科普 | 什么是管道輸氫？

管道輸氫作為一種高效、經濟的氫能輸送方式，在全球范圍內逐漸受到重視。目前，許多國家已經開始規劃和建設氫能輸送管網，以期實現氫能的長距離和大規模輸送。

例如，歐洲的一些國家已經開始建設跨國氫能輸送管網，以促進氫能的區域共享和利用。此外，日本也在積極布局氫能基礎設施，以支持其氫能社會的愿景。中國當下的管道輸氫目前發展情況如何？它未來的發展趨勢又將怎樣？

管道輸氫的定義

管道輸氫指的是通過利用專用管道將氫氣從生產地輸送到消費地點的一種技術手段。這一技術的核心在于構建從制氫工廠到氫氣站或最終用戶的管道網絡，其中氫氣以氣態形式進行輸送。

管道輸氫是一種高效的氫氣運輸方式，它類似于天然氣輸送的方式，將生產的氫氣經過壓縮裝置進行壓縮，提高氫氣的密度，減小體積。接下來，壓縮后的氫氣通過管道輸送到目的地，并在目的地進行解壓，供應給使用者。

管道輸氫的優勢

管道輸氫作為一種高效、經濟的氫氣輸送方式，在未來氫能源社會中具有廣闊的應用前景。其優勢主要有以下幾個方面。

管道輸氫作為一種高效的氫能傳輸方式，具有多方面的優勢，這些優勢使得它在氫能的規模化推廣中扮演著關鍵的角色。

成本優勢

管道輸氫的運輸成本相比其他方式，如液氫運輸和壓縮氫氣運輸，更加低廉。盡管管道的建設成本相對較高，但一旦建成，其運營成本相對低廉。管道輸氫的經濟性體現在較低的運營成本和較高的運輸效率上。與其他運輸方式相比，管道輸氫在運輸成本上更為經濟，且不受天氣條件的限制，可以實現全天候運輸。

現階段氫基能源短距離管輸價格與輸送距離的關系圖

中期氫基能源長距離管輸價格與輸送距離的關系圖

長期氫基能源長距離管輸價格與輸送距離的關系圖

流量大

管道輸氫系統能夠處理較大的氫氣流量，這對于氫能的規模化推廣至關重要。它能夠滿足大規模產業和城市的供氫需求，且不受流量和距離的限制。

安全穩定性

管道輸氫采用密封的管道和閥門，有效防止氫氣泄漏，同時實現氫氣的保護和回收，大大減少了安全風險。此外，管道輸氫的自動化程度高，可通過遠程監測和控制，減少人為失誤帶來的安全隱患。

適用范圍廣

管道輸氫系統具有良好的適應性和可擴展性，適用范圍廣。可以根據氫氣的供需情況，靈活增減輸送量。

技術成熟度好

利用管道輸送氫氣已經有80余年的歷史，技術成熟可靠。全球范圍內的氫氣輸送管道總里程已經超過4600公里，顯示了這種輸氫方式的廣泛接受度和實用性。然而，盡管其優勢顯著，管道輸氫仍面臨諸多挑戰。

管道輸輸氫的類型

根據輸送距離的不同，管道輸氫可以分為長距離管道和短距離管道。

長距離管道主要用于制氫工廠與氫氣站之間的運輸，具有較高的輸氫壓力和較大的管道直徑。而短距離管道則主要用于氫氣站與各個用戶之間的氫氣配送，具有較低的輸氫壓力和較小的管道直徑。

根據輸氫的純度不同，管道輸氫還分為天然氣摻氫輸送和純氫輸送兩種方式。

天然氣摻氫輸送是一種將可再生能源制備的“綠氫”與天然氣混合，通過現有的天然氣管網輸送到用戶終端的技術。摻氫輸送技術可行性主要考慮摻氫后的天然氣物理性質、材料的耐受程度以及輸送的工藝設備三個方面。

純氫輸送是一種高效、經濟的大規模長距離氫氣輸送方式。但純氫管道的建設難度大、成本高。一般氫氣長輸管道的造價約為天然氣管道的2-3倍。

根據輸氫的形態分，可以分為氣態輸送和液態輸送兩種類型。

管道輸氫的成本測算

不同輸氫方式，對應的成本也存在很大的差異。其中距離遠近是很重要的因素。

為測算管道運氫的成本，我們參考濟源-洛陽氫氣管道的基本參數，做出如下假設：管道長度25km，總投資額1.46億元，則單位長度投資額584萬元/km；年輸氫能力為10.04萬噸，運輸過程中氫氣損耗率8%；管線配氣站的直接與間接維護費用以投資額的15%計算；氫氣壓縮過程耗電1kwh/kg，電價0.6元/kwh；

