張玉川 2022.3

      本文介紹輸氫管網(wǎng)中塑料管道可能使用的可能性和可行性，從目前國外探索的方向和實(shí)際應(yīng)用案例來展望塑料管道未來在這個領(lǐng)域的前景和可預(yù)期塑料管道發(fā)展空間，供大家參考。顯然帶金屬阻隔層的RTP將是一個值得探索的方向，而目前相對比較成熟的HDPE燃?xì)夤艿绖t將迎來新的市場，當(dāng)然還需要做大量測試和驗(yàn)證試驗(yàn)。

高壓長途輸氫管道配置的探索

      氫能利用中一個難題是氫的儲存和輸送，雖然管道運(yùn)輸前期投資高，但只有管道才能實(shí)現(xiàn)長距離，大規(guī)模，穩(wěn)定，低成本，安全和環(huán)保地大量輸氫。

      氫的管道輸送和天然氣管道輸送有類似之處，但是有更多更高的要求。在有些場合可以利用已有的天然氣管網(wǎng)輸氫，有些場合則必須采用要求更高的新建輸氫管網(wǎng)。因此，氫的管道輸送是發(fā)展綠氫實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向可再生能源中的重要課題。

氫的管道輸送網(wǎng)分兩部分：從氫的生產(chǎn)地經(jīng)過高壓管道長途輸送到消費(fèi)地區(qū)，用于發(fā)電或工業(yè)生產(chǎn)；在消費(fèi)地區(qū)經(jīng)過低壓管道網(wǎng)分散輸送到.終用戶，用于采暖，烹飪等消費(fèi)。

國外：

      氫氣的長距離管道輸送已有60余年的歷史。.早的長距離氫氣輸送管道1938年在德國魯爾建成，其總長達(dá)208公里, 輸氫管直徑在0.15~0.30m之間, 額定的輸氫壓力約為2.5MPa, 連接18個生產(chǎn)廠和用戶, 從未發(fā)生任何事故。世界.長的輸氫管道建在法國和比利時之間,長約400公里。

     根據(jù)中國氫能聯(lián)盟發(fā)布的《中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書》顯示，美國已建成2500公里的輸氫管道，歐洲已有1569公里的輸氫管道，全球范圍內(nèi)輸氫管道的數(shù)量約4500公里。國外目前使用的輸氫管線一般為鋼管, 運(yùn)行壓力為1~2MPa, 直徑0.25~0.30m。

國內(nèi)：

目前僅有100公里輸氫管道。

      2014年，中國石化巴陵石化公司42公里氫氣管道成功投產(chǎn)；該管線是巴陵石化“氫氣提純及管線輸送”項(xiàng)目的一部分，途經(jīng)湖南岳陽市兩區(qū)、4鄉(xiāng)鎮(zhèn)15個村，穿越京廣等鐵路線4處，高速公路及省道9處，河流3條，定向鉆穿越8處，主要將煤化工部煤氣化(煤制氣)裝置甲烷化后含氫量85.84%體積的原料氣提純至99.5%體積的氫氣，由管道利用原料壓力送至巴陵石化云溪片區(qū)以及長嶺煉化，為相關(guān)裝置提供氫氣資源。

      2015年，由中國石化洛陽市分公司投資、中國石油管道局承建的濟(jì)源化工園區(qū)至洛陽吉利區(qū)氫氣管道輸送工程竣工，全長25公里。伊維經(jīng)濟(jì)研究院根據(jù)國內(nèi)“濟(jì)源-洛陽”項(xiàng)目測算，采用φ508mm管道，年輸送能力10.04萬噸，建設(shè)成本為616萬/km，管道使用壽命20年。運(yùn)行期間維護(hù)成本及管理費(fèi)用按建設(shè)成本的8%計(jì)算。

      2021年在建：中石油天然氣管道工程有限公司中標(biāo)河北定州至高碑店氫氣長輸管道可行性研究項(xiàng)目。管道總長約145公里。這是中國計(jì)劃建設(shè)的.長的氫氣管道，直徑508mm，設(shè)計(jì)輸氫能力10萬噸/年。

