺氢一般利用现役天然气管道进行氢气输运。国外掺氢管道建设起步较早,技术相对成熟。欧洲、美国等地区已建成多条掺氢管道,并在实际运行中积累了丰富的经验^[25]。国内天然气掺氢管道正处于示范验证阶段,2023年4月,中石油在宁夏银川宁东开展了天然气管道掺氢运行示范,天然气管道中的氢气体积分数最高达到24%。此外,国内正在加快新建天然气掺氢管道。

2.2 管道输液态氢基能源发展现状

(1)国外管道输氨具有较大的规模和技术优势,国内尚处于初步发展阶段。液氨管道输送在美国和俄罗斯有较大规模的应用。美国输氨管网始建于1960年,目前已建管道总里程约5 000 km,其中最长的一条管道长度约3 100 km,运输能力达225万t/a。俄罗斯液氨管道总里程约2 400 km,设计输送能力约250万t/a。中国液氨管道建设起步较晚,总里程相对较短。目前,国内共建有液氨管道4条,总长度不超过200 km,总输量不足100万t/a。表2为国内外已建成代表性液氨管道情况。

(2)在管道输甲醇建设运营方面,国内外都处于初步阶段。加拿大有2条甲醇长输管道处于运行状态,其中一条由原油管道改输甲醇,管道全长 1 146 km,另一条由液化石油气管道改输甲醇,管道全长3 000 km。美国总计有48 km液体甲醇管道、6.4 km甲醇蒸气管道。近年来,随着甲醇产业的发展,我国也建设了几条甲醇输送管道,其中云南大卫制焦有限公司修建了一条8.4 km的甲醇输送管道,华电榆林天然气化工有限公司建设了一条5.1 km的甲醇输送管道。2021年,中煤鄂尔多斯能源化工有限公司甲醇技改项目配套管道工程成功投产,成为中国首条甲醇制烯烃长输管道,全长约52 km^[27]。

2.3 发展趋势

管道输氢及液态氢基能源作为氢气长距离运输的关键技术之一,未来将呈现规模化建设的发展趋势。我国氢能存在供需空间不平衡的问题,绿氢的生产集中在三北地区,如内蒙古、新疆、云南等,绿氢消纳能力有限,且不具备大规模的输送能力,而绿氢消费主要集中在中部地区与沿海地区。一方面,相关能源企业已在布局新建纯氢长输管道;另一方面,随着“氨-氢”绿色能源和“液态阳光”碳中和技术的快速发展,液氨和甲醇的生产预计将迎来大幅增长。氢能的管道输送可以借助现有的输气、输油管道网络,实现从西部到东部的安全、高效输送。

3 关键技术及经济性分析

3.1 关键技术分析

3.1.1 管材适应性分析

氢环境常用的金属材料有S31603、S31603、6061、4130X、X42、X52等低钢级材料。氢致失效是输氢高钢级金属管材研发的主要技术挑战之一,主要表现形式为氢致开裂与氢致鼓包等^[28]。国内外相关学者已经展开系列机理研究与实验研究,但研究结论并未得到广泛的认可。Cwiek等^[29]研究发现当钢材抗拉强度小于700 MPa时,钢材并不容易发生氢致失效,而当钢材抗拉强度超过1 000 MPa后出现氢脆问题的可能性才显著提高。现有结果表明高钢级、高压力情况下,钢材更易受到氢气的影响。

液氨会对铜、锌及其合金产生腐蚀作用,输送管道应采用无缝钢管,其质量最低应符合GB8163—2018《流体输送用无缝钢管》的要求。20^#钢具备价格低、焊接工艺简单且焊口质量高等优点,是液氨管道的首选材料。20^#钢使用的极限温度为-20℃,在极端操作工况下,液氨气化吸热会造成局部温降,引发局部管道材质处于-20℃以下,导致管道发生冷脆现象。在低温操作情境下,推荐采用低温碳钢Q345或不锈钢作为管道材质^[30]。

甲醇腐蚀性较弱,本身腐蚀速率仅为0.05 mm/a。现有研究结果表明,可以利用改造成品油管道进行甲醇的管道输送,中国已建成品油管道多采用低钢级,多为X60及以下。甲醇在生产过程中会混入少量的酸性物质,如甲酸、甲酸甲酯等。此外,甲醇本身具备很强的吸水性,受到空气的氧化或细菌发酵作用下也会产生甲酸。甲酸具有较强腐蚀性,当甲醇中含有一定量的水和有机酸时,会增加其腐蚀性,导致管道发生钢应力腐蚀开裂^[30]。

3.1.2 安全风险及措施

管道在运行过程中面临的最大风险在于管道可能会受到化学腐蚀、人为破坏及地质灾害等不利因素的影响,导致管道结构失效发生泄漏。

氢气为无色无味气体,相对分子质量仅为2.02,氢气属于极易燃气体,在空气中燃烧时,火焰呈蓝色,不易被发现。此外,氢气具备较宽的爆炸极限范围,为4.1%~75%,一旦遇热或明火便可能发生爆炸,造成严重的事故。氢气发生泄漏后,应在第一时间切断气源,若无法切断气源,则不允许熄灭泄漏处的火焰。人员处于高浓度氢的环境下会发生窒息,应急救援人员在处理时必须佩戴空气呼吸器、穿防静电工作服^[31]。

