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基于封存管道再利用的甲醇外输规划要点研究

吴国其 ,  候宇坤 ,  于润泽 ,  潘毅

现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (10) : 15 -20.

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现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (10) : 15-20. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.10.003
专论与评述

基于封存管道再利用的甲醇外输规划要点研究

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Research on key points of methanol export planning based on reuse of mothballed pipelines

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摘要

随着“双碳”战略的走深走实,甲醇逐渐成为消费领域重要的化工原料和绿色燃料替代品,但甲醇资源终端市场的竞争力不足、生产资源条件受限等问题仍面临长期挑战。因此,合理评估甲醇产业发展空间,制定科学的甲醇外输管道规划策略,对于构建现代化工基础设施体系具有积极意义。通过深入分析甲醇产业建设现状,明晰了甲醇资源市场特点和发展规律,在综合研判我国甲醇行业发展机遇与挑战、成品油消费趋势、成品油管道利用率基础上,从甲醇物理化学性质、资源市场、流向格局以及封存成品油管道可利用条件等几个方面出发,最终提出了基于封存成品油管道再利用的甲醇外输规划关键问题与要点,为甲醇大规模外输提供一种新的思路,分析结果可有效盘活封存成品油管道资产,为我国甲醇外输管道规划设计提供参考,对于从降低全社会物流成本角度出发优化甲醇长输管道建设,推进甲醇规模化应用具有积极意义。

Abstract

As the “carbon dioxide emission peaking and carbon neutrality” strategy is increasingly implemented in depth,methanol has gradually emerged as an important chemical raw material and green fuel substitute in the consumer sector.However,the issues such as insufficient competitiveness in the terminal market for methanol resources and limited production resource conditions remain long-standing challenges.Therefore,reasonably assessing the development potential of the methanol industry and formulating scientific methanol export pipeline planning strategies have positive implications for building a modern chemical infrastructure system.Through conducting an in-depth analysis on the current construction situation of the methanol industry,this account clarifies the market characteristics and development patterns of methanol resources.Based on a comprehensive assessment of the development opportunities and challenges faced by the methanol industry,consumption trends of refined oil products,and the utilization rate of refined oil pipelines in China,this account proposes ultimately the key issues and points for methanol export planning based on the reuse of mothballed refined oil products pipelines,considering the aspects such as the physical and chemical properties of methanol,resource markets,methanol flow patterns,and the reusable conditions of mothballed refined oil products pipelines.This research provides a new perspective for large-scale methanol export.The analysis results can be utilized to effectively revitalize the assets involving the mothballed refined oil products pipelines,and provide a reference for the planning and design of methanol export pipelines in China.From the perspective of reducing logistics cost across society,this research has positive implication for optimizing the construction of long-distance methanol pipelines and promoting the large-scale application of methanol.

Graphical abstract

关键词

能源转型 / 规划要点 / 资产盘活 / 封存管道 / 低负荷率 / 成品油管道 / 甲醇外输

Key words

energy transition / planning essentials / asset revitalization / mothballed pipeline / low load rate / refined oil pipeline / methanol export

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吴国其,候宇坤,于润泽,潘毅. 基于封存管道再利用的甲醇外输规划要点研究[J]. , 2025, 45(10): 15-20 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.10.003

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近年来,国家各部委针对能源转型发展召开多次会议,指出加快发展方式绿色升级,推动能源系统和经济社会全面低碳转型,是实现碳达峰和碳中和目标、发展新质生产力的必然路径[1]。在国家战略“双碳”目标背景下,石化企业通过能源低碳转型大力发展循环经济势在必行。截至2024年,中国甲醇产能、产量及市场消费位居全球第一,中国作为甲醇生产及消费大国在全球甲醇生产消费中占绝对主导地位。当前,中国甲醇生产工艺以煤制甲醇为主,约占甲醇所有生产工艺的76%[2]。由于资源禀赋的特点,我国甲醇生产主要集中在煤炭资源较好的西北、华北等内陆地区,而甲醇消费主要集中在经济较为发达的华东等沿海地区。资源市场格局决定了通过管道运输的方式向中东部市场辐射是甲醇未来的主要输送方式,但从成本角度分析,新建甲醇外输管道需要投入土地征用、管道铺设、设备购置、施工建设等多个环节的巨额资金,而利旧同为液体石化介质的封存成品油管道能够大幅削减以上前期投资,有效降低管道建设成本。有研究表明,利旧现有封存管道成本比新建管道低65%至94%,特别是在小口径管道中,成本优势更为明显[3]。基于此,本文从能源供给新形势的角度出发,研究甲醇产业外部环境,结合甲醇资源市场特点与封存成品油管道适配性,分析了封存成品油管道改输甲醇外输管道的规划要点,以期在供应链视角下为我国能源转型提供技术支撑。

