中石油規(guī)劃五六千公里輸氫官網(wǎng),將聯(lián)通寧夏,內(nèi)蒙古,河北,北京,天津,黑龍江,吉林,遼寧,河南等地
2023世界氫能技術(shù)大會于2023年5月22-26日在佛山南海舉辦。本屆大會由中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會、中國機(jī)械工業(yè)聯(lián)合會和國際氫能協(xié)會共同主辦,以“氫能與雙碳戰(zhàn)略:從現(xiàn)在到未來”為主題,聚焦雙碳戰(zhàn)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(yīng)用。氫燃料電池汽車網(wǎng)MRHN.CN現(xiàn)場報道大會。
中國石油天然氣管道工程有限公司副總經(jīng)理李國輝出席5月24日舉行的氫能安全技術(shù)論壇并作了題為“管道輸氫產(chǎn)業(yè)技術(shù)進(jìn)展與展望”的主題報告,以下是報告具體內(nèi)容:
感謝王教授,大家好!
無論是哪一個白皮書或者市場展望,對我們國家未來氫的利用還是比較樂觀的,預(yù)測到2060年我們會達(dá)到一億噸左右的規(guī)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(fèi)市場主要集中在東部南部,這個和我們的油氣資源市場布局是比較相近的。呈現(xiàn)出一種資源市場的錯位分布,所以我們要解決這個時間和空間不匹配的問題。那么未來我們中長距離的這個儲運(yùn)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題,所以我們預(yù)測到2050年,如果我們的氫能規(guī)模達(dá)到七千萬噸,其中大概有一半以上是需要管道來輸送的。那3500萬噸就相當(dāng)于我們現(xiàn)在天然氣管道大概是每年3800億方左右規(guī)模,那么可能需要的管道里程在15萬公里到二十萬公里之間。
所以第一部分我跟大家一起來分享一下我們摻氫管道運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展。
到目前為止,甚至在全世界范圍內(nèi),沒有一家敢對外宣布說他的摻氫在商業(yè)領(lǐng)域是成功的。我們國家也一樣,沒有開展天然氣長輸方面的混輸實(shí)踐,僅有幾家摻氫平臺開展了一些摻氫相容性的評價工藝和設(shè)備可靠性、安全性和防護(hù)評價,還有一些風(fēng)險的監(jiān)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,對整個的工藝系統(tǒng)會有一些影響,比如說他會降低天然氣管網(wǎng)能量的輸送,如果等比例輸送的話,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,那么它也會影響壓縮機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)啊,影響管網(wǎng)整體的調(diào)壓能力,當(dāng)然還有一些計量設(shè)施,甚至一些其他的動設(shè)備。靜設(shè)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,那么管輸?shù)哪芰棵黠@下降。如果以5%的最大運(yùn)行速度處理5%的氫氣混合,在這種情況下,壓縮機(jī)的運(yùn)行功率需要增加10%。
那當(dāng)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了,如果把它下游進(jìn)行一些分離的話,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(qū)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,那么整個摻氫之后的熱值、密度、粘度,還有壓縮因子都會有一些明顯影響。
那么我們以某干線項目為例,拆機(jī)后我們做了一些系統(tǒng)的研究,我們可以看到隨著天然氣管道摻氫量的增加,他的這個軸功率是逐漸增加的,這是對我們動設(shè)備壓縮機(jī)來說的。另外對于下游首站來說,它的軸功率是慢慢在減小。同時,這個沿線的耗氣量也會逐漸增加。另外從首站到末站,我們可以看到壓縮機(jī)組轉(zhuǎn)速的影響,那么輸氣能力可能會達(dá)不到我們整個的分?jǐn)?shù)量,呈現(xiàn)逐年下降的一個趨勢。