        有消息說法國Air Liquide已在中國的上海、天津、遼陽鋪設(shè)了輸氫管道。沒有查到確切資料。

氫脆的危險：在天然氣輸送中普遍使用的碳鋼管不可輸送氫。由于氫分子能夠進(jìn)入普碳鋼的晶格中形成脆性破壞并產(chǎn)生大量微小裂紋，.終將導(dǎo)致管道完全失去承載能力，據(jù)說目前國外鋪設(shè)的輸送氫氣管道在長距離高壓部分采用被稱為“蒙耐爾合金”的鎳合金鋼。所以美國氫氣管道的造價為31~94萬美元/公里, 而天然氣管道的造價僅為12.5~50萬美元/公里, 氫氣管道的造價是天然氣管道造價的2倍多。

氫氣的比重小：每立方米氫的重量僅90克,因此需要高壓縮輸送。

易滲透：氫氣比天然氣更易滲透，易燃和易爆(爆炸極限為體積濃度4.0%至75.6%，遠(yuǎn)高于甲烷等天然氣)。 

      在全球石油和天然氣近代的蓬勃發(fā)展中，高壓長途管道輸送中一個重大的技術(shù)突破是增強(qiáng)熱塑性塑料管的不斷開發(fā)和擴(kuò)展應(yīng)用，特別是在環(huán)境特別惡劣的場合顯示出獨(dú)特的優(yōu)越性。可以制造成高抗內(nèi)外壓又柔韌抗腐蝕，可彎曲盤的連續(xù)長管。在陸地上使用習(xí)稱增強(qiáng)熱塑性塑料管RTP(REINFORCED THERMOPLASTIC PIPE),在海洋中使用習(xí)稱TCP。

      這類增強(qiáng)熱塑性塑料管應(yīng)用于輸氫還沒有公認(rèn)的國際標(biāo)準(zhǔn)。近來NOV正在許多..的..的大企業(yè)參與下起草輸氫用增強(qiáng)熱塑性塑料管的技術(shù)規(guī)程。

      PipeLife屬于Wienerberger集團(tuán)，是國際..的塑料管企業(yè)集團(tuán)，總部在維也納。PipeLife是引領(lǐng)增強(qiáng)熱塑性塑料管RTP的先驅(qū)者，SoluForce是PipeLife RTP的品牌，在石油和天然氣領(lǐng)域擁有良好的記錄，自2000年以來，在世界各地安裝了超過3.500 km。
      為高壓長途輸送氫氣開發(fā)的SoluForce H2T已經(jīng)通過歐洲權(quán)威的燃?xì)獍踩J(rèn)證機(jī)構(gòu)KIWA GASTEC 的認(rèn)證。SoluForce H2T是芳綸纖維增強(qiáng)的 HDPE管，復(fù)合有防止?jié)B透的粘結(jié)鋁層，.高工作溫度60C°, 設(shè)計(jì)壽命50年，產(chǎn)品以連續(xù)盤卷供應(yīng)（每卷400米）。 據(jù)介紹完成在2019年,優(yōu)點(diǎn)是比鋼管費(fèi)用明顯降低(Significant cost reductions compared to (steel) alternatives)。柔韌容易鋪設(shè)(Fully flexible and easy to install)。SoluForce H2T有介紹產(chǎn)品的說明書(soluforce-hydrogen-tight-h2t-brochure)，但PipeLife沒有提供指導(dǎo)設(shè)計(jì)的技術(shù)資料。

      從一份沒有公開的國外報(bào)告中見到對一個陸地輸氫管道工程的經(jīng)濟(jì)評估,可供參考:

