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张玉川 2022.3

      本文介绍输氢管网中塑料管道可能使用的可能性和可行性，从目前国外探索的方向和实际应用案例来展望塑料管道未来在这个领域的前景和可预期塑料管道发展空间，供大家参考。显然带金属阻隔层的RTP将是一个值得探索的方向，而目前相对比较成熟的HDPE燃气管道则将迎来新的市场，当然还需要做大量测试和验证试验。

高压长途输氢管道配置的探索

      氢能利用中一个难题是氢的储存和输送，虽然管道运输前期投资高，但只有管道才能实现长距离，大规模，稳定，低成本，安全和环保地大量输氢。

      氢的管道输送和天然气管道输送有类似之处，但是有更多更高的要求。在有些场合可以利用已有的天然气管网输氢，有些场合则必须采用要求更高的新建输氢管网。因此，氢的管道输送是发展绿氢实现转向可再生能源中的重要课题。

氢的管道输送网分两部分：从氢的生产地经过高压管道长途输送到消费地区，用于发电或工业生产；在消费地区经过低压管道网分散输送到.终用户，用于采暖，烹饪等消费。

国外：

      氢气的长距离管道输送已有60余年的历史。.早的长距离氢气输送管道1938年在德国鲁尔建成，其总长达208公里, 输氢管直径在0.15~0.30m之间, 额定的输氢压力约为2.5MPa, 连接18个生产厂和用户, 从未发生任何事故。世界.长的输氢管道建在法国和比利时之间,长约400公里。

     根据中国氢能联盟发布的《中国氢能源及燃料电池产业白皮书》显示，美国已建成2500公里的输氢管道，欧洲已有1569公里的输氢管道，全球范围内输氢管道的数量约4500公里。国外目前使用的输氢管线一般为钢管, 运行压力为1~2MPa, 直径0.25~0.30m。

国内：

目前仅有100公里输氢管道。

      2014年，中国石化巴陵石化公司42公里氢气管道成功投产；该管线是巴陵石化“氢气提纯及管线输送”项目的一部分，途经湖南岳阳市两区、4乡镇15个村，穿越京广等铁路线4处，高速公路及省道9处，河流3条，定向钻穿越8处，主要将煤化工部煤气化(煤制气)装置甲烷化后含氢量85.84%体积的原料气提纯至99.5%体积的氢气，由管道利用原料压力送至巴陵石化云溪片区以及长岭炼化，为相关装置提供氢气资源。

      2015年，由中国石化洛阳市分公司投资、中国石油管道局承建的济源化工园区至洛阳吉利区氢气管道输送工程竣工，全长25公里。伊维经济研究院根据国内“济源-洛阳”项目测算，采用φ508mm管道，年输送能力10.04万吨，建设成本为616万/km，管道使用寿命20年。运行期间维护成本及管理费用按建设成本的8%计算。

      2021年在建：中石油天然气管道工程有限公司中标河北定州至高碑店氢气长输管道可行性研究项目。管道总长约145公里。这是中国计划建设的.长的氢气管道，直径508mm，设计输氢能力10万吨/年。

        有消息说法国Air Liquide已在中国的上海、天津、辽阳铺设了输氢管道。没有查到确切资料。

氢脆的危险：在天然气输送中普遍使用的碳钢管不可输送氢。由于氢分子能够进入普碳钢的晶格中形成脆性破坏并产生大量微小裂纹，.终将导致管道完全失去承载能力，据说目前国外铺设的输送氢气管道在长距离高压部分采用被称为“蒙耐尔合金”的镍合金钢。所以美国氢气管道的造价为31~94万美元/公里, 而天然气管道的造价仅为12.5~50万美元/公里, 氢气管道的造价是天然气管道造价的2倍多。

氢气的比重小：每立方米氢的重量仅90克,因此需要高压缩输送。

易渗透：氢气比天然气更易渗透，易燃和易爆(爆炸极限为体积浓度4.0%至75.6%，远高于甲烷等天然气)。 

      在全球石油和天然气近代的蓬勃发展中，高压长途管道输送中一个重大的技术突破是增强热塑性塑料管的不断开发和扩展应用，特别是在环境特别恶劣的场合显示出独特的优越性。可以制造成高抗内外压又柔韧抗腐蚀，可弯曲盘的连续长管。在陆地上使用习称增强热塑性塑料管RTP(REINFORCED THERMOPLASTIC PIPE),在海洋中使用习称TCP。

