纯氢管道输氢技术发展现状与分析1)

曹 权 王洪建 秦业美 王 敏

(北京市煤气热力工程设计院有限公司，北京 100032)

应对气候变化是当前全球面临的共同问题，在21 世纪中叶，全球实现碳中和已成为世界各国的共识[1]。氢能是一种来源丰富、绿色低碳、应用广泛的二次能源，正逐步成为全球能源转型发展的重要载体之一，目前氢能已成为许多国家能源转型的战略选择[2]。2022 年3 月，国家发展改革委员会、国家能源局联合印发《氢能产业发展中长期规划（2021—2035 年）》，明确氢能是未来国家能源体系的重要组成部分，是用能终端实现绿色低碳转型的重要载体，氢能产业是战略性新兴产业和未来产业重点发展方向。目前，中国的氢气产能已经达到4.1×108t/a，2022 年，我国氢气产量为3.3×108t，制氢量位于全球第一[3]。

氢能产业链分为制氢、储氢、运氢、加氢、用氢等环节[4]。氢能的储运是连接制氢与终端应用的关键桥梁，发展安全、高效、低成本的储运氢技术是氢能大规模商业化发展的前提[5]。氢气的储运成本是制约氢能储运产业发展的重要因素之一，占氢能整个产业链成本的30%。氢气的运输方式主要包括高压气态长管拖车、管道输氢、低温液氢罐车、固态金属氢化物储运氢等[6]。目前，我国主要利用长管拖车进行氢气运输，由于运输方式和运力有限，导致运输氢气成本高，运输距离受限[7]。预计到2030 年，中国氢气年需求量将达3.5×108t，预计到2050 年，氢能在我国终端能源体系中占比至少10%[8]。随着我国氢气需求量的增大，管道运输氢气要比其他输送方式更加高效，更加环保，经济优势更为突出[9-10]。管道输氢的方式包括利用天然气管道进行掺氢输送与纯氢管道（新建管道或将现役天然气管道进行改造）输氢。

随着氢能产业的飞速发展，氢气的规模化储运需求将会大幅增加，纯氢管道输氢将成为最高效、最经济的氢气输送方式。《氢能产业发展中长期规划（2021—2035 年）》提出要统筹推进氢能基础设施建设，开展纯氢管道等试点示范，逐步构建高密度、轻量化、低成本、多元化的氢能储运体系。在氢能产业快速发展的背景下，全面统筹并科学推进纯氢管道建设对于氢能产业链的全面协调发展具有至关重要的作用。本文给出了纯氢管道输氢各类技术指标，总结了国内外纯氢管道的发展现状，探讨了纯氢管道输氢面临的技术挑战与经济性影响因素，提出了我国纯氢管道的发展建议。研究结果可为能源企业发展纯氢管道提供技术支持。

1 管道输氢技术简介

1.1 技术简介

纯氢管道是指将气态氢从制氢站输送到用氢单位的管道。氢气从制氢站出来后，将经过收集管道进行收集，通过增压站加压后进入氢气长输管道，输送到各个末站进行分配，长输管网输氢场景如图1 所示。

图1 长输管道输氢场景图Fig.1 Scene diagram of long-distance hydrogen transportation pipeline

1.2 评价指标

（1）运行指标

氢气纯度：≥99%[11]；

设计压力：≤10 MPa（现阶段）[12]。

（2）安全指标

爆炸极限：4%～75%[13]；

钢材等级：选用X42 和X52 等低强度管线钢[14]。合金材质中的C，Mn，P 和S 等元素会使管材的氢脆敏感性显著上升，氢气管道的选材一般是钢级越低越好[12-15]；

此外还需要考虑氢气对压缩机、管件、阀门等配套设施的影响[16]。

（3）经济指标

经济距离：相比其他运输方式，75%～100%负荷率的管道输氢在所有输运范围内均最具备经济性。

2 国内外纯氢管道发展现状

2.1 国外纯氢管道发展现状

美国、法国、德国等发达国家在纯氢管道方面的建设已经有了一定的实践和经验。目前全球范围内氢气输送管道总里程超过5000 km。美国是全球输送氢气管道最多的国家，其管道总里程达到2720 km。欧洲也在积极发展氢气管道，其总长度已经达到1770 km。日本、韩国、澳大利亚等地区氢气纯氢管道总长度大约为190 km。目前全球的纯氢管道基本由法国Air Liquide，美国Air Products，美国Praxair 和德国Linde 公司建设。国外代表性的纯氢管道情况见表1。