      一個從荷蘭某陸上氫氣電解站輸送氫氣到當(dāng)?shù)毓I(yè)集群的管道:150MW(兆瓦)氫氣電解站，每小時生產(chǎn)31,000Nm3氫氣,距離15公里,  環(huán)境溫度10℃ 來自電解站的輸出壓力30-40bar， 工作壓力為40巴。  

對比同直徑6英寸的RTP和鋼管

比較：RTP可以比鋼節(jié)省20%，RTP材料的成本要高出2-3倍，鋪設(shè)的成本要低2-3倍。

該報(bào)告分析了RTP費(fèi)用低的原因：大大降低了管道鋪設(shè)和焊接的費(fèi)用；施工時間較短，較少人工-時；不需要焊接區(qū)域重新涂層；RTP卷軸位于溝槽的末端 比較平行于管溝的鋼管段，需要空間較小；排水費(fèi)用較低。全壽命的完整比較RTP的成本仍然較低。

結(jié)論：對于多兆瓦規(guī)模的陸上氫項(xiàng)目，RTP是一種替代鋼管的節(jié)約成本的潛在方案。

對此工程做以下計(jì)算供參考：150MW(兆瓦)電解站，150000000w 每小時150000KW千瓦時(度電);按2.5度電能產(chǎn)生1m3氫氣計(jì)算，每小時就可以得到6×104 m3氫氣。1m3氫氣的熱值是2956大卡，標(biāo)煤的熱值是7000大卡，大約2.4m3氫氣的熱值相當(dāng)于1千克標(biāo)煤的熱值，每小時60000m3氫氣的熱值相當(dāng)于25000千克標(biāo)煤(25噸煤)每天24小時熱值相當(dāng)于600噸，每年熱值相當(dāng)于21.9萬噸煤。（希望找到更多實(shí)用高壓長途管道的案例供分析和借鑒。）

低壓短途氫氣輸配管道的探索

      氫氣通過高壓管道長途輸送到應(yīng)用地區(qū)后需要通過低壓輸配管道分散輸送到.終用戶。

      因?yàn)槿澜绾芏鄧液偷貐^(qū)已經(jīng)廣泛應(yīng)用天然氣，建立了從天然氣生產(chǎn)地經(jīng)過高壓管道長途輸送到消費(fèi)地的干線管道和在消費(fèi)地區(qū)經(jīng)過低壓管道分散輸送到.終用戶的輸配管網(wǎng)(包括金屬管和塑料管)。設(shè)法利用這些天然氣管道網(wǎng)輸配氫氣成為全球熱門的研發(fā)課題。不少國家很早就開展利用現(xiàn)有天然氣管道網(wǎng)輸氫的可行性研究,并取得可喜的成果。

      結(jié)論是很多國家現(xiàn)在應(yīng)用的天然氣輸配管網(wǎng)經(jīng)過適當(dāng)修改可以應(yīng)用于氫氣的輸配。國際塑料管道業(yè)從十多年前開始試驗(yàn)用PE80和PE100管輸氫從近年國際塑料管會議上的報(bào)告中可以見到歐洲的不斷探索。

      在2010年第15屆國際塑料管會議上Borealis AB公司和丹麥天然氣研究中心Dansk Gastekniskt Center A/S首先發(fā)表用PE管道輸送氫氣的研究報(bào)告，題目是“用聚乙烯天然氣管輸送氫”[1]，報(bào)告說：目前世界上廣泛用PE管道輸送天然氣，考慮到未來可能要用氫來的替代，丹麥天然氣研究中心在Stenungsund borealis ab的支持下在多年前就在在丹麥的一個小規(guī)模試點(diǎn)網(wǎng)路中試驗(yàn)輸送純氫氣。對幾種不同生產(chǎn)年份的數(shù)種PE80和PE100管以及已經(jīng)輸送過天然氣的管道進(jìn)行了力學(xué)性能和化學(xué)性質(zhì)的廣泛研究。結(jié)論是沒有證據(jù)表明PE管的力學(xué)性能因接觸氫氣而發(fā)生任何反應(yīng)或退化。根據(jù)這項(xiàng)調(diào)查，使用PE傳輸氫氣是可行的。