1 甲醇产业发展概况

我国甲醇生产始于新中国第一个“五年计划”,前苏联援助的我国工业建设时期,我国第一套甲醇生产装置于1957年10月在吉林化肥厂投产。经过近50年的自主发展,我国甲醇生产已具备较强的国际竞争力,逐步进入高质量发展阶段[4]。自“十二五”开始,国家密集出台相关政策,有序推进甲醇行业高质量发展:《甲醇行业“十二五”发展规划》要求,淘汰甲醇落后产能[5],到2015年,将大型企业甲醇产能提高75%以上,并将甲醇产能控制在 5 000万t/a以内[6],以提高产业整体竞争力;《甲醇行业“十三五”发展规划》指出,推进甲醇产业技术创新,鼓励煤制甲醇、天然气制甲醇等清洁能源开发[7-8];《“十四五”工业绿色发展规划》指出,加快实施创新驱动发展战略,重点发展绿色低碳技术和甲醇燃料汽车的推广应用,推动甲醇产业的绿色转型和可持续发展[9-11]。总体而言,“十二五”“十三五”期间,中国甲醇生产通过淘汰落后产能,不断实现产业转型升级,“双碳”战略实施后,国家对新能源、新材料等领域高度重视,甲醇作为重要的化工原料和新能源载体被鼓励进一步深度利用,持续推动甲醇行业在能源化工领域地位提升。

2 面临的机遇与挑战

2.1 发展机遇

2.1.1 能源绿色转型发展加速

《2030年前碳达峰行动方案》指出,到2030年,当年新增新能源、清洁能源动力的交通工具比例达到40%左右,营运交通工具单位换算周转量碳排放强度比2020年下降9.5%左右[12]。根据国家管网创新公司预测,随着新能源汽车冲击影响的加剧,预计成品油消费将在2025年达到4亿t左右峰值,随后进入平台期并稳步下降,我国成品油消费现状及预测趋势如图1所示。
近几年,甲醇凭借燃烧清洁、成本较低的优势在工业领域和交通领域呈现明显增长趋势[13-14]。随着全球及中国经济的稳步复苏,制造业、建筑业等行业的快速发展带动了甲醇在涂料、胶粘剂、塑料加工等领域的广泛应用。新能源领域的崛起,特别是甲醇汽车和甲醇燃料电池技术的不断突破,为甲醇开辟了全新的市场需求空间,进一步增强了甲醇需求潜力。根据睿咨得数据,2023年,中国甲醇消费量 8 330万t,增量130万t,同比增长1.6%,预计2030年市场消费量将突破10 000万t,2040年达到 14 000万t,长期保持稳定增长趋势,我国甲醇消费现状及预测趋势如图2所示。

2.1.2 甲醇管输体系逐步构建

在“双碳”战略背景下,中国能源结构逐渐从化石能源为主转向电气新能源为主,随着我国成品油市场在2025年前后达峰,逐步萎缩的成品油消费市场为成品油管道运营企业带来巨大冲击,成品油管道运营企业高效发展面临严峻挑战。随着甲醇外输需求的持续增长,甲醇外输管道的发展将成为产业链中不可或缺的重要一环,甲醇通过已有成品油管道设施储运有望成为成品油管道运营企业开辟第二增长曲线的突破口。相比于公路、铁路的运输方式,甲醇长输管道在损耗控制、运输成本及稳定性方面展现出巨大优势:损耗控制方面,在输送过程中甲醇管输损耗仅为0.2%,而采用公路铁路运输,因频繁的装卸车,损耗量为0.3%~0.5%,管道运输表现出更好的可靠性。运输成本方面,管道运输约为0.2元/tkm,而铁路为0.5~0.9元/tkm,公路为 0.5元/tkm[15],采用管道运输方式,可实现每吨每公里节省运输成本0.3~0.7元,管道运输利润空间更大。
实验表明,在-10~50℃温度范围内,任一醇油比下无水甲醇与汽油均可完全互溶,通过低负荷成品油管道顺序输送甲醇面临较大的成本限制[16-17],制约甲醇向终端市场供应。当前,国内外尚无甲醇与成品油顺序输送经验,甲醇外输管道建设以专管专输方式为主。加拿大投产运营2条甲醇长输管道,一条由原油管道改输,管道全长1 146 km,设计输送能力4 000 t/d;一条由液化石油气管道改输而来,管道全长3 000 km,设计输送能力4 000 t/d[18]。2021年5月,中煤鄂能化年产100万t甲醇技改项目配套管线工程投产运行,管道线路全长约52 km,设计压力2.5 MPa,管道规格为D355.6 mm,设计输送能力200万t/a。填补了我国甲醇长距离输送管道建设的空白[19-20]。目前,国家管网集团西部管道公司已建设新疆多介质管道安全输送重点实验室,正在开展氢气、二氧化碳、液氨、甲醇等管道输送实验,为相关生产企业提供更多新型能源产品的管输服务,进一步促进我国构建新型能源管输体系构建。