管道壽命20年，以直線法進行折舊。根據以上假設，可測算出長度25m、年輸送能力10.04萬噸的氫氣管道，運氫價格為0.86元/kg。

數據來源：《加氫站氫氣運輸方案比選》、恒盛證券

管道輸氫的流程

管道輸氫作為一種高效的氫氣運輸方式，其流程主要包括以下幾個環節：

氫氣的生產

管道輸氫方案的工作原理首先是從生產地通過水電解、天然氣蒸汽重整或生物質氣化等方式生產氫氣。

氫氣的凈化與壓縮

生產出的氫氣需要進行凈化處理，去除其中的雜質和有害物質，確保輸送過程中的安全性。隨后，對氫氣進行壓縮，提高其密度，以便于后續的輸送和儲存。

氫氣的管道輸送

壓縮后的氫氣通過管道輸送到目標地點。管道輸氫采用密閉的管道系統，可以減少氫氣泄漏的風險，并降低爆炸、燃燒等安全事故的發生。此外，管道輸氫的自動化程度較高，可以通過遠程監測和控制，減少人為失誤帶來的安全隱患。

氫氣的解壓與使用

在目的地，壓縮后的氫氣被解壓，供應給使用者，無論是用于氫能燃料電池車輛還是工業生產過程中的氫氣需求。

監測與維護

為了確保管道輸氫系統的安全可靠運行，建立了監測與維護機制，定期對系統進行檢查和維護。

中國氫能管道建設現狀

當前國內管道輸氫主要有以下兩種形式。一種是天然氣管道摻氫運輸。天然氣管道摻氫運輸是指將氫氣以一定體積比例摻入天然氣中形成摻氫天然氣（HCNG），并通過現有天然氣管道進行輸送。

另一種是純氫管道運輸。國內已建輸氫管道目前普遍采用低鋼級（20號鋼、L245N）管道，中低壓力（≤4MPa）運行。

近年，國外開始研制大口徑的X60及以上鋼級抗氫管道，目前管材已經研制成功，通過了實驗室內最大壓力和100%氫氣條件下的測試。美國投運的輸氫管道最高運行壓力已達到10.3MPa，已經達到了目前我國天然氣西氣東輸的骨干管道壓力等級。

而我國已建氫氣輸送管道有金陵-揚子氫氣管道、巴陵-長嶺氫氣提純及輸送管線、濟源-洛陽氫氣管道、玉門油田輸氫管道等，管道里程約100公里，管道運行壓力均在4MPa以下，管徑從200mm~500mm不等。

雖然我國在氫氣管道的設計、施工、運行及維護方面積累了一定經驗，但是相較國外先進水平仍有不小的差距。網絡公開信息顯示，當前我國已有摻氫管道8條，純氫管道超過10條，輸氫管線長度超2000公里。

此外，我國在管輸液氨和甲醇方面也有相應的經驗。我國液氨管道總里程較短，目前共建有4條液氨管道，總長度不超過200公里，總輸量不足100萬噸/年。1990年，我國第一條長距離液氨管道在秦皇島建成并投產運行，該管道至今仍為國內最長液氨管道。

2021年5月10日，中煤鄂能化100萬甲醇技改項目配套管線工程一次安全投產成功，管線工程線路全長約52公里，設計壓力2.5MPa，管道規格為D355.6mm，填補了國內長距離管道輸送甲醇的空白。

輸氫管道的材料

輸送氫氣的管道需要使用特殊材質，以確保氫氣的安全運輸。鋼是最常用的材料，但需注意選擇合適的類型以避免氫脆和腐蝕。

特殊材質的需求

氫氣的特性，如重量輕、難捉摸、擴散速度快，以及需要低溫液化等特點，使得氫氣在存儲和運輸過程中需要使用特殊的材料。氫氣會與某些金屬發生化學反應，導致“氫脆”現象，因此在氫氣管道的設計和材料選擇上有著更高的要求。

鋼材的廣泛應用

盡管面臨這些挑戰，鋼因其強度高、耐用性和成本效益而成為氫氣管道最常用的材料。特別是碳鋼，雖然廣泛用于天然氣管道，但由于其易發生氫脆和腐蝕，通常不推薦用于氫氣管道。

其他特殊材料的考慮

除了鋼，還有一些其他特殊材料被用于氫氣管道。例如，蒙耐爾合金，它具有良好的耐還原性介質的腐蝕能力，適用于多種腐蝕環境，特別在氫氟酸和堿溶液中表現出色。

管道輸氫國際概況

全球范圍內，通過管道進行氫氣輸送的歷史已超過80年的時間。最早追溯到1938年，德國率先構建了世界上首條氫氣長距離輸送管道，其長度達到215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個生產廠和用戶，從未發生任何事故。

2023年，德國政府通過新版《國家氫能戰略》，其中提到，計劃到2032年，長度超過11000公里的氫能核心網絡應將所有主要氫能供應商與所有主要消費者連接起來。

歐洲大約有 1500公里輸氫管。世界最長的輸氫管道建在法國和比利時之間，長約400公里。主要服務于化工廠之間的氫資源優化配置與利用。

隨著氫氣應用領域的不斷拓展與需求量的日益增長，全球范圍內氫氣輸送管道的建設規模持續擴大，現已累計超過4600公里的總里程。

從天然氣摻氫角度看，國際上依然是我國最高。

國內管輸氫能政策與規劃

要實現輸氫管道的穩定可靠輸送，當前技術上還面臨著諸多挑戰，因此更需要完善的標準體系建設才能實現發展目標。

2024年2月18日，國內首個氫氣儲輸管道用鋼管國家標準通過立項批復；而《2024年能源行業標準計劃立項指南》、《關于征集2024年第一批氫能行業團體標準的通知》等文件也多次涉及包含管道輸氫在內的氫能儲運標準的完善。這些標準的出臺，讓管道輸氫逐步走出原有無規則可依的“尷尬期”。