      在2018年第15屆國際塑料管會議上挪威Kiwa Technology的R.J.M. Hermkens 和挪威Groningen Seapor的H.Colmer發(fā)表了題目是“現(xiàn)代PE管使氫氣的運(yùn)輸成為可能”的報(bào)告。[2] 報(bào)告介紹為了全面驗(yàn)證PE管輸送氫氣的長期安全性和適用性，在荷蘭北部的格羅寧根Groningen海港鋪設(shè)了一條用于公共汽車燃料的輸氫管道(從生產(chǎn)氫氣的化工廠到加氣站)。在建設(shè)前就全面的研究了保證PE管輸氫長期安全的各方面，包括建造中的材料選擇，鋪設(shè)方式，運(yùn)行中的維護(hù)等。在運(yùn)行后監(jiān)測了所選PE100-RC材料的滲透速率，氫氣中長期暴露后的熔接性等。

      該報(bào)告中介紹了進(jìn)行的多種測試：如測定材料暴露在氫的化學(xué)侵蝕后機(jī)械力學(xué)性能的變化；在專門設(shè)計(jì)的滲透試驗(yàn)裝置中測定滲透系數(shù)；還測試了PE管在長時間接觸氫氣后對熔接性能的影響(保證應(yīng)用后維修的可行性)。報(bào)告.后的結(jié)論是：“暴露于空氣中的管材與暴露在氫氣中的管材之間沒有顯著差異。從材料完整性的角度來看，沒有發(fā)現(xiàn)任何負(fù)面影響。由于氫分子很小，氫的滲透預(yù)計(jì)將超過甲烷。我們的..認(rèn)為危險性是可以比較的，由于滲透系數(shù)中差異有限，以及氫在空氣中的物理行為與甲烷比的差異有限。在格羅寧根Groningen港建筑內(nèi)經(jīng)檢驗(yàn)的PE100-RC管道適用于壓力到2 bar的氫氣輸送。更廣泛地說，可以得出結(jié)論P(yáng)E管允許以安全可靠的方式運(yùn)輸和分配氫。”

      2021年第15屆國際塑料管會議上有三篇報(bào)告介紹國際上探索用氫替代天然氣中應(yīng)用塑料管的科研成果和經(jīng)驗(yàn)。

包括：聯(lián)合王國Radius Systems Limited報(bào)告“氫燃料氣體用聚乙烯管道的一個論證方法”AN EVIDENTIAL APPROACH TO USE OF POLYETHYLENE PIPE FOR HYDROGEN FUEL GASES。

芬蘭Borealis Polymers報(bào)告“天然氣輸配用聚合物管道中輸送氫氣--十年經(jīng)驗(yàn)” HYDROGEN TRANSPORT IN POLYMER PIPES FOR NATURAL GAS  DISTRIBUTION – TEN YEARS OF EXPERIENCE

      荷蘭Kiwa Technology (國際..測試、檢查和認(rèn)證公司) 將發(fā)表 報(bào)告——“測試用于高壓輸氫的可盤卷增強(qiáng)柔性管道和襯里材料”TESTING SPOOLABLE REINFORCED FLEXIBLE PIPES AND LINER MATERIAL FOR HIGH PRESSURE HYDROGEN TRANSPORT

      國際燃?xì)猱a(chǎn)業(yè),多國政府也在積極探索利用天然氣管網(wǎng)輸氫的可行性，英國大部分建筑用天然氣取暖，2010年，英國家庭通過直接燃燒天然氣排放85百萬噸二氧化碳(MtCO2)。英國政府在2012年提出要評估氫轉(zhuǎn)化脫碳的可行性，安排了使用天然氣網(wǎng)絡(luò)運(yùn)輸氫氣的可行性研究。2013年就出版了“轉(zhuǎn)換UK燃?xì)鈿庀到y(tǒng)到輸送氫Conversion of the UK gas system to transport hydrogen”的報(bào)告[3]。這份14頁的報(bào)告很嚴(yán)謹(jǐn),征求了工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和政府的14名..的意見。