氨在常压下低于-33℃或在常温下达到 0.7 MPa以上时处于液体状态,输氨的管道一旦发生泄漏,暴露在空气中的液氨会迅速气化为氨气。氨气无色、有刺激性恶臭,人一旦吸入后会中毒。此外,氨气易燃,与空气混合后能形成爆炸性混合物,遇到明火可能会发生爆炸。但氨的爆炸极限范围较窄,为15%~28%。输氨管道发生泄漏后,应立即消除所有点火源,将下风向地区的人员从侧风、上风向撤离至安全区,应急处理人员应穿内置正压自给式呼吸器的隔绝式防护服^[30]。

甲醇为无色透明液体,有刺激性气味。输送甲醇的管道发生泄露后,由于甲醇的饱和蒸汽压力较低(20℃时为12.3 kPa),容易在空气中形成蒸汽。甲醇具有毒性,短期内吸入高浓度甲醇蒸汽或皮肤直接接触液体甲醇,会引起急性或亚急性中毒。此外,甲醇的爆炸极限范围为6%~36.5%,如果此时遇到火源,就可能发生闪火或爆炸。甲醇泄漏后的处理方式与氨类似,发生小量泄漏时,可以用砂土或其他不燃材料吸收;发生大量泄漏时,应该构筑围堤或挖坑收容、用抗溶性泡沫覆盖并喷撒水雾减少蒸发^[30]。

3.1.3 标准建设分析

对于管道输氢及氢基液体能源,我国尚未形成完整的输送技术标准体系。现有氢气输送管道基本参照国内天然气输送管道及国外氢气管道标准ASME B31.12—2019设计建造,液氨与甲醇输送管道基本参照国内输油管道的相关标准。随着我国氢能产业的规模化发展,相关工程建设和相关研究也在快速推进,管道输氢及氢基液体能源标准的建设也进入加速发展阶段。管道输氢及氢基液体能源的标准情况见表3。

3.2 经济性分析

3.2.1 管道输氢

与气氢拖车和液氢罐车相比,管道输氢是效率最高的大规模运输方式。当输氢量为10万t/a、管道运能利用率为100%时,管道输氢成本随着输送距离增大而增大。距离为50~1 000 km内,管道输氢的运输成本在0.8~4.66元/kg之间。管道输氢成本分析见表4。

欧洲氢主干网计划到2040年建成53 000 km的氢气管道,其中60%的管道由天然气管道改造而来,40%为新建管道。经过测算,氢主干网的总投资成本将在800亿~1 430亿欧元之间。假设负荷系数为5 000 h/a,预计年运营成本在16亿~32亿欧元。氢气输送距离超过1 000 km时,陆地氢气管道运输成本为千公里0.11~0.21欧元/kg,海底氢气管道运输成本为千公里0.17~0.32欧元/kg。预计2040年每公斤氢气的生产成本为1.0~2.0欧元,输送距离为1 000 km时,输送成本占氢气生产成本约10%,具有较好的成本效益。欧洲氢主干网输氢成本预测见图3。

3.2.2 管道输液态氢基能源

氢气体积能量密度远低于液氨,利用管道输氢需要更大的管径和更多的压缩能耗。按热量等价计算,利用管道输液氨的成本远低于输氢。但加上氨合成装置的成本后,二者输送成本接近。若在终端将氨还原为氢气,则管道输氨经济性低于管道输氢。若用能终端必须使用氢气,则规模化管道输送液氨不太具有经济适用性,除非能够使用现役的成品油管道改输液氨。管道输氢与输液氨经济性对比见表5。

与液氨的其他输送方式对比,在100 km以内,氨的管道运输费成本与铁路和公路运输液氨罐差距不明显,运输距离越长,管道运输优势则越大。不同液氨输送方式成本对比见图4。

现阶段,我国甲醇的生产主要集中在中西部地区,特别是四川、新疆等地区,消费主要集中在沿海地区。运输主要利用公路和铁路,运输能力不足且费用昂贵。管道运输有利于企业提高竞争力、经济效益和实现良性发展。不同甲醇运输方式成本对比见表6。

4 结论

随着氢能产业的快速发展,氢能管道输送也将迎来规模化发展,成为最高效、最经济的氢气输送方式。本文介绍了氢能管道输送的技术分类与技术原理,总结了氢能管道的发展现状,对氢能管道输送开展了关键技术与经济性分析,得到以下结论。

(1)在技术分类与原理方面,氢能管道输送主要分为管道输氢、管道输液氨、管道输甲醇。管道输氢可利用天然气管道改输或新建管道,输送方式为天然气掺氢输送或纯氢输送。管道输液氨、甲醇可利用输油管道改输送或新建管道。液氨和甲醇可以直接利用或在终端转化为氢气利用。

(2)在氢能管道建设现状方面,目前全球范围内氢气管道总里程超过5 000 km,国外在建设和运行方面已经有了一定的实践和经验,已规划超过 5万km的氢管道网络。我国氢气管道处于起步阶段,现有总里程约为400 km,规划建设的纯氢管道总长度已超过5 000 km。对于液氨和甲醇管道,现阶段国内外均处于起步阶段,但我国具备较大的发展前景。

(3)在关键技术方面,氢致失效是输氢高钢级金属管材研发的主要技术挑战之一,液氨管道应避免管道发生冷脆现象,甲醇管道应重点关注混入杂质后产生甲酸引起的管道腐蚀性,以上因素引起的管道泄漏是管道输氢面临的最大风险。此外,国内外氢能管道输送标准体系尚不完善,亟需加快建设。

(4)在经济性方面,管道长距离大输量运输氢能是未来成本最低的氢气运输方式。管道输液氨、甲醇的费用低于管道输氢,若考虑合成液氨、甲醇装置以及液氨、甲醇转化为氢气的装置建设费用,则管道输氢的运输成本最低。

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原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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