那對于我們最主要的壓縮機(jī)設(shè)備,從首站到末站,我們可以看到壓縮機(jī)工作點(diǎn)逐漸向我們左上方偏移,偏移會造成我們不再高效區(qū)。這個影響我們可以看到最后面這個區(qū)域已經(jīng)快到我們區(qū)的邊緣了。
那摻氫管道輸送的費(fèi)用呢?還是以這個項目為例,不同摻氫比管道的輸送效率,隨著摻氫比的增加呈現(xiàn)一個增加的趨勢。
那對動設(shè)備的影響呢?我們用的如果是國產(chǎn)壓縮機(jī),可以看到其實(shí)部分的國產(chǎn)的壓縮機(jī),在結(jié)構(gòu)上它可以適應(yīng)100%的摻氫比例。國產(chǎn)部分的F級重型燃?xì)廨啓C(jī)也可以適應(yīng)20%的摻氫比,但是大量國外的壓縮機(jī)可以適應(yīng)30%的場景比。目前多數(shù)運(yùn)行的離心式壓縮機(jī)允許的摻氫比低于1%,但是通過我們調(diào)整它的一些結(jié)構(gòu),比如說葉輪等等,這些關(guān)鍵設(shè)備可以適應(yīng)到百分之5%。
那對靜設(shè)備來說呢?其實(shí)國內(nèi)閥門廠家認(rèn)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,比如說德國燃?xì)馀c水工業(yè)協(xié)會,它表明研究表明大多數(shù)靜設(shè)備是可以適應(yīng)10%到20%。目前的這個情況是基本上不需要改造的。
那還有一個關(guān)鍵的問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(qiáng)度變化影響基本不大,這已經(jīng)達(dá)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高壓天然氣管網(wǎng)非常重要的一個指標(biāo),壓力越高這個指標(biāo)就要求的越高。
這是我們做的寧夏的一個摻氫平臺。目前正在進(jìn)行測試過程中,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、閥門檢測儀表,還有一些可燃?xì)怏w檢測器的一些實(shí)驗性,驗證目前我們?nèi)細(xì)夤芫W(wǎng)的這個密封材料還有一些氫脆現(xiàn)象等。同時,我們用這種計算流體力學(xué)的方法測試比較燃?xì)馍媳容^關(guān)注的靜止條件下的分層情況,在兩個月時間測試了72小時沒有發(fā)生分層現(xiàn)象,但是因為我們測試的時間不是足夠長,所以當(dāng)足夠長的時候也許會發(fā)生這種現(xiàn)象。
這是我們目前在承擔(dān)的,2022年國家重大專項氫進(jìn)萬家的這個項目,我們準(zhǔn)備在濰坊高新區(qū)進(jìn)行十萬戶一百公里的摻氫和燃?xì)鉁y試,目前這個項目正在進(jìn)行過程中。
下面分享一下關(guān)于純氫管道的研究和我們對未來的一些看法和規(guī)劃。
目前我們純氫管道在國內(nèi)僅有三條,不到一百公里,在全世界范圍內(nèi)大概有五千公里左右,大部分都是被這個三大氣體公司,Air Liquid、Air product、林德他們壟斷了,我們國內(nèi)基本上都是以煉油化工為基礎(chǔ)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兆帕,與國外運(yùn)行的七個兆帕差距還是比較大。
那么對于大規(guī)模連續(xù)輸送呢?我們做了一下比較,用管道和長管拖車、液氫槽車來進(jìn)行比較。我們看到管道運(yùn)輸相較相比于其他來說,對于一些長距離的運(yùn)輸優(yōu)勢是非常的明顯。但是長管拖車是目前主流方式,因為整個氫還沒有做成一個產(chǎn)業(yè)。
我們也做了輕工業(yè)鏈模型,我們得出來的結(jié)論就是當(dāng)們氫用量達(dá)到每年兩萬噸的時候,那么用管道就要明顯優(yōu)于其他的方式,無論距離多少。比如說輸送九十公里,數(shù)量五萬噸每年來計算,用管道來輸氣態(tài)氫的成本是長管拖車的11%到15%,也就是說價格是它的1/8到1/10左右,相比液氫槽車運(yùn)輸就更低了,是它的1/20左右。所以這個成本優(yōu)勢還是非常的明顯。