      这类增强热塑性塑料管应用于输氢还没有公认的国际标准。近来NOV正在许多..的..的大企业参与下起草输氢用增强热塑性塑料管的技术规程。

      PipeLife属于Wienerberger集团，是国际..的塑料管企业集团，总部在维也纳。PipeLife是引领增强热塑性塑料管RTP的先驱者，SoluForce是PipeLife RTP的品牌，在石油和天然气领域拥有良好的记录，自2000年以来，在世界各地安装了超过3.500 km。
      为高压长途输送氢气开发的SoluForce H2T已经通过欧洲权威的燃气安全认证机构KIWA GASTEC 的认证。SoluForce H2T是芳纶纤维增强的 HDPE管，复合有防止渗透的粘结铝层，.高工作温度60C°, 设计寿命50年，产品以连续盘卷供应（每卷400米）。 据介绍完成在2019年,优点是比钢管费用明显降低(Significant cost reductions compared to (steel) alternatives)。柔韧容易铺设(Fully flexible and easy to install)。SoluForce H2T有介绍产品的说明书(soluforce-hydrogen-tight-h2t-brochure)，但PipeLife没有提供指导设计的技术资料。

      从一份没有公开的国外报告中见到对一个陆地输氢管道工程的经济评估,可供参考:

      一个从荷兰某陆上氢气电解站输送氢气到当地工业集群的管道:150MW(兆瓦)氢气电解站，每小时生产31,000Nm³氢气,距离15公里,  环境温度10℃ 来自电解站的输出压力30-40bar， 工作压力为40巴。  

对比同直径6英寸的RTP和钢管

比较：RTP可以比钢节省20%，RTP材料的成本要高出2-3倍，铺设的成本要低2-3倍。

该报告分析了RTP费用低的原因：大大降低了管道铺设和焊接的费用；施工时间较短，较少人工-时；不需要焊接区域重新涂层；RTP卷轴位于沟槽的末端 比较平行于管沟的钢管段，需要空间较小；排水费用较低。全寿命的完整比较RTP的成本仍然较低。

结论：对于多兆瓦规模的陆上氢项目，RTP是一种替代钢管的节约成本的潜在方案。

对此工程做以下计算供参考：150MW(兆瓦)电解站，150000000w 每小时150000KW千瓦时(度电);按2.5度电能产生1m3氢气计算，每小时就可以得到6×104 m3氢气。1m3氢气的热值是2956大卡，标煤的热值是7000大卡，大约2.4m3氢气的热值相当于1千克标煤的热值，每小时60000m3氢气的热值相当于25000千克标煤(25吨煤)每天24小时热值相当于600吨，每年热值相当于21.9万吨煤。（希望找到更多实用高压长途管道的案例供分析和借鉴。）

低压短途氢气输配管道的探索

      氢气通过高压管道长途输送到应用地区后需要通过低压输配管道分散输送到.终用户。

      因为全世界很多国家和地区已经广泛应用天然气，建立了从天然气生产地经过高压管道长途输送到消费地的干线管道和在消费地区经过低压管道分散输送到.终用户的输配管网(包括金属管和塑料管)。设法利用这些天然气管道网输配氢气成为全球热门的研发课题。不少国家很早就开展利用现有天然气管道网输氢的可行性研究,并取得可喜的成果。

      结论是很多国家现在应用的天然气输配管网经过适当修改可以应用于氢气的输配。国际塑料管道业从十多年前开始试验用PE80和PE100管输氢从近年国际塑料管会议上的报告中可以见到欧洲的不断探索。

      在2010年第15届国际塑料管会议上Borealis AB公司和丹麦天然气研究中心Dansk Gastekniskt Center A/S首先发表用PE管道输送氢气的研究报告，题目是“用聚乙烯天然气管输送氢”[1]，报告说：目前世界上广泛用PE管道输送天然气，考虑到未来可能要用氢来的替代，丹麦天然气研究中心在Stenungsund borealis ab的支持下在多年前就在在丹麦的一个小规模试点网路中试验输送纯氢气。对几种不同生产年份的数种PE80和PE100管以及已经输送过天然气的管道进行了力学性能和化学性质的广泛研究。结论是没有证据表明PE管的力学性能因接触氢气而发生任何反应或退化。根据这项调查，使用PE传输氢气是可行的。

      在2018年第15届国际塑料管会议上挪威Kiwa Technology的R.J.M. Hermkens 和挪威Groningen Seapor的H.Colmer发表了题目是“现代PE管使氢气的运输成为可能”的报告。[2] 报告介绍为了全面验证PE管输送氢气的长期安全性和适用性，在荷兰北部的格罗宁根Groningen海港铺设了一条用于公共汽车燃料的输氢管道(从生产氢气的化工厂到加气站)。在建设前就全面的研究了保证PE管输氢长期安全的各方面，包括建造中的材料选择，铺设方式，运行中的维护等。在运行后监测了所选PE100-RC材料的渗透速率，氢气中长期暴露后的熔接性等。