表1 各国代表性纯氢管道情况[17-22]Table 1 Overview of representative pure hydrogen pipelines in various countries[17-22]

2022 年5 月，欧洲氢气主干(European hydrogen backbone，EHB)提出，2030 年前，将在欧洲建立5 个氢气供应长廊[23]，到2040 年，将建立一个长达53 000 km 的纯氢管网，氢气管网共连接28 个欧洲国家，其中约60%的管道由现役天然气管道改造而成，其余为新建管道。氢气管网总投资80～1430 亿欧元，当输氢距离超过1000 km时，氢气的平均运输成本为0.11～0.21 欧元/kg。2022 年12 月，西班牙、法国、葡萄牙三国联合发起了H2Med 项目计划，旨在2025 年开始，在葡萄牙至西班牙修建一条248 km 的陆上氢气管道，在西班牙至法国修建一条455 km 的海底氢气管道。国外的纯氢管道建设经验和技术不断积累和提高，为全球氢能产业的发展提供了基础设施支持和示范[24]。

2.2 国内纯氢管道发展状况

我国纯氢管道建设处于起步阶段，规模较小，现有氢气输送管道总里程约为400 km，主要分布在环渤海湾、长江三角洲等地区。目前国内已建成的纯氢管道项目仅3 条，我国自主建设的典型输氢管道有2 条，分别是2014 年建成投产的中国石化巴陵石化的巴陵—长岭输氢管道、2015 年建成投产的中国石化洛阳分公司的济源—洛阳输氢管道[25-26]。目前我国规划建设的纯氢管道总长度超过1400 km。2023 年4 月10 日，中国石化宣布，“西氢东送”输氢管道示范工程已被纳入《石油天然气“全国一张网”建设实施方案》，标志着我国氢气长距离输送管道进入新发展阶段。“西氢东送”起于内蒙古自治区乌兰察布市，终点位于北京市的燕山石化，管道全长1152 km，是我国首条跨省区、大规模、长距离的纯氢输送管道。管道建成后，将用于替代京津冀地区现有的化石能源制氢及交通用氢，大力缓解我国绿氢供需错配的问题，对今后我国跨区域氢气输送管网建设具有战略性的示范引领作用，助力我国能源转型升级[27]。

2023 年6 月25 日，国家管网集团完成了6.3 MPa 管道充氢测试和9.45 MPa 管道爆破测试，本次试验是国内首次对输氢非金属管道进行的高压在线测试，也是国内首次对非金属管道进行高压纯氢爆破试验。这为我国今后实现大规模、低成本的远距离纯氢运输提供了技术支撑。目前我国现有及在建的纯氢管道项目如表2 所示。

表2 我国纯氢管道项目[25-27]Table 2 Pure hydrogen pipeline project in China[25-27]

2.3 纯氢管道标准建设现状

国外氢气输送管道设计建设技术整体比较成熟，我国氢气输送管道相关标准基础薄弱。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，而可用于氢气输送管道的标准正在筹备或编制过程中。我国现有氢气输送管道基本参照国内天然气输送管道、工业管道标准及国外氢气管道标准（ASME B31.12）设计建造，运行管理也基本按照天然气输送管道模式进行。氢气输送管道相关标准规范如表3 所示。

随着氢能示范工程的建设和相关研究的推进，2021 年起，我国标准建设加快了步伐。国家标准方面，国家能源局下达了2022 年能源领域行业标准制定计划，计划中输氢管道输送标准《输氢管道工程设计规范》由中国石油天然气管道工程有限公司主编，适用于纯氢及天然气掺氢管道的新建、改扩建等工程设计。中国石油化工集团有限公司已发布其企业标准《氢气输送管道工程技术规范》。同时，由中国市政工程西南设计研究总院有限公司和中国市政工程华北设计研究总院主编的《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》、由中国石油天然气管道工程有限公司主编的《氢气输送管道工程设计规范》和《氢气管道工程施工技术规范》等相继启动，将助力国内输氢管道标准体系的建设和完善。2022 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，包括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和标准规范的推进提供强力保障。

目前我国纯氢管道输送氢气的国家标准缺失，团体标准与企业标准正在加速制定。标准制定的难点在于我国相关研究未考虑H2S，CO 和CO2等组分对输氢的协同影响，缺少管材在纯氢条件下的力学性能基础数据库，尚未明确运行压力对管材氢损伤的定量关系，导致纯氢管道在标准法规方面缺少重要支撑[12]。

