中国能源资讯网2023世界氢能技术大会于2023年5月22-26日在佛山南海举办。本届大会由中国科学技术协会、中国机械工业联合会和国际氢能协会共同主办，以“氢能与双碳战略：从现在到未来”为主题，聚焦双碳战略下全球氢能领域的最新产品、技术及装备，以及氢能在交通、能源、化工、冶金及建筑等领域的应用。
在5月24日举行的氢能安全技术论坛上，中国石油天然气管道工程有限公司副总经理李国辉应邀作了题为“管道输氢产业技术进展与展望”的报告。（注：本文有删减，未经本人审阅）
感谢王教授，大家好。
无论是哪一个白皮书或者市场展望，对我们国家未来氢的利用还是比较乐观的，预测到2060年我们会达到一亿吨左右的规模。但是我国的氢资源是非常不均衡的。我们所有的氢资源主要分布在炼化企业、风光发电和天然气资源比较丰富的西北，东北和中西部，但是我们的消费市场主要集中在东部南部，这个和我们的油气资源市场布局是比较相近的。呈现出一种资源市场的错位分布，所以我们要解决这个时间和空间不匹配的问题。那么未来我们中长距离的这个储运需求是比较大的，用纯氢或者掺氢管道解决制氢和用氢最后一公里的问题，所以我们预测到2050年，如果我们的氢能规模达到七千万吨，其中大概有一半以上是需要管道来输送的。那3500万吨就相当于我们现在天然气管道大概是每年3800亿方左右规模，那么可能需要的管道里程在15万公里到二十万公里之间。
所以第一部分我跟大家一起来分享一下我们掺氢管道运输的发展。
到目前为止，甚至在全世界范围内，没有一家敢对外宣布说他的掺氢在商业领域是成功的。我们国家也一样，没有开展天然气长输方面的混输实践，仅有几家掺氢平台开展了一些掺氢相容性的评价工艺和设备可靠性、安全性和防护评价，还有一些风险的监测检测和控制措施方面的研究。
那么其实把氢掺到天然气管网里面，对整个的工艺系统会有一些影响，比如说他会降低天然气管网能量的输送，如果等比例输送的话，那么能量一定是下降的，这一点毋庸置疑，因为它的体积热值是比天然气低的，那么它也会影响压缩机组的运行参数啊，影响管网整体的调压能力，当然还有一些计量设施，甚至一些其他的动设备。静设备甚至密封件都要进行一些改造。
那么再看掺氢输送效率方面，如果输送同样能量的氢气，需要的功耗是天然气的3.3倍，如果恒定流速的话，那么管输的能量明显下降。如果以5%的最大运行速度处理5%的氢气混合，在这种情况下，压缩机的运行功率需要增加10%。
那当然我们在上游是掺进去之后，那么下游如果只是普通的燃烧就不说了，如果把它下游进行一些分离的话，可能还需要一些提纯的技术，我们可以看到变压吸附是比较成熟的，那么掺氢比高管道压力越高，它的提纯成本越低。我们可以看到如果提取率是80%，它的提纯的成本非常高3.3美元左右。
我们对一些区域的天然气进行了分析，在天然气总量不变的情况下，混合气体总量不变，那么整个掺氢之后的热值、密度、粘度，还有压缩因子都会有一些明显影响。
那么我们以某干线项目为例，拆机后我们做了一些系统的研究，我们可以看到随着天然气管道掺氢量的增加，他的这个轴功率是逐渐增加的，这是对我们动设备压缩机来说的。另外对于下游首站来说，它的轴功率是慢慢在减小。同时，这个沿线的耗气量也会逐渐增加。另外从首站到末站，我们可以看到压缩机组转速的影响，那么输气能力可能会达不到我们整个的分数量，呈现逐年下降的一个趋势。
那对于我们最主要的压缩机设备，从首站到末站，我们可以看到压缩机工作点逐渐向我们左上方偏移，偏移会造成我们不再高效区。这个影响我们可以看到最后面这个区域已经快到我们区的边缘了。
那掺氢管道输送的费用呢？还是以这个项目为例，不同掺氢比管道的输送效率，随着掺氢比的增加呈现一个增加的趋势。
那对动设备的影响呢？我们用的如果是国产压缩机，可以看到其实部分的国产的压缩机，在结构上它可以适应100%的掺氢比例。国产部分的F级重型燃气轮机也可以适应20%的掺氢比，但是大量国外的压缩机可以适应30%的场景比。目前多数运行的离心式压缩机允许的掺氢比低于1%，但是通过我们调整它的一些结构，比如说叶轮等等，这些关键设备可以适应到百分之5%。
那对静设备来说呢？其实国内阀门厂家认为10%的掺氢比例是可以接受的，但是对于计量和加热炉的一些研究还处于理论研究阶段。对于国外呢，比如说德国燃气与水工业协会，它表明研究表明大多数静设备是可以适应10%到20%。目前的这个情况是基本上不需要改造的。
那还有一个关键的问题就是掺氢之后对于管材的影响。材料在氢环境中，它的强度变化影响基本不大，这已经达成共识，但是对于塑性和韧性，尤其是对于韧性影响是非常大的。但是韧性是影响整个高压天然气管网非常重要的一个指标，压力越高这个指标就要求的越高。
这是我们做的宁夏的一个掺氢平台。目前正在进行测试过程中，测试的压力是4.5兆帕，掺氢比基本在3%到24%之间，主要测试它的流量计、阀门检测仪表，还有一些可燃气体检测器的一些实验性，验证目前我们燃气管网的这个密封材料还有一些氢脆现象等。同时，我们用这种计算流体力学的方法测试比较燃气上比较关注的静止条件下的分层情况，在两个月时间测试了72小时没有发生分层现象，但是因为我们测试的时间不是足够长，所以当足够长的时候也许会发生这种现象。