      國際天然氣聯(lián)盟International Gas Union在2017年舉行的聯(lián)盟研究會議上發(fā)表了“IGRC2017 天然氣輸配用聚合物管道中輸送氫氣USING THE NATURAL GAS NETWORK FOR TRANSPORTING HYDROGEN– TEN YEARS OF EXPERIENCE”[4].報(bào)告的結(jié)論是“4年(PE80)和10年(PE100)的連續(xù)氫暴露以及隨后基于國際標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)室測試表明，氫對PE80或PE100天然氣管道的耐久性沒有影響。”

       國際上也試驗(yàn)研究了在天然氣管道中混入氫氣的可行性。美國的NREL可再生能源研究所National Renewable Energy Laboratory 在2013年就發(fā)表了“向天然氣管網(wǎng)混合氫氣：關(guān)鍵問題綜述Blending Hydrogen into Natural Gas Pipeline Networks: A Review of Key Issues”[5]。這份73頁的報(bào)告詳細(xì)分析了在美國龐大的天然氣管中混合氫氫的可行性。

      雖還沒有見到我國開發(fā)低壓氫氣輸配管道的信息,我國近年已經(jīng)在不少地區(qū)建設(shè)了天然氣輸配管網(wǎng)。面對我國天然氣大量依靠進(jìn)口和國產(chǎn)綠氫的發(fā)展，迫切需要探索改造現(xiàn)有天然氣輸配管網(wǎng)為綠氫輸配管網(wǎng)的大調(diào)整。我國塑料管業(yè)在我國發(fā)展天然氣輸配管網(wǎng)中做出了重大貢獻(xiàn)，產(chǎn)能和技術(shù)都具備轉(zhuǎn)向發(fā)展綠氫輸配管網(wǎng)的基礎(chǔ)。聽說我國生產(chǎn)輸天然氣塑料管道的..企業(yè)已經(jīng)在關(guān)注開發(fā)綠氫輸配管，但還沒有見到公開的報(bào)道。也沒有見到應(yīng)用天然氣輸配管道的主管部門和相關(guān)企業(yè)探索改輸綠氫的確切信息。 轉(zhuǎn)向?yàn)榫G氫輸配管網(wǎng)服務(wù)需要認(rèn)真和深入地調(diào)查研究，逐步和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)卦囼?yàn)和推廣。一方面要注意借鑒國際的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。另一方面要提倡國內(nèi)的交流和合作。建議我國塑料管業(yè)要抓住機(jī)遇，開發(fā)綠氫輸配用塑料管，主動迎接這場變革。 

參考資料

[1] “用聚乙烯天然氣管輸送氫TRANSPORT OF HYDROGEN WITH POLYETHYLENE NATURAL GAS PIPES”2010年15屆國際塑料管會議論文PPC-15-8A-5； 

[2] “現(xiàn)代PE管使氫氣的運(yùn)輸成為可能MODERN PE PIPE ENABLES THE TRANSPORT OF HYDROGEN”2018年19屆國際塑料管會議 PPC 19-3B-207

[3] “轉(zhuǎn)換UK燃?xì)鈿庀到y(tǒng)到輸送氫Conversion of the UK gas system to transport hydrogen”

[4] “用天然氣管網(wǎng)輸氫氣-十年經(jīng)驗(yàn)USING THE NATURAL GAS NETWORK FOR TRANSPORTING HYDROGEN– TEN YEARS OF EXPERIENCE””國際天然氣聯(lián)盟International Gas Union IGRC2017

[5] “向天然氣管網(wǎng)混合氫氣：關(guān)鍵問題綜述Blending Hydrogen into Natural Gas Pipeline Networks: A Review of Key Issues” 美國的NREL可再生能源研究所報(bào)告

（編輯：吳 念）