2023世界氫能技術(shù)大會(huì )于2023年5月22-26日在佛山南海舉辦。本屆大會(huì )由中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì )、中國機械工業(yè)聯(lián)合會(huì )和國際氫能協(xié)會(huì )共同主辦，以“氫能與雙碳戰略：從現在到未來(lái)”為主題，聚焦雙碳戰略下全球氫能領(lǐng)域的最新產(chǎn)品、技術(shù)及裝備，以及氫能在交通、能源、化工、冶金及建筑等領(lǐng)域的應用。

在5月24日舉行的氫能安全技術(shù)論壇上，中國石油天然氣管道工程有限公司副總經(jīng)理李國輝應邀作了題為“管道輸氫產(chǎn)業(yè)技術(shù)進(jìn)展與展望”的報告。（注：本文有刪減，未經(jīng)本人審閱）

感謝王教授，大家好。

無(wú)論是哪一個(gè)白皮書(shū)或者市場(chǎng)展望，對我們國家未來(lái)氫的利用還是比較樂(lè )觀(guān)的，預測到2060年我們會(huì )達到一億噸左右的規模。但是我國的氫資源是非常不均衡的。我們所有的氫資源主要分布在煉化企業(yè)、風(fēng)光發(fā)電和天然氣資源比較豐富的西北，東北和中西部，但是我們的消費市場(chǎng)主要集中在東部南部，這個(gè)和我們的油氣資源市場(chǎng)布局是比較相近的。呈現出一種資源市場(chǎng)的錯位分布，所以我們要解決這個(gè)時(shí)間和空間不匹配的問(wèn)題。那么未來(lái)我們中長(cháng)距離的這個(gè)儲運需求是比較大的，用純氫或者摻氫管道解決制氫和用氫最后一公里的問(wèn)題，所以我們預測到2050年，如果我們的氫能規模達到七千萬(wàn)噸，其中大概有一半以上是需要管道來(lái)輸送的。那3500萬(wàn)噸就相當于我們現在天然氣管道大概是每年3800億方左右規模，那么可能需要的管道里程在15萬(wàn)公里到二十萬(wàn)公里之間。

所以第一部分我跟大家一起來(lái)分享一下我們摻氫管道運輸的發(fā)展。

到目前為止，甚至在全世界范圍內，沒(méi)有一家敢對外宣布說(shuō)他的摻氫在商業(yè)領(lǐng)域是成功的。我們國家也一樣，沒(méi)有開(kāi)展天然氣長(cháng)輸方面的混輸實(shí)踐，僅有幾家摻氫平臺開(kāi)展了一些摻氫相容性的評價(jià)工藝和設備可靠性、安全性和防護評價(jià)，還有一些風(fēng)險的監測檢測和控制措施方面的研究。

那么其實(shí)把氫摻到天然氣管網(wǎng)里面，對整個(gè)的工藝系統會(huì )有一些影響，比如說(shuō)他會(huì )降低天然氣管網(wǎng)能量的輸送，如果等比例輸送的話(huà)，那么能量一定是下降的，這一點(diǎn)毋庸置疑，因為它的體積熱值是比天然氣低的，那么它也會(huì )影響壓縮機組的運行參數啊，影響管網(wǎng)整體的調壓能力，當然還有一些計量設施，甚至一些其他的動(dòng)設備。靜設備甚至密封件都要進(jìn)行一些改造。

那么再看摻氫輸送效率方面，如果輸送同樣能量的氫氣，需要的功耗是天然氣的3.3倍，如果恒定流速的話(huà)，那么管輸的能量明顯下降。如果以5%的最大運行速度處理5%的氫氣混合，在這種情況下，壓縮機的運行功率需要增加10%。

那當然我們在上游是摻進(jìn)去之后，那么下游如果只是普通的燃燒就不說(shuō)了，如果把它下游進(jìn)行一些分離的話(huà)，可能還需要一些提純的技術(shù)，我們可以看到變壓吸附是比較成熟的，那么摻氫比高管道壓力越高，它的提純成本越低。我們可以看到如果提取率是80%，它的提純的成本非常高3.3美元左右。

我們對一些區域的天然氣進(jìn)行了分析，在天然氣總量不變的情況下，混合氣體總量不變，那么整個(gè)摻氫之后的熱值、密度、粘度，還有壓縮因子都會(huì )有一些明顯影響。

那么我們以某干線(xiàn)項目為例，拆機后我們做了一些系統的研究，我們可以看到隨著(zhù)天然氣管道摻氫量的增加，他的這個(gè)軸功率是逐漸增加的，這是對我們動(dòng)設備壓縮機來(lái)說(shuō)的。另外對于下游首站來(lái)說(shuō)，它的軸功率是慢慢在減小。同時(shí)，這個(gè)沿線(xiàn)的耗氣量也會(huì )逐漸增加。另外從首站到末站，我們可以看到壓縮機組轉速的影響，那么輸氣能力可能會(huì )達不到我們整個(gè)的分數量，呈現逐年下降的一個(gè)趨勢。