2.2 面临挑战

根据海关总署数据,2023年我国甲醇进口量 1 455万t,增量236万t,同比增长19.3%,对外依存度为17.4%,较上一年上涨2.5%,进口来源相对集中在阿曼、阿联酋和沙特等中东国家,预计2024年以后中国甲醇对外依存度将依旧保持逐年上升趋势,2024年我国甲醇进口来源分布情况如图3所示。
中国甲醇市场进口依赖度持续走高,主要原因为国内甲醇生产和运输成本居高不下:由于国内煤制甲醇生产过程中需要使用昂贵的催化剂和高温高压等条件,国内中小企业因成本和技术原因,装置运行效率不高,开工率低,能耗和操作成本高;而国外天然气制甲醇装置集约化较强,制取流程更短,在低廉的天然气价成本的优势下中东天然气制甲醇生产成本更低,约为国内甲醇生产成本相对比例的49%(表1)[2]。
表2显示了我国甲醇生产主要分布情况,表3显示了我国甲醇消费主要分布情况,由于我国甲醇资源市场空间错位问题,当前我国依赖火车、汽车等陆路运输的甲醇运输方式导致国内甲醇总体运输成本较高,运输成本占终端价格的15%~30%[20],相对于上岸后就近进入消费市场的进口甲醇,国内煤制甲醇本地优势不足,终端价格竞争力较差。

3 成品油管道布局特点

3.1 建设现状

我国原油管道通常起于大型油田或进口通道,以最优路径将原油输送至炼厂,炼厂成品油则通过成品油管道供应至成品油库,进而与铁路、公路衔接将成品油输送至加油站等消费终端用户。目前,国家管网已建成“两纵两横”成品油骨干管网。以及华东、华北、华中、华南、西南等五大区域成品油管网,形成了以水路和铁路主导的跨区域运输、管道主导区域内运输、公路覆盖炼厂周边市场的多式联运体系。原油成品油管网连接国内18家主要油田及40家大型炼厂,覆盖全国26个省市自治区。

3.2 发展趋势

截至2023年,由于市场消费不及预期、超龄管道到期退役等原因,国家管网封存成品油管道里程超750 km。随着新能源领域发展进程加速,在役成品油管道平均负荷率较低,盈利能力较差,考虑到下游石油消费市场将进一步萎缩可能,未来东北、京津冀及华中等资源市场变化较大地区将面临大量成品油管道退役问题。

4 成品油管道改输甲醇规划要点

基于甲醇生产消费特点以及面临的发展机遇和挑战,成品油管道改输甲醇的规划设计应遵循能源行业低碳转型、降低物流成本等方面的方针和政策,在“试点先行,积极推动”的原则下,深度挖掘封存管道剩余价值,吸纳甲醇输送领域最新研究成果,并充分考虑以下各项要点。