这是我们目前在承担的，2022年国家重大专项氢进万家的这个项目，我们准备在潍坊高新区进行十万户一百公里的掺氢和燃气测试，目前这个项目正在进行过程中。
下面分享一下关于纯氢管道的研究和我们对未来的一些看法和规划。
目前我们纯氢管道在国内仅有三条，不到一百公里，在全世界范围内大概有五千公里左右，大部分都是被这个三大气体公司，Air Liquid、Air product、林德他们垄断了，我们国内基本上都是以炼油化工为基础的，对于加氢站的也有但非常少，大概就有不到一公里左右。已建的氢气管道压力都是低于四个兆帕，与国外运行的七个兆帕差距还是比较大。
那么对于大规模连续输送呢？我们做了一下比较，用管道和长管拖车、液氢槽车来进行比较。我们看到管道运输相较相比于其他来说，对于一些长距离的运输优势是非常的明显。但是长管拖车是目前主流方式，因为整个氢还没有做成一个产业。
我们也做了轻工业链模型，我们得出来的结论就是当们氢用量达到每年两万吨的时候，那么用管道就要明显优于其他的方式，无论距离多少。比如说输送九十公里，数量五万吨每年来计算，用管道来输气态氢的成本是长管拖车的11%到15%，也就是说价格是它的1/8到1/10左右，相比液氢槽车运输就更低了，是它的1/20左右。所以这个成本优势还是非常的明显。
那么我们来看一下输氢管道的工艺，那么在工艺上来说，因为它是气态的，所以目前所有的这些技术，包括输送天然气的技术基本上都可以用在输氢上，比如说它的软件等等，计算结果基本都是相似的。目前我们也正在开发纯氢管道工艺的系统分析。
但是从整个来看，比如说以首站压力是2.75兆帕、末站压力是1兆帕来算，那么纯氢管道输送的规模是天然气输送的2.6倍左右。那么在风险评估方面，我们进行了一些风险评估，与天然气相比，氢气栈场内部风险更高，这跟我们最朴素的观点是比较相近的，但是风险等级会随距离的增加而快速衰减。这跟刚才各位专家说的是不矛盾的，是一致的。它随距离的增加衰减的特别的快，因为氢气的逃逸性能更大。
那对于沿线的这些管道来说，天然气和氢气相比，在相同可接受值的条件下，天然气管道的距离更大，比如说在十兆帕，我们天然气管道可能到两百米左右范围，但是氢气距离要明显的小于这个两百米，所以它在向上的这个空间可能会更危险。基于我们对于纯氢管道的一些认识，还有我们运行的已建的纯氢管道。我们在八年前实际上就已经建了纯氢管道了，运行了八年没有出现任何问题，当然其中有一个小事故，有一个点漏了，它着火了，但是其实也没有大家想象的那么难，我们把它关了之后拿氮气吹扫一遍，只是紧了紧这个螺栓，然后就继续运行了，就没有问题了，所以基于此，我们也编制了一些氢气管道的设计规范、施工规范还有一些完整性的规范啊。这些都是一些团体标准，目前对于这种行业的标准，我们也正在编制过程中，也希望大家有谁能够愿意加入到我们，跟我们一起去完成这项工作，也可以跟我们联系加入。
再介绍几个典型的工程。这是我们在八年前建的管道，是济源到洛阳。到目前为止，它依然是管径最大压力最高数量最高的。这个氢气管道整个线路长是25公里，管径是508，管材是L245，设计压力四个兆帕，最大数量是二十万吨，现在的数量是十万吨。
另外，我们对于未来的规划，我们也构建了一个西氢东送的全国氢能网络。根据新加坡南洋科技大学对比，这个输电加制氢和制氢加输氢两种方式进行对比，如果说按照年输氢量250亿标方设计，压力是十个兆帕管径1016，线路长两千公里，那么他的投资大概是四百亿，但是如果要输相同电的话，投资大概是八百亿。输电的总体投资要比输氢贵一倍。而且输电的损耗大概是1%到2%，但是用管道输氢，它的损耗大概是在1‰左右。
基于此，对于我们氢的规划，其实我们做了一些特别大的规划，因为我们觉得在2035年至2050年，基本上所有的氢都会通过管道来进行，我们构建了联通宁夏、内蒙古、河北、北京、天津、黑龙江、吉林、辽宁、河南，这么多省和市的一横一纵三支的北方氢能大管网，整个氢能管网大概达到五六千公里。我们的目的是要连同北方最大的制氢省份内蒙和河北，因为内蒙古无论是风光资源非常丰富的这个区域，那么解决我们京津冀和中原城市群这两个经济区啊，改善资源策和市场策时间和空间不匹配的问题，那么我们最终的目的不是要运营这条管道，我们是要在中国建立一个更加开放的氢能管网大平台。无论谁的氢，都可以进入到管道里面，无论谁想用，都可以从这个平台里面下载。那么我们要统一压力，统一氢的纯度，统一下载的方式。
同时，整个氢能管网还能解决制氢不连续和用氢连续性问题，它其实就是一个大的储氢容器。那在这个基础上我们还要构建全国氢能骨干网络，我们构建了大北方的、长三角的，还有珠三角的。当然对于川渝地区我们也有一定的规划。这只是一个示意图，其实我们详细的都已经完成了。
感谢大家，谢谢。