那對于我們最主要的壓縮機設備，從首站到末站，我們可以看到壓縮機工作點(diǎn)逐漸向我們左上方偏移，偏移會(huì )造成我們不再高效區。這個(gè)影響我們可以看到最后面這個(gè)區域已經(jīng)快到我們區的邊緣了。

那摻氫管道輸送的費用呢？還是以這個(gè)項目為例，不同摻氫比管道的輸送效率，隨著(zhù)摻氫比的增加呈現一個(gè)增加的趨勢。

那對動(dòng)設備的影響呢？我們用的如果是國產(chǎn)壓縮機，可以看到其實(shí)部分的國產(chǎn)的壓縮機，在結構上它可以適應100%的摻氫比例。國產(chǎn)部分的F級重型燃氣輪機也可以適應20%的摻氫比，但是大量國外的壓縮機可以適應30%的場(chǎng)景比。目前多數運行的離心式壓縮機允許的摻氫比低于1%，但是通過(guò)我們調整它的一些結構，比如說(shuō)葉輪等等，這些關(guān)鍵設備可以適應到百分之5%。

那對靜設備來(lái)說(shuō)呢？其實(shí)國內閥門(mén)廠(chǎng)家認為10%的摻氫比例是可以接受的，但是對于計量和加熱爐的一些研究還處于理論研究階段。對于國外呢，比如說(shuō)德國燃氣與水工業(yè)協(xié)會(huì )，它表明研究表明大多數靜設備是可以適應10%到20%。目前的這個(gè)情況是基本上不需要改造的。

那還有一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題就是摻氫之后對于管材的影響。材料在氫環(huán)境中，它的強度變化影響基本不大，這已經(jīng)達成共識，但是對于塑性和韌性，尤其是對于韌性影響是非常大的。但是韌性是影響整個(gè)高壓天然氣管網(wǎng)非常重要的一個(gè)指標，壓力越高這個(gè)指標就要求的越高。

這是我們做的寧夏的一個(gè)摻氫平臺。目前正在進(jìn)行測試過(guò)程中，測試的壓力是4.5兆帕，摻氫比基本在3%到24%之間，主要測試它的流量計、閥門(mén)檢測儀表，還有一些可燃氣體檢測器的一些實(shí)驗性，驗證目前我們燃氣管網(wǎng)的這個(gè)密封材料還有一些氫脆現象等。同時(shí)，我們用這種計算流體力學(xué)的方法測試比較燃氣上比較關(guān)注的靜止條件下的分層情況，在兩個(gè)月時(shí)間測試了72小時(shí)沒(méi)有發(fā)生分層現象，但是因為我們測試的時(shí)間不是足夠長(cháng)，所以當足夠長(cháng)的時(shí)候也許會(huì )發(fā)生這種現象。

這是我們目前在承擔的，2022年國家重大專(zhuān)項氫進(jìn)萬(wàn)家的這個(gè)項目，我們準備在濰坊高新區進(jìn)行十萬(wàn)戶(hù)一百公里的摻氫和燃氣測試，目前這個(gè)項目正在進(jìn)行過(guò)程中。

下面分享一下關(guān)于純氫管道的研究和我們對未來(lái)的一些看法和規劃。

目前我們純氫管道在國內僅有三條，不到一百公里，在全世界范圍內大概有五千公里左右，大部分都是被這個(gè)三大氣體公司，Air Liquid、Air product、林德他們壟斷了，我們國內基本上都是以煉油化工為基礎的，對于加氫站的也有但非常少，大概就有不到一公里左右。已建的氫氣管道壓力都是低于四個(gè)兆帕，與國外運行的七個(gè)兆帕差距還是比較大。

那么對于大規模連續輸送呢？我們做了一下比較，用管道和長(cháng)管拖車(chē)、液氫槽車(chē)來(lái)進(jìn)行比較。我們看到管道運輸相較相比于其他來(lái)說(shuō)，對于一些長(cháng)距離的運輸優(yōu)勢是非常的明顯。但是長(cháng)管拖車(chē)是目前主流方式，因為整個(gè)氫還沒(méi)有做成一個(gè)產(chǎn)業(yè)。

我們也做了輕工業(yè)鏈模型，我們得出來(lái)的結論就是當們氫用量達到每年兩萬(wàn)噸的時(shí)候，那么用管道就要明顯優(yōu)于其他的方式，無(wú)論距離多少。比如說(shuō)輸送九十公里，數量五萬(wàn)噸每年來(lái)計算，用管道來(lái)輸氣態(tài)氫的成本是長(cháng)管拖車(chē)的11%到15%，也就是說(shuō)價(jià)格是它的1/8到1/10左右，相比液氫槽車(chē)運輸就更低了，是它的1/20左右。所以這個(gè)成本優(yōu)勢還是非常的明顯。

那么我們來(lái)看一下輸氫管道的工藝，那么在工藝上來(lái)說(shuō)，因為它是氣態(tài)的，所以目前所有的這些技術(shù)，包括輸送天然氣的技術(shù)基本上都可以用在輸氫上，比如說(shuō)它的軟件等等，計算結果基本都是相似的。目前我們也正在開(kāi)發(fā)純氫管道工藝的系統分析。