4.1 多维度分析甲醇在管输条件下的物化特性

在成品油管道改输甲醇时,需重点关注管道输送条件下甲醇物理化学性质随温度、压力等条件的变化情况,以此作为成品油管道改输甲醇的规划设计基础。为了防止管内压力低于饱和蒸气压发生气化,液体管道高点压力是调度重点,甲醇常温下为液体状态,相对于成品油甲醇饱和蒸气压仅为汽油的15%,管输甲醇流动安全性较高。从密度上来讲,汽油的密度大约为0.72 g/cm3,而甲醇密度与汽油相近,约为0.79 g/cm3;从黏度上来讲,汽油粘度为0.58 cp,甲醇粘度为0.59 cp,二者同为低黏度液体。甲醇低密度、低黏度的理化特性有助于减少介质沿程摩阻损失,可为管道运行时的压力控制提供有利条件。在腐蚀性方面,甲醇pH为6.8~7.0,接近中性,对于金属几乎无腐蚀性,但甲醇在生产过程中可能混入少量的酸性物质,张娟利等[21]通过实验证明在汽油中加入体积分数为5%的甲醇即可明显地增加其腐蚀性,因此,在评估封存成品油管道是否适合改输甲醇时,需要特别关注其腐蚀性。总体而言,甲醇与成品油的理化性质相似度较高,具备良好的封存成品油管道系统改输甲醇的基础条件,甲醇与成品油理化性质对比情况如表4所示。

4.2 科学论证甲醇资源市场和供需格局特点

4.2.1 资源供应

准确预测资源的供应量和稳定性,可确保项目在资源供应方面所具备的实施条件,避免项目因资源短缺或供应不稳定而面临风险。甲醇资源供应预测应在梳理社会经济、行业特点等基本情况基础上,通过公开资料梳理、走访调研等方式收集甲醇资源资料。从生产企业的工艺特点、生产规模、销售价格及外输方式入手,重点分析国产煤制甲醇、天然气制甲醇、焦炉气制甲醇、风光发电及生物质甲醇生产企业的产能、产量、销售价格,结合不同生产工艺的发展趋势,对企业外输需求进行预测。

4.2.2 市场需求

准确预测市场需求,可评估项目的可行性和潜在收益,确保项目经济方面所具备的实施条件,避免项目因市场变化而面临风险。甲醇市场消费预测应结合煤炭、石油、天然气以及其他类型能源的供需情况,综合分析各类能源供需所占比例现状,结合各项政策情况,预测未来各类型能源供需发展所占比例情况,在此基础上,客观分析评价甲醇在燃料、化工原料方面的油品替代潜力和市场空间,得到甲醇潜在需求总量。目前国内外较为成熟的能源消费预测方法主要包括项目分析法、能源消费比例法、增量预测法、资源对比法、系统动力学法、灰色模型、综合能源政策模型、全球变化评估模型等可用于甲醇市场预测[22-24]。

4.2.3 供需格局

目前,全国甲醇资源流向整体呈现“由西向东、由北向南、海陆共济”格局,综合考虑我国资源特点、生产现状、生产趋势以及区域经济发展特点,预计远期基本供应趋势不变。未来应基于甲醇基本供需格局,对比分析甲醇资源市场流向格局、成品油流量流向、封存管道分布特点,综合考虑成品油管输格局过渡到甲醇管输格局的储运设施基础利旧条件。例如,新疆地区产能外输需求旺盛,可考虑已有长距离成品油管道供应沿线及东部沿海目标市场;中西部地区甲醇竞争力强,已有成品油管道较少,可考虑新建甲醇管道方式供应周边市场。

4.3 充分评估封存管道现状与可利用条件

在管道建设方面,目前国内缺少统一的甲醇管道输送标准,因此,甲醇管道建设大多参考成熟工业管道的设计经验来进行实践。美国方面,甲醇管道的设计运行主要遵循国内《危险液体管道运输联邦安全条例》《液态烃和其他液体管道输送系统》等标准规范;欧盟方面,甲醇管道的设计运行主要参考ASME B31.3—2020《工艺管道》。而中国甲醇管道的规划设计主要参考成品油管道相关设计规范,中煤鄂尔多斯能源化工有限公司甲醇输送管道参照执行规范GB 50253《输油管道工程设计规范》、GB 50316《工业金属管道设计规范》,按GB 50369《油气长输管道工程施工及验收规范》、GB 50235《工业金属管道工程施工规范》进行施工和验收。依据 GB/T 9711《石油天然气工业管线输送用钢管》、GB/T 8163《输送流体用无缝钢管》选优碳素钢。输送工艺主要设备离心泵、阀门、过滤器和清管器等也同样参考成品油管道相关标准规范。

4.3.1 管道材质

中国成品油管道建设起步较晚,国内已建成品油管道所采用的钢级多为X60钢,随着技术的发展逐步使用X70等更高强度材质。成品油管道通常以高强度、高耐腐蚀性的钢板、钢带为原材料,管道能够承受高温高压的工作环境,适用于各种复杂工况,可用于输送各种石油化工等物质。但考虑到长期封存的长距离埋地输油管道在不同的地段、不同的管道部位、不同的管内介质条件下,存在不同程度的腐蚀。在封存管道改输甲醇前需进行彻底的完整性检测和清洗、维护及保养,针对存在的问题,进行必要的改造和升级,如更换耐腐蚀材料、增加壁厚等。