那么我們來看一下輸氫管道的工藝,那么在工藝上來說,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,比如說它的軟件等等,計算結(jié)果基本都是相似的。目前我們也正在開發(fā)純氫管道工藝的系統(tǒng)分析。
但是從整個來看,比如說以首站壓力是2.75兆帕、末站壓力是1兆帕來算,那么純氫管道輸送的規(guī)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,氫氣棧場內(nèi)部風(fēng)險更高,這跟我們最樸素的觀點(diǎn)是比較相近的,但是風(fēng)險等級會隨距離的增加而快速衰減。這跟剛才各位專家說的是不矛盾的,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。
那對于沿線的這些管道來說,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兩百米,所以它在向上的這個空間可能會更危險。基于我們對于純氫管道的一些認(rèn)識,還有我們運(yùn)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(yùn)行了八年沒有出現(xiàn)任何問題,當(dāng)然其中有一個小事故,有一個點(diǎn)漏了,它著火了,但是其實(shí)也沒有大家想象的那么難,我們把它關(guān)了之后拿氮?dú)獯祾咭槐?,只是緊了緊這個螺栓,然后就繼續(xù)運(yùn)行了,就沒有問題了,所以基于此,我們也編制了一些氫氣管道的設(shè)計規(guī)范、施工規(guī)范還有一些完整性的規(guī)范啊。這些都是一些團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn),目前對于這種行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn),我們也正在編制過程中,也希望大家有誰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。
再介紹幾個典型的工程。這是我們在八年前建的管道,是濟(jì)源到洛陽。到目前為止,它依然是管徑最大壓力最高數(shù)量最高的。這個氫氣管道整個線路長是25公里,管徑是508,管材是L245,設(shè)計壓力四個兆帕,最大數(shù)量是二十萬噸,現(xiàn)在的數(shù)量是十萬噸。
另外,我們對于未來的規(guī)劃,我們也構(gòu)建了一個西氫東送的全國氫能網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)新加坡南洋科技大學(xué)對比,這個輸電加制氫和制氫加輸氫兩種方式進(jìn)行對比,如果說按照年輸氫量250億標(biāo)方設(shè)計,壓力是十個兆帕管徑1016,線路長兩千公里,那么他的投資大概是四百億,但是如果要輸相同電的話,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(guī)劃,其實(shí)我們做了一些特別大的規(guī)劃,因為我們覺得在2035年至2050年,基本上所有的氫都會通過管道來進(jìn)行,我們構(gòu)建了聯(lián)通寧夏、內(nèi)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),整個氫能管網(wǎng)大概達(dá)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(nèi)蒙和河北,因為內(nèi)蒙古無論是風(fēng)光資源非常豐富的這個區(qū)域,那么解決我們京津冀和中原城市群這兩個經(jīng)濟(jì)區(qū)啊,改善資源策和市場策時間和空間不匹配的問題,那么我們最終的目的不是要運(yùn)營這條管道,我們是要在中國建立一個更加開放的氫能管網(wǎng)大平臺。無論誰的氫,都可以進(jìn)入到管道里面,無論誰想用,都可以從這個平臺里面下載。那么我們要統(tǒng)一壓力,統(tǒng)一氫的純度,統(tǒng)一下載的方式。
同時,整個氫能管網(wǎng)還能解決制氫不連續(xù)和用氫連續(xù)性問題,它其實(shí)就是一個大的儲氫容器。那在這個基礎(chǔ)上我們還要構(gòu)建全國氫能骨干網(wǎng)絡(luò),我們構(gòu)建了大北方的、長三角的,還有珠三角的。當(dāng)然對于川渝地區(qū)我們也有一定的規(guī)劃。這只是一個示意圖,其實(shí)我們詳細(xì)的都已經(jīng)完成了。感謝大家,謝謝。