氢基能源管道运输的分类
相比于车船运输等常规运输方式,管网运输是实现氢基能源大规模、长距离输送最经济、最节能的方案。
(1)天然气管道掺氢运输
天然气管道掺氢运输是指将氢气以一定体积比例掺入天然气中形成掺氢天然气(HCNG),并通过现有天然气管道进行输送。相关研究利用华白数、燃烧势、AGA指数判定,加以爆炸极限计算、扩散性安全分析,结果表明掺混氢气的体积小于24%时,掺混气与天然气基准气具有互换性。虽然国际上与中国部分区域已开展了天然气掺氢的相关示范工作,但现有天然气管网的大规模掺氢仍面临诸多困难,需要逐步予以解决。
(2)纯氢管道运输
国内已建输氢管道目前普遍采用低钢级(20号钢、L245N)管道,中低压力(≤4MPa)运行,研究表明输送氢气压力越高,管线钢材的氢脆敏感性越大。近年,国外开始研制大口径的X60及以上钢级抗氢管道,目前管材已经研制成功,通过了实验室内压力和100%氢气条件下的测试。美国投运的输氢管道运行压力已达到10.3MPa,已经达到了目前我国天然气西气东输的骨干管道压力等级(10MPa~12MPa)。
我国已建氢气输送管道有金陵-扬子氢气管道、巴陵-长岭氢气提纯及输送管线、济源-洛阳氢气管道、玉门油田输氢管道等,管道里程约100公里,管道运行压力均在4MPa以下,管径从200mm~500mm不等。虽然我国在氢气管道的设计、施工、运行及维护方面积累了一定经验,但是相较国外先进水平仍有不小的差距。
目前设计压力在6.3MPa、管径D610mm的纯氢管道示范项目已处于工程建设阶段,输氢量级可达50万吨/年。设计压力6.3MPa、管径D813mm的纯氢管道处于前期设计阶段,具备应用条件后,输氢量级可达100万吨/年。未来随着抗氢脆管材、设备及技术的突破,国内纯氢管道设计压力将可能达到10MPa级,管径达到D1016mm以上,相应输氢量级达到200万吨/年以上。
目前国内外深远海风电开发经济性普遍不强,海上纯氢管道输送处于起步阶段。虽然已有少数海上纯氢管道服务于石油化工行业,但总体上国内外海上纯氢管道研究较少,相比于陆上纯氢管道,海上管道材质和施工均会造成一定成本增加,据估算,海上纯氢管道输送成本将比陆上纯氢管道高出一倍左右。
(3)液氨管道运输
氨通常以液体形式储存,非常适合用管道进行运输。液氨管道运输不易受天气和交通条件影响,效率较高。液氨管道运输工艺一般分为低温低压运输与常温中压运输,其中港口、合成氨厂与储罐区之间的短距离液氨管道及内部液氨流程工艺管道普遍采用低温低压输送工艺,港口与氨厂之间以及两者到下游客户的长距离液氨管道则普遍采用常温中压输送工艺,少数长距离氨管道也采用常温高压输送工艺。
国际上液氨管道输送在美国和俄罗斯有较大规模的应用。美国输氨管网始建于1960年,目前已建管道总里程约5000公里,其中最长的一条是由NustarEnergy经营的海湾中央管道系统,长度约3100公里,管道设计管径为150~250mm,收集支线连接了7座氨合成厂,分配支线连接了36座大型中转储库,操作压力为9.8MPa,运输能力达225万吨/年。俄罗斯液氨管道始建于1978年,总里程约2400公里,用于连接俄罗斯大型氨生产基地与乌克兰黑海港口敖德萨,实现氨的出口贸易,设计管径350mm,设计输送能力约250万吨/年。此外,德国、英国、西班牙、波兰等多个国家均建有中短距离液氨管道,这些管道长度多在10公里以下,主要用于港口、储罐及附近用户间的液氨输送。
中国液氨管道总里程较短,目前共建有4条液氨管道,总长度不超过200公里,总输量不足100万吨/年。1990年,我国条长距离液氨管道在秦皇岛建成并投产运行,该管道至今仍为国内最长液氨管道。整个管道系统包括82.5千米的主管线、三个供氨站、一个加压站、一个终端计量站及7个隔断阀室,设计输量10.5万吨/年,设计压力3.92MPa,运行压力2.45MPa,全线采用20号无缝钢管埋地敷设。
我国液氨管道输送起步晚、规模较小,管输工艺及安全技术有待突破,设计建设和运行管理标准相对空白。据石油化工相关企业展望,借鉴已成熟油气管网系统经验,我国长距离液氨输送管道有望实现压力6.3MPa,管径D356mm~D406mm,运输量级达到150万吨/年;随后进一步突破达到压力6.3兆帕,管径D457mm~D559mm,运输量级达到300万吨/年。
(4)甲醇管道运输
甲醇因同时可作为化工原料及能源载体而得到广泛应用,目前我国的甲醇输送方式主要是船运及汽运,运输能力不足及运输费用过高的问题已日益凸显,管道运输方式或可成为未来长距离输送甲醇的有效解决方案。
从国际来看,加拿大已有两个甲醇长输管道成功运营的案例,且均能保证甲醇长周期、安全稳定的输送,其中一个管道是由原油输送管道改造而来,管道全长1146公里,甲醇输送能力为4000吨/日;另一个管道是由原液化石油气输送管道改造而来,管道全长3000公里,甲醇输送能力为4000吨/日。
从国内来看,2021年5月10日,中煤鄂能化100万甲醇技改项目配套管线工程一次安全投产成功,管线工程线路全长约52公里,设计压力2.5MPa,管道规格为D355.6mm,填补了国内长距离管道输送甲醇的空白。
甲醇管道需要借鉴成熟油气管道的设计经验,当前尚未形成统一的甲醇管道运输标准规范。据石油化工相关企业展望,借鉴已成熟油气管网系统经验,我国长距离甲醇输送管道有望实现压力6.3MPa,管径D356mm~D406mm,运输量级达到150万吨/年;随后进一步突破达到压力6.3兆帕,管径D457mm~D559mm,运输量级达到300万吨/年。