國內外氫氣長輸管道發展現狀及分析

蔣慶梅 王琴 謝萍 屈向軍

1中國石油天然氣管道工程有限公司

2中國石油西部管道分公司

3中國石油集團渤海鉆探工程有限公司定向井技術服務分公司

近年來，國內氫能利用技術逐步發展，生產規模不斷擴大。根據國家發改委、能源局的發展規劃，到2050 年氫能將成為能源結構的重要組成部分。目前制氫技術多種多樣，氫氣的來源也各不相同，其主要來源包括天然氣、煤炭等化石燃料制氫，核燃料以及太陽能、風能或潮汐能等可再生能源電解水制氫[1-2]等。由于氫氣的來源并非均勻分布，因此有必要將氫氣長距離運輸到相應的市場。盡管氫氣的運輸方式多種多樣，但對于大規模集中制氫和長距離輸氫來說，管道運輸是最經濟的方式[3]。根據國內外氫氣長輸管道的發展情況，分析氫氣長輸管道發展趨勢及存在的問題，可為后續氫能輸送提供借鑒。

1 國外氫氣長輸管道發展概況

國外氫氣管道起步較早，氫氣的管道運輸歷史可以追溯到20 世紀30 年代末。1939 年，德國建設了一條長約208 km 的管道，管徑254 mm，運行壓力2 MPa，氫氣輸送量達9 000 kg/h[4]。目前歐洲的氫氣輸送管道長度約為1 770 km，最長的氫氣管道由法國液化空氣集團所有，該管道從法國北部一直延伸至比利時，全長約402 km。北美地區美國氫氣輸送管道大部分位于德克薩斯州、路易斯安那州和加利福尼亞州，現有氫氣輸送管道長度超過2 600 km，建成的氫氣管道一般以低于6.9 MPa 的壓力運行。加拿大建設的兩套氫氣管道系統分別在艾伯塔省和安大略省，氫氣輸送管道長度約150 km。在全球現有氫氣管道管網系統的其他地區包括日本、韓國、越南、澳大利亞、荷蘭、巴西、泰國、印度尼西亞、南非等，這些地區的氫氣管道系統總長度大約為190 km。

氫氣管道長度統計數據各地區存在偏差，原因是對于氫氣輸送管道的判定標準不同。部分專家認為，管道需要達到一定的直徑才能被劃為氫氣輸送管道；還有部分專家認為，只有把氫氣從生產地運輸到用戶的管道才能稱作氫氣輸送管道（即工廠內輸送氫氣以作原料或燃料的管道不計算在內）。此外，管道的運行狀態和氫氣的純度水平也是界定該管道是否納入氫氣管道運輸系統范圍的影響因素。

2 國內氫氣長輸管道發展概況

國內氫氣長輸管道建設處于起步階段，目前已知的長距離輸氫管道包括金陵—揚子氫氣管道、巴陵—長嶺氫氣提純及輸送管線工程、濟源—洛陽氫氣管道、烏海—銀川焦爐煤氣輸氣管道以及義馬—鄭州煤氣管道輸氣工程。

金陵—揚子氫氣管道全長超過32 km，其中17 km 在南京化工園區內架空敷設，最大年輸量達4×104t，設計壓力4 MPa，管徑為325 mm，鋼管材質為20#石油裂化鋼管。

巴陵—長嶺氫氣提純及輸送管線工程最大管徑457 mm，鋼管材質為裂化碳素無縫鋼管。該管道總里程42 km，其中巴陵分公司城區片區至云溪片區段埋地管道24.2 km，氫氣由管道利用原料壓力送至巴陵石化云溪片區及長嶺煉化，為相關裝置提供氫氣資源。

濟源—洛陽氫氣管道實長約為25 km，管徑為508 mm，設計壓力4 MPa，鋼管材質為L245 無縫鋼管，采用常溫型三層PE 外防腐層。該管道起自濟源工業園區氫氣首站，止于吉利區洛陽石化末站，其主要功能是為石化行業加氫反應器提供氫氣原料，為進一步擴大石化企業的產能提供基礎保障。

烏海—銀川焦爐煤氣輸氣管道起自內蒙古烏海市千里山產業園區首站，止于寧夏銀川市寧夏石化公司烏銀寧化末站。該管道主要用于輸送焦爐煤氣和氫氣混合氣，經過2 省3 市4 區2 縣，線路總長217.5 km，管徑610 mm，設計壓力為3 MPa，采用L245 直縫雙面埋弧焊鋼管。

義馬—鄭州煤氣管道輸氣工程線路全長194 km，管徑426 mm，最大工作壓力2.5 MPa，材質為SM400C 螺旋縫埋弧焊鋼管，采用聚乙烯表面防腐。該管道的主要功能是將義馬煤礦坑口氣化廠所產的優質潔凈煤氣輸往鄭州、洛陽、義馬等城市煤氣輸配管網。