今年3月份，由中機國際華東區域中心參與編制的《氫氣輸送工業管道技術規程》（T/CAS 851—2024）獲得中國標準化協會批準發布。

該標準規定了氫氣輸送工業管道的材料選擇、設計和計算、施工和驗收、運行與維護等多方面。該標準的發布填補了我國氫能源工業管道輸送環節的標準空白。

今年4月份，中國標準化協會城鎮基礎設施分會組織編制，中國石油天然氣管道工程有限公司牽頭編制的《氫氣輸送管道完整性管理規范》已獲得中國標準化協會的批準發布。

該標準適用于陸上氣態純氫長輸鋼質管道在設計、施工、投產、運行、維護和廢棄的全生命周期內的完整性管理要求。填補了氫氣管道完整性管理的空白，推進了氫氣管道輸送技術的發展。

8月22日，住房城鄉建設部連發兩份通知，就國家標準《氫能輸配設備通用技術要求（征求意見稿）》（簡稱《技術要求》）以及《燃氣摻氫混氣裝置（征求意見稿）》（簡稱《混氣裝置》），向社會公開征求意見。

值得一提的是，兩份文件均對管道輸氫提出了幾項關鍵技術指標——

氫能輸配設備適用于純氫介質和摻氫比例不超過20%，壓力不超過20.0MPa的天然氣摻氫燃氣。

天然氣管道內流速不宜超過20m/s；氫氣管道內流速不宜超過15m/s；摻氫天然氣管道內流速不應超過20m/s。

摻氫比例超過20%（體積分數）的天然氣摻氫燃氣設備除符合本標準要求外，還應做適用性論證。

由此可見，國內關于氫能管輸的行業標準和國家標準正在完善中，后續將知道管輸氫氣的工程建設全面展開。

為實現“碳中和”發展目標，未來全國綠氫年需求將達到1.2億噸，相應需配套約26億千瓦風光資源與12億千瓦制氫設備。為實現氫能長距離經濟輸運，構建以“西氫東輸”為主的全國高標準骨干氫網，總投資超過10萬億元人民幣，管道總長度約9.3萬公里，承載約7900萬噸/年的輸氫能力。

由于我國西北部風光發電資源豐富，因此在內蒙古、新疆、甘肅、寧夏、青海等地有大規模綠氫資源潛力。為了將這些資源轉移到我國經濟發達的東南部地區，國家也開始布局“西氫東輸”計劃。

氫能匯（微信公眾號：h2-2005）了解到，西氫東輸首個項目起于內蒙古自治區烏蘭察布市，終點位于北京市的燕山石化，管道規劃經過內蒙古、河北、北京等3省區市、9個縣區，全長400多公里——這是我國首條跨省區、大規模、長距離的純氫輸送管道。

管道一期運力10萬噸/年，預留50萬噸/年的遠期提升潛力。同時，將在沿線多地預留端口，便于接入潛在氫源。

管道建成后，將用于替代京津冀地區現有的化石能源制氫及交通用氫，助力京津冀氫能走廊的高效構建；大力緩解我國綠氫供需錯配的問題。

西氫東輸還將開設新疆/青海→陜西/甘肅/寧夏/湖北/川渝→山東/河南/江浙滬皖/閩贛湘以及西藏→云南/貴州→廣東/廣西的新線路。

這些管網投產后，將對我國綠氫的推廣和使用起到重要作用。

管道輸氫主要參與企業

國內參與管道輸氫的企業有很多，主要以中國石油、中國石化、國家管網公司為主力。

1、中國石油

宣布用現有天然氣管道長距離輸送氫氣的技術獲得突破；聯合14家單位申報氫能輸送項目，并計劃建設純氫管道實驗平臺。

2、中國石化

中國石化參與了“西氫東送”輸氫管道示范工程。

3、國家電力投資集團

開展了天然氣摻氫入戶應用示范。

4、國家石油天然氣管網集團有限公司

成功實施了國內首次全尺寸摻氫天然氣管道封閉空間泄漏燃爆試驗。

5、內蒙古西部天然氣公司

投資建設了國內首條摻氫長距離高壓輸氣管道工程。

6、寶鋼股份

成功實現了高鋼級輸氫管線鋼的批量生產。

7、河鋼集團唐鋼公司

定制生產了首批1930mm超寬斷面臨氫管線鋼L245M。

8、寶雞鋼管公司

完成了國內首次全尺寸螺旋焊管長周期高壓高比例摻氫試驗。

9、渤海裝備巨龍鋼管公司

完成了輸氫鋼管二次單爐試制成功。

素材來源：央視網、五礦證券研究所、氫能技術前沿等