4.3.2 设备设施

基于甲醇与成品油的物理化学性质以及管道系统的整体设计和运行要求,甲醇输送设备需具备较好的耐腐蚀性、密封性、稳定性以及适应性等特点。输送泵是甲醇管道运输的核心动设备,考虑到甲醇属于易挥发性介质,在一定条件下会造成离心泵的气蚀,且离心泵的密封性能相对较差,会造成甲醇的泄漏,在利用封存管道设备时应考虑使用无轴封设计的屏蔽泵来对原管道的离心泵进行替换[25]。对于耐受甲醇且压力等级符合要求的阀门,以及无损坏且能承受甲醇输送压力的弯头、三通等以及满足甲醇输送精度要求和防爆、防护等级要求的仪器仪表则应考虑利旧,但应综合考虑安装条件、温度压力波动等生产运行实际情况。

4.4 因地制宜规划封存管道改输甲醇项目

4.4.1 管线布局

甲醇管道选线布局前应充分摸排甲醇生产消费企业的建设规划情况,结合区域封存成品油管道走向及沿线甲醇资源市场覆盖情况,充分考虑可利旧封存管道路由,并通过新建或者调整低负荷管道油品流向的方式对局部路由进行优化。考虑甲醇特有的毒化性质,优化后的甲醇管道阀室最大间距、管道安全间距、站场防火间距等安全距离考虑应在成品油标准上适当余量,并尽量避免经过大型居民聚集区、学校、医院等高后果区[26]。对于无法避免的高后果区段应进行局部加强处理并在运行过程中重点监测,避免甲醇泄漏可能会对人员生命安全和环境保护造成严重威胁。

4.4.2 管输工艺

利用封存成品油管道改输甲醇时,应事先分析现有管道系统的设计输量、设计温度、设计压力等参数,分析封存成品油管道的甲醇适配性,并根据甲醇的物理化学特性,优化输送工艺,确保改输甲醇管道与之匹配[27]。根据甲醇饱和蒸气压随温度变化曲线可知,甲醇的饱和蒸气压随温度缓慢增长。0℃、40℃对应的饱和蒸气压分别为0.004、0.025 MPa,表现出较强的稳定性,甲醇饱和蒸气压随温度变化曲线如图4所示。中国成品油长输管道通常埋地,非极端状态下地温通常不超过30℃,由于甲醇黏度低、密度低,在管输过程中沿程摩阻损失和静水压力较小,对于进站压力较低的管道可适当提高甲醇输送的进站压力,以防止甲醇因进站压力低而汽化后造成输油泵汽蚀[28]。因此,目前封存成品油管道改输甲醇运行压力可控。
相关实验数据表面,电阻率低于104Ω·m的介质导电性能好,无静电积累;电阻率介于104~108Ω·m的介质带电量不大,不易产生静电。从减少静电方面考虑,甲醇的电阻率为4.5×104Ω·m,结合我国成品油管道管径,参考易燃液体的输送内径及其推荐流速,封存成品油管道改输甲醇流速不应超过 1.8 m/s,易燃液体的输送管径及其推荐流速如表5所示。从成品油运行经验考虑,调研我国部分在役成品油管道的输量、管径及经济流速,并参考《输油管道设计与管理》可知,中国成品油管道经济流速一般取2.0 m/s左右,我国主要成品油管道经济流速如表6所示。综合考虑甲醇介质特性,结合我国在役成品油管道运行情况及管道管径特点,封存管道改输甲醇经济流速宜不超过1.8 m/s。

5 结论

常温下甲醇与成品油物理性质相近,资源市场分布相似,现有的成品油储运设施可以更便利地改造为甲醇储运设施。基于广泛分布的成品油储运设施和较低的负荷率运行情况,相对于新建甲醇管道,利旧封存成品油管道更容易过渡到甲醇管输格局。建议利旧封存成品油管道改输甲醇时,基于甲醇与成品油物性的异同点和甲醇资源市场特点,充分评估封存管道可利用条件,因地制宜规划封存管道改输甲醇项目,助力国家能源转型发展,降低全社会物流成本。

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