      该报告中介绍了进行的多种测试：如测定材料暴露在氢的化学侵蚀后机械力学性能的变化；在专门设计的渗透试验装置中测定渗透系数；还测试了PE管在长时间接触氢气后对熔接性能的影响(保证应用后维修的可行性)。报告.后的结论是：“暴露于空气中的管材与暴露在氢气中的管材之间没有显著差异。从材料完整性的角度来看，没有发现任何负面影响。由于氢分子很小，氢的渗透预计将超过甲烷。我们的..认为危险性是可以比较的，由于渗透系数中差异有限，以及氢在空气中的物理行为与甲烷比的差异有限。在格罗宁根Groningen港建筑内经检验的PE100-RC管道适用于压力到2 bar的氢气输送。更广泛地说，可以得出结论PE管允许以安全可靠的方式运输和分配氢。”

      2021年第15届国际塑料管会议上有三篇报告介绍国际上探索用氢替代天然气中应用塑料管的科研成果和经验。

包括：联合王国Radius Systems Limited报告“氢燃料气体用聚乙烯管道的一个论证方法”AN EVIDENTIAL APPROACH TO USE OF POLYETHYLENE PIPE FOR HYDROGEN FUEL GASES。

芬兰Borealis Polymers报告“天然气输配用聚合物管道中输送氢气--十年经验” HYDROGEN TRANSPORT IN POLYMER PIPES FOR NATURAL GAS  DISTRIBUTION – TEN YEARS OF EXPERIENCE

      荷兰Kiwa Technology (国际..测试、检查和认证公司) 将发表 报告——“测试用于高压输氢的可盘卷增强柔性管道和衬里材料”TESTING SPOOLABLE REINFORCED FLEXIBLE PIPES AND LINER MATERIAL FOR HIGH PRESSURE HYDROGEN TRANSPORT

      国际燃气产业,多国政府也在积极探索利用天然气管网输氢的可行性，英国大部分建筑用天然气取暖，2010年，英国家庭通过直接燃烧天然气排放85百万吨二氧化碳(MtCO2)。英国政府在2012年提出要评估氢转化脱碳的可行性，安排了使用天然气网络运输氢气的可行性研究。2013年就出版了“转换UK燃气气系统到输送氢Conversion of the UK gas system to transport hydrogen”的报告[3]。这份14页的报告很严谨,征求了工业界、学术界和政府的14名..的意见。

      国际天然气联盟International Gas Union在2017年举行的联盟研究会议上发表了“IGRC2017 天然气输配用聚合物管道中输送氢气USING THE NATURAL GAS NETWORK FOR TRANSPORTING HYDROGEN– TEN YEARS OF EXPERIENCE”[4].报告的结论是“4年(PE80)和10年(PE100)的连续氢暴露以及随后基于国际标准的实验室测试表明，氢对PE80或PE100天然气管道的耐久性没有影响。”

       国际上也试验研究了在天然气管道中混入氢气的可行性。美国的NREL可再生能源研究所National Renewable Energy Laboratory 在2013年就发表了“向天然气管网混合氢气：关键问题综述Blending Hydrogen into Natural Gas Pipeline Networks: A Review of Key Issues”[5]。这份73页的报告详细分析了在美国庞大的天然气管中混合氢氢的可行性。

      虽还没有见到我国开发低压氢气输配管道的信息,我国近年已经在不少地区建设了天然气输配管网。面对我国天然气大量依靠进口和国产绿氢的发展，迫切需要探索改造现有天然气输配管网为绿氢输配管网的大调整。我国塑料管业在我国发展天然气输配管网中做出了重大贡献，产能和技术都具备转向发展绿氢输配管网的基础。听说我国生产输天然气塑料管道的..企业已经在关注开发绿氢输配管，但还没有见到公开的报道。也没有见到应用天然气输配管道的主管部门和相关企业探索改输绿氢的确切信息。 转向为绿氢输配管网服务需要认真和深入地调查研究，逐步和严谨地试验和推广。一方面要注意借鉴国际的经验和教训。另一方面要提倡国内的交流和合作。建议我国塑料管业要抓住机遇，开发绿氢输配用塑料管，主动迎接这场变革。 

参考资料

[1] “用聚乙烯天然气管输送氢TRANSPORT OF HYDROGEN WITH POLYETHYLENE NATURAL GAS PIPES”2010年15届国际塑料管会议论文PPC-15-8A-5； 

[2] “现代PE管使氢气的运输成为可能MODERN PE PIPE ENABLES THE TRANSPORT OF HYDROGEN”2018年19届国际塑料管会议 PPC 19-3B-207

[3] “转换UK燃气气系统到输送氢Conversion of the UK gas system to transport hydrogen”

[4] “用天然气管网输氢气-十年经验USING THE NATURAL GAS NETWORK FOR TRANSPORTING HYDROGEN– TEN YEARS OF EXPERIENCE””国际天然气联盟International Gas Union IGRC2017

[5] “向天然气管网混合氢气：关键问题综述Blending Hydrogen into Natural Gas Pipeline Networks: A Review of Key Issues” 美国的NREL可再生能源研究所报告

（编辑：吴 念）