3 纯氢管道输氢技术研究与经济性分析

3.1 纯氢管道输氢技术研究

纯氢管道输氢进行大规模商业化应用，主要面临关键技术（抗氢脆材料、管道设计制造）、相关装备国产化（压缩机、流量计等）与标准体系的制定3 方面的挑战，具体可参见图2 所示。

图2 氢气管道运输存在的技术挑战Fig.2 The technological challenges of hydrogen pipeline transportation

3.1.1 氢与材料的相容性

金属材料与氢气长期接触，氢会侵入到材料内部，导致金属材料出现损减、裂纹扩张速度加快和断裂韧性的下降，从而产生氢脆、渗透和泄漏等风险[9]。氢脆可以分成金属及合金在氢气气氛下塑性变形引起的环境氢脆，氢被金属中的缺陷吸收引起的内部氢脆，氢与金属或合金结合成为金属氢化物引起的反应性氢脆3 种类型。环境氢脆从表面发生，会引起表面裂纹、延展性下降和应力断裂性能下降。内部氢脆从内部缺陷开始形成裂纹。反应性氢脆是通过吸收氢气形成金属氢化物，分布到金属母体中而引起的，在温度高的时候容易产生，一般发生在焊接受热部位[28-31]。

现有输氢管道多采用X42 和X52 等强度较低的管线钢材，而更高强度的X70，X80 和X90 等常常掺入S，P，Al 和Mn 等极易造成偏析与夹杂的元素，导致氢脆敏感性增强，现阶段无法应用于输氢管道。根据ASME B31.12 标准，包括ASTM A 106 级B、ASTM A 53 级B 和API 5L级、X42 和X52 在内的碳钢，已被证明适用于压力高达14 MPa 的纯氢管道[32-33]。由于目前尚未形成金属材料气相充氢相容性试验标准，因此管材相容性试验都以小试样为研究对象，试验数据呈现分散性，无法准确考虑纯氢管道的真实工况。

管道焊缝处具有独特的金相组织以及冶金缺陷，会更加容易发生氢脆事故[34]。国内外一些学者已经开展了系列研究，研究表明氢会降低铁原子之间的内聚力，使焊缝处更容易产生氢致裂纹[35]。目前用于氢管线的钢的最大硬度大约为22 HRC或250 HB，该硬度极限约为116 ksi（800 MPa）的抗拉强度极限，因此焊缝的最大硬度也应达到22 HRC 或250 HB。此外，由于焊接区通常较硬，因此比母材更容易发生脆化，为了达到可接受的焊接区硬度，需要使用不超过100 ksi（690 MPa）的强度钢。目前关于氢与焊缝相容性的研究的试验数据量较少，且试验条件或操作方式不同，导致无法得到准确定量的结论，需要制定适于在役管线的评估方法[34]。

氢气密度小，易出现泄漏和渗漏。研究表明球阀和截止阀、凹凸式/榫槽式/梯形槽法兰有利于防止氢气泄漏。氢气管道设计压力为0.1～10 MPa 时，阀门中的阀杆与阀体宜采用铸钢，密封面采用合金钢或与阀体一致。法兰密封面型式应选用凹凸式/榫槽式，垫片选择金属缠绕式垫片。此外，氢气管道的螺纹连接处，应采用四氟乙烯薄膜进行填充[36-37]。

综上，现有金属管料、焊缝、阀门与密封件等与氢相容性已有相关研究结果。但对于天然气管道输送纯氢的评估方法尚处于空白，亟需开展相关研究。

3.1.2 氢气压缩机

我国天然气长输管道管径在610 mm 以上，体积流量超过30×108m3/a，一般采用离心式压缩机。氢气长输管道管径在100～500 mm，体积流量通常小于11×108m3/a，运行压力通常低于5 MPa。由于氢气与天然气的密度不同，采用管道输送同量的氢气，其产生的压缩机功耗是天然气的3.3 倍，因此氢气压缩机需要更高的功率和转速[12]，将天然气管道改造为纯氢管道时，需要更换压缩机设备。

氢气压缩机分为低压、中压和高压压缩机。低压压缩机指输出压力小于1.6 MPa 的氢气压缩机，经常用于上游制氢后的增压、储存（如低压储氢球罐）；中压压缩机指输出压力大于或等于1.6 MPa，小于10.0 MPa 的氢气压缩机，经常用于管道输氢等场合；高压压缩机指输出压力大于或等于10.0 MPa 的氢气压缩机，通常用于下游高压储氢（如高压储氢罐）、输氢（如长管拖车）或用氢（如加氢站）[38]。氢气长输管道用压缩机属于中压压缩机。离心式压缩机压缩密度较小的氢气能耗较高，不宜用来压缩氢气。往复式压缩机具有排气量及压力适用范围广的特点，基于输量、压比等因素考虑，氢气管道用压缩机通常采用往复式压缩机。此外，压缩机中螺栓、弹簧、铆钉等零件容易发生氢脆问题。因此，从热力学和材料学角度来看，具备高压耐氢能力的高功率氢气压缩机将成为未来的发展趋势[39]。