但是從整個(gè)來(lái)看，比如說(shuō)以首站壓力是2.75兆帕、末站壓力是1兆帕來(lái)算，那么純氫管道輸送的規模是天然氣輸送的2.6倍左右。那么在風(fēng)險評估方面，我們進(jìn)行了一些風(fēng)險評估，與天然氣相比，氫氣棧場(chǎng)內部風(fēng)險更高，這跟我們最樸素的觀(guān)點(diǎn)是比較相近的，但是風(fēng)險等級會(huì )隨距離的增加而快速衰減。這跟剛才各位專(zhuān)家說(shuō)的是不矛盾的，是一致的。它隨距離的增加衰減的特別的快，因為氫氣的逃逸性能更大。

那對于沿線(xiàn)的這些管道來(lái)說(shuō)，天然氣和氫氣相比，在相同可接受值的條件下，天然氣管道的距離更大，比如說(shuō)在十兆帕，我們天然氣管道可能到兩百米左右范圍，但是氫氣距離要明顯的小于這個(gè)兩百米，所以它在向上的這個(gè)空間可能會(huì )更危險?；谖覀儗τ诩儦涔艿赖囊恍┱J識，還有我們運行的已建的純氫管道。我們在八年前實(shí)際上就已經(jīng)建了純氫管道了，運行了八年沒(méi)有出現任何問(wèn)題，當然其中有一個(gè)小事故，有一個(gè)點(diǎn)漏了，它著(zhù)火了，但是其實(shí)也沒(méi)有大家想象的那么難，我們把它關(guān)了之后拿氮氣吹掃一遍，只是緊了緊這個(gè)螺栓，然后就繼續運行了，就沒(méi)有問(wèn)題了，所以基于此，我們也編制了一些氫氣管道的設計規范、施工規范還有一些完整性的規范啊。這些都是一些團體標準，目前對于這種行業(yè)的標準，我們也正在編制過(guò)程中，也希望大家有誰(shuí)能夠愿意加入到我們，跟我們一起去完成這項工作，也可以跟我們聯(lián)系加入。

再介紹幾個(gè)典型的工程。這是我們在八年前建的管道，是濟源到洛陽(yáng)。到目前為止，它依然是管徑最大壓力最高數量最高的。這個(gè)氫氣管道整個(gè)線(xiàn)路長(cháng)是25公里，管徑是508，管材是L245，設計壓力四個(gè)兆帕，最大數量是二十萬(wàn)噸，現在的數量是十萬(wàn)噸。

另外，我們對于未來(lái)的規劃，我們也構建了一個(gè)西氫東送的全國氫能網(wǎng)絡(luò )。根據新加坡南洋科技大學(xué)對比，這個(gè)輸電加制氫和制氫加輸氫兩種方式進(jìn)行對比，如果說(shuō)按照年輸氫量250億標方設計，壓力是十個(gè)兆帕管徑1016，線(xiàn)路長(cháng)兩千公里，那么他的投資大概是四百億，但是如果要輸相同電的話(huà)，投資大概是八百億。輸電的總體投資要比輸氫貴一倍。而且輸電的損耗大概是1%到2%，但是用管道輸氫，它的損耗大概是在1‰左右。

基于此，對于我們氫的規劃，其實(shí)我們做了一些特別大的規劃，因為我們覺(jué)得在2035年至2050年，基本上所有的氫都會(huì )通過(guò)管道來(lái)進(jìn)行，我們構建了聯(lián)通寧夏、內蒙古、河北、北京、天津、黑龍江、吉林、遼寧、河南，這么多省和市的一橫一縱三支的北方氫能大管網(wǎng)，整個(gè)氫能管網(wǎng)大概達到五六千公里。我們的目的是要連同北方最大的制氫省份內蒙和河北，因為內蒙古無(wú)論是風(fēng)光資源非常豐富的這個(gè)區域，那么解決我們京津冀和中原城市群這兩個(gè)經(jīng)濟區啊，改善資源策和市場(chǎng)策時(shí)間和空間不匹配的問(wèn)題，那么我們最終的目的不是要運營(yíng)這條管道，我們是要在中國建立一個(gè)更加開(kāi)放的氫能管網(wǎng)大平臺。無(wú)論誰(shuí)的氫，都可以進(jìn)入到管道里面，無(wú)論誰(shuí)想用，都可以從這個(gè)平臺里面下載。那么我們要統一壓力，統一氫的純度，統一下載的方式。

同時(shí)，整個(gè)氫能管網(wǎng)還能解決制氫不連續和用氫連續性問(wèn)題，它其實(shí)就是一個(gè)大的儲氫容器。那在這個(gè)基礎上我們還要構建全國氫能骨干網(wǎng)絡(luò )，我們構建了大北方的、長(cháng)三角的，還有珠三角的。當然對于川渝地區我們也有一定的規劃。這只是一個(gè)示意圖，其實(shí)我們詳細的都已經(jīng)完成了。

感謝大家，謝謝。