3 氫氣長輸管道發展趨勢

目前世界上氫氣生產和消費的最大應用領域為合成氨、甲醇或煉廠。國內氫氣主要消費領域為合成氨、石油煉制和其他石化產品等[5]。氫能作為一種清潔能源，未來可應用領域會很多，包括氫燃料電池車、分布式發電、備用電源和儲能等方面。近年來，隨著日本在氫燃料電池車領域的技術突破，交通領域的氫能技術日益受到關注[6]。

世界主要能源大國均制定了氫能源發展目標、戰略、路線圖等，投入研發力度巨大[7]。如美國發布了《全面能源戰略》，日本制定了《面向2030 年能源環境創新戰略》，歐盟推出了《2050 能源技術路線圖》，我國也已制定了《能源技術革命創新行動計劃（2016—2030 年）》，提出了氫工業（氫的制取、儲運及加氫站）、先進燃料電池、燃料電池分布式發電等三個戰略發展方向。全國氫能標準化技術委員會在《中國氫能產業基礎設施發展藍皮書（2016）》中也明確了氫能產業基礎設施在近期（2016—2020 年）、中期（2020—2030 年）和遠期（2030—2050 年）三個階段的發展目標和主要任務。

綜上所述，鑒于氫氣長輸管道運輸具有速度快、效率高的優點，其作為氫能大規模利用的配套基礎設施，將會得到進一步發展。

4 氫氣長輸管道建設標準

氫氣長輸管道的許多規范和標準與天然氣長輸管道相似，但由于兩種氣體物理性質差異較大，因此規范和標準還存在一些不同之處，不能直接采用天然氣長輸管道標準規范進行設計、建設等。

國內關于氫氣管道的標準有GB 50177《氫氣站設計規范》、GB 4962《氫氣使用安全技術規程》。GB 50177 適用于新建、改建、擴建的氫氣站、供氫站及廠區和車間的氫氣管道設計[8]。GB 4962 規定了氣態氫在使用、置換、儲存、壓縮與充（灌）裝、排放過程以及消防與緊急情況處理、安全防護方面的安全技術要求，適用于氣態氫生產后地面上各作業場所，不適用于液態氫、水上氣態氫、航空用氫場所及車上供氫系統，氫氣生產中的相應環節可參照執行[9]。上述兩個標準均不適用于埋地氫氣長輸管道，所以目前國內尚無針對氫氣長輸管道的標準體系。

國外適用于氫氣長輸管道的標準有美國機械工程師協會（American Society of Mechanical Engineers）編制的ASME B31.12—2014《氫用管道系統和管道》、歐洲壓縮氣體協會的CGA G-5.6—2005（R2013）《氫氣管道系統》和亞洲工業氣體協會的AIGA 033/14《氫氣管道系統》。ASME B31.12 適用于將氫氣從制造廠輸送到使用地的長輸管道、分輸管道和服務管線，不適用于按照ASME 鍋爐和壓力容器準則設計和制造的壓力容器、溫度高于450 ℉或低于-80 ℉的管道系統、壓力超過3 000 psi（1 psi=6 894.76 Pa）的管道系統、水氣含量大于20 mg/L 的管道系統以及氫的體積分數小于10%的管道系統[10]。AIGA 033/14 和CGA G-5.6 內容基本一致，不過CGA G-5.6 因為在2013 年修訂過，所以部分章節內容更加詳細。兩者適用于純氫及氫混合物的輸送和配送系統，僅限于氣態產品，溫度范圍在-40～175 ℃之間，總壓力為1～21 MPa 或不銹鋼材質的H2壓力高于0.2 MPa。這兩個標準由國際標準化組織成員協會（ICI）在歐洲工業氣體協會（EIGA）的領導下編寫，旨在供國際協調委員會所有成員在世界范圍內使用和參考[11-12]。

5 結束語

（1）國外氫氣長輸管道發展起步較早，技術成熟，建設里程明顯多于國內，在工程應用方面具有一定的研究深度和廣度。國內氫氣消費主要是作為工業原料，利用規模相對較小，整體技術水平也有待提高。

（2）國外已形成多個氫氣管道相應的設計、施工、運行、維護標準或指南，指導了工程的設計實施；國內對于氫氣管道的研究起步較晚，雖然建成了部分氫氣管道，但還沒有一套完整的氫氣管道標準，更缺少氫氣長輸管道標準，現有的氫氣管道相關標準規范要求不全面，難以滿足各方面需要。

（3）隨著國內能源結構調整和能源產業規劃的實施，氫能產業得到進一步發展，對于大規模集中制氫和長距離輸氫來說，管道運輸是最經濟的方式，管道輸氫應用前景廣闊，所以迫切需要完善氫氣長輸管道配套設計、施工、運行、維護等標準體系。