3.2 纯氢管道输氢经济性

氢气管道运输的成本由固定成本和可变成本构成。其中固定成本主要包括设备折旧与摊销、直接维护及管理费，受设计阶段管道规模的影响。可变成本主要包括压缩电耗与运输损耗，主要受运行工况即气体输送量的影响[39]。由于氢气与天然气的密度不同，采用管道输送同量的氢气，其产生的压缩机功耗是天然气的3.3 倍，用电成本是长输管网输氢成本最重要的影响因素之一。管道运氢成本构成与运输距离关系如图3 所示。

图3 管道运氢成本构成与运输距离关系[40]Fig.3 Relationship between pipeline hydrogen transportation cost composition and transportation distance[40]

管道作为规模化氢气输送的重要方式，具有运输体量大、距离远、能耗损失低、经济高效等多重优势。随着输送距离的增加，长管拖车运输氢气是成本最高的运输方式，而管道长距离大输量运输氢气则是成本最低的运输方式[1]。管道运输与长管拖车、液罐槽车运输成本对比如图4 所示。

图4 不同储运技术成本与运输距离关系[41]Fig.4 A graph showing the cost-distance relationship of several storage and transportation technologies[41]

根据欧洲氢气主干的预测，到2040 年，欧洲建成的53 000 km 纯氢管网需要投资80 亿～143亿欧元，其中60%由天然气管道改造，40%为新建管道。不考虑海底纯氢管道，当运输距离超过1000 km 时，整个纯氢管道的平均运输成本在0.11～0.21 欧元/kg H2[41]。图5 所示为2040 年欧洲纯氢官网预计投资，图6 为陆上和海底管道运输成本的比较。

图5 欧洲纯氢管网预计投资和运营成本（2040 年）[42]Fig.5 Projected investment and operating costs for a pure hydrogen pipeline network in Europe (2040)[42]

图6 欧洲纯氢管网陆上管道和海底管道平准化运输成本比较（欧元/(kg·1000 km)）[42]Fig.6 Comparison of leveling transportation costs between onshore and offshore pipelines in European pure hydrogen pipeline networks（€/(kg·1000 km)）[42]

4 总结

随着氢能产业的飞速发展，我国氢气需求量不断增大，氢气的规模化储运需求将会大幅增加，纯氢管道输氢将成为最高效、最经济的氢气输送方式。本文总结了纯氢管道输氢技术发展现状，对纯氢管道输氢开展了技术性与经济性分析，得到以下结论。

（1）在建设现状方面，我国正加快纯氢管道的建设与规划。目前全球范围内氢气输送管道总里程超过5000 km，欧洲规划在2040 年建设长达53 000 km 的氢气管网。我国纯氢管道建设处于起步阶段，氢气输送管道总里程约为400 km，规划建设的纯氢管道总长度超过1400 km。

（2）在标准方面，我国氢气输送管道相关规范基础薄弱，正在加快相关标准制定步伐。现有氢气长输管道基本参照油气输送管道和工业管道标准及国外氢气管道标准（ASME B31.12）设计建造，我国从2021 年起加快纯氢管道标准的制定与完善，多项相关标准正在编制中。

（3）在关键技术方面，抗氢脆管材、氢气压缩机等输氢关键材料和设备需要投入研发。现有输氢管道多采用X42，X52 等强度较低的管线钢材，运行压力≤10MPa，氢气压缩机采用往复式压缩机。

（4）在经济性方面，管道长距离大输量运输氢气是未来成本最低的氢气运输方式，用电成本是长输管网输氢成本最重要的影响因素之一。欧洲氢气骨干预测欧洲在2040 年建成的纯氢管网在运输距离超过1000 km 时，整个纯氢管道的平均运输成本0.11～0.21 欧元/kg。

我国纯氢管道建设尚在起步阶段，仍有许多问题亟待解决。我国建设纯氢管道不能盲目借鉴国外的参数，需结合我国的实际情况，加强产业的顶层设计和战略研究、加快相关标准的制定、完善产业安全监管、搭建技术与运营管理体系，推动纯氢管道输氢的产业化发展。