1.2.2 管道輸氫

高壓管道運氫是通過在地下埋設或地面架空的無縫鋼管系統進行氫氣輸送，運輸效率高、能耗低，適合長距離輸送氫。高壓管道被認為是向城市（日需求量>150t）內的大型加氣站（日需求量>1000kg）供應氫氣的成本最低的選擇[6]。目前，高壓輸氫管道常用材料為鋼，輸氫壓力為1.0～4.0MPa，直徑250～500mm，其單位質量氫氣的運輸成本僅為0.3元/kg[7]，但管道建設所需投入的一次性成本巨大。

1）運輸方式。高壓管道的氣體輸送利用了管道進出口的壓力差，在輸送沿途因為氣體本身的黏性和管道的摩擦造成壓降，為了實現足夠長距離的高效率的燃氣輸送，同時考慮管道的承壓能力，需要限定管道輸送氣體的最低與最高壓力，通常會采取每隔80～100km配備一個壓縮站重新壓縮氫氣的方法來保證氣體的高效率運輸。而當不同工作壓力的管道需要連接時，則需要設置降壓站，通過節流閥降壓實現并線[10]。

2）運輸路徑。運輸路徑如圖1-8所示，集中式生產的氫氣加壓后通過長輸管道送至配氣站，配氣站管網再將氫氣輸送至加氫站以及各類用戶終端，通過半集中式生產的氫氣直接經過配氣管網輸送。長輸管道的運輸距離長、氫氣壓力高、管徑大，配氣管道的運輸距離短、氫氣壓力較低、管徑較小。集中式生產的富余氫氣可利用地下鹽層、儲水層、油氣田等地質結構儲存，以應對氫氣的季節性需求變化。

圖1-8 氣態氫通過高壓管道輸送的路徑[6]

3）發展現狀。截至2020年12月，美國運營中的輸氫管道里程約為2500km，其中90%位于得克薩斯州、路易斯安那州和亞拉巴馬州的墨西哥灣沿岸，主要服務于該地區的煉油廠和合成氨廠。在歐洲已有約1600km的輸氫管道，其中最長的管道穿過法國、比利時及荷蘭，全長1100km；2020年發布的《歐盟氫能戰略》和《歐盟能源系統整合策略》計劃到2030年建成純氫管網6800km，2040年建成23000km，其中75%由現有的天然氣管網改造而來，25%為新建的氫氣專用管網。德國預計于2022年建成一條長度為130km的綠色純氫管道并投入使用，其輸送的氫氣將全部生產自可再生能源。與豐富的氫氣長輸管道建設經驗相匹配，歐美地區的氫管道設計規范也相對完善，如美國機械工程師協會的ASME B31.12：2014《氫用管道系統和管道》以及歐洲工業氣體協會的IGC DOC 121/04/E《氫氣輸運管道》等標準。

我國的氫氣輸送管道仍處于規劃建設的初期，全國輸氫管道累計長度僅約100km，主要包括巴陵—長嶺管道（42km）、金陵—揚子管道（32km）及濟源—洛陽管道（25km），均用于為化學工業提供原料氫氣。2021年7月，中國石油天然氣管道工程有限公司中標河北定州—高碑店氫氣長輸管道可行性研究項目，管道全長約145km，是國內目前規劃建設的最長氫氣管道。《中國氫能產業基礎設施發展藍皮書（2016）》計劃到2030年，我國將建成3000km以上的氫氣長輸管道。在標準規范方面，目前已有GB/T 34542《氫氣儲存輸送系統》系列標準對材料與氫的相容性、氫脆敏感性以及輸氫系統的技術要求做了針對性的規定。受限于輸氫專用管道建設的時間與經濟成本，短時間內難以實現高壓氫氣的大規模管網輸送。與輸氫管道相比，我國運營天然氣輸送管道的經驗要豐富得多，截至2021年，全國已累計建成天然氣管道11萬km[11]，因此充分利用好天然氣管網已有的設備與經驗對氫氣長輸管道建設大有裨益。現階段可采取在現有的天然氣管道中摻入一定比例的氫氣進行輸送，或是將已有的天然氣管道改造為輸氫管道的方式，來探索管道運氫的技術要點與難點。

4）面臨的挑戰。目前，高壓管道輸送氫氣的推廣應用仍面臨一定技術問題，包括：

①高壓、壓力循環以及氫脆問題會影響管道鋼材的耐久性。需進一步詳細研究氫對結構材料的滲透機制，選擇合適的材料、應用恰當的成型及熱處理工藝來提高管道的壽命，降低維護成本。

②管道沿線任意位置的泄漏都可能引發火災、爆炸事故，導致整條輸氫線路的故障，長距離輸氫管道的泄漏監測依賴于低成本、高效率、精度高的長距離傳感技術。雖然已有較成熟的泄漏檢測技術應用在天然氣管道上，但這些技術對于高壓管道氫氣的適用性仍有待研究。

③氫壓縮機對組件的可靠性要求高、成本高昂，且其中的潤滑劑可能會對氫造成污染。解決該問題的方案包括對膜片與密封件等特定組件進行改良設計，研發大功率、無潤滑劑的新型壓縮技術，以及研究低成本的氫氣凈化工藝等。