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鐵嶺應用分享︱高壓長途和低壓短途輸氫管網中塑料管道應用前景的探索

發布時間: 2022-04-19    作者:admin
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高壓長途和低壓短途輸氫管網中塑料管道應用前景的探索

張玉川 2022.3


      本文介紹輸氫管網中塑料管道可能使用的可能性和可行性,從目前國外探索的方向和實際應用案例來展望塑料管道未來在這個領域的前景和可預期塑料管道發展空間,供大家參考。顯然帶金屬阻隔層的RTP將是一個值得探索的方向,而目前相對比較成熟的HDPE燃氣管道則將迎來新的市場,當然還需要做大量測試和驗證試驗。



高壓長途輸氫管道配置的探索

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氫能管道輸送的基本情況:

      氫能利用中一個難題是氫的儲存和輸送,雖然管道運輸前期投資高,但只有管道才能實現長距離,大規模,穩定,低成本,安全和環保地大量輸氫。

      氫的管道輸送和天然氣管道輸送有類似之處,但是有更多更高的要求。在有些場合可以利用已有的天然氣管網輸氫,有些場合則必須采用要求更高的新建輸氫管網。因此,氫的管道輸送是發展綠氫實現轉向可再生能源中的重要課題。

氫的管道輸送網分兩部分:從氫的生產地經過高壓管道長途輸送到消費地區,用于發電或工業生產;在消費地區經過低壓管道網分散輸送到.終用戶,用于采暖,烹飪等消費。

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國內外高壓長途輸氫管道概況:

國外:

      氫氣的長距離管道輸送已有60余年的歷史。.早的長距離氫氣輸送管道1938年在德國魯爾建成,其總長達208公里, 輸氫管直徑在0.15~0.30m之間, 額定的輸氫壓力約為2.5MPa, 連接18個生產廠和用戶, 從未發生任何事故。世界.長的輸氫管道建在法國和比利時之間,長約400公里。

     根據中國氫能聯盟發布的《中國氫能源及燃料電池產業白皮書》顯示,美國已建成2500公里的輸氫管道,歐洲已有1569公里的輸氫管道,全球范圍內輸氫管道的數量約4500公里。國外目前使用的輸氫管線一般為鋼管, 運行壓力為1~2MPa, 直徑0.25~0.30m。

國內:

目前僅有100公里輸氫管道。

      2014年,中國石化巴陵石化公司42公里氫氣管道成功投產;該管線是巴陵石化“氫氣提純及管線輸送”項目的一部分,途經湖南岳陽市兩區、4鄉鎮15個村,穿越京廣等鐵路線4處,高速公路及省道9處,河流3條,定向鉆穿越8處,主要將煤化工部煤氣化(煤制氣)裝置甲烷化后含氫量85.84%體積的原料氣提純至99.5%體積的氫氣,由管道利用原料壓力送至巴陵石化云溪片區以及長嶺煉化,為相關裝置提供氫氣資源。

      2015年,由中國石化洛陽市分公司投資、中國石油管道局承建的濟源化工園區至洛陽吉利區氫氣管道輸送工程竣工,全長25公里。伊維經濟研究院根據國內“濟源-洛陽”項目測算,采用φ508mm管道,年輸送能力10.04萬噸,建設成本為616萬/km,管道使用壽命20年。運行期間維護成本及管理費用按建設成本的8%計算。

      2021年在建:中石油天然氣管道工程有限公司中標河北定州至高碑店氫氣長輸管道可行性研究項目。管道總長約145公里。這是中國計劃建設的.長的氫氣管道,直徑508mm,設計輸氫能力10萬噸/年。

        有消息說法國Air Liquide已在中國的上海、天津、遼陽鋪設了輸氫管道。沒有查到確切資料。

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高壓長途輸氫管道的難點

氫脆的危險:在天然氣輸送中普遍使用的碳鋼管不可輸送氫。由于氫分子能夠進入普碳鋼的晶格中形成脆性破壞并產生大量微小裂紋,.終將導致管道完全失去承載能力,據說目前國外鋪設的輸送氫氣管道在長距離高壓部分采用被稱為“蒙耐爾合金”的鎳合金鋼。所以美國氫氣管道的造價為31~94萬美元/公里, 而天然氣管道的造價僅為12.5~50萬美元/公里, 氫氣管道的造價是天然氣管道造價的2倍多。

氫氣的比重小:每立方米氫的重量僅90克,因此需要高壓縮輸送。

易滲透:氫氣比天然氣更易滲透,易燃和易爆(爆炸極限為體積濃度4.0%至75.6%,遠高于甲烷等天然氣)。 

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高壓長途輸氫管道用增強熱塑性塑料管的可行性

      在全球石油和天然氣近代的蓬勃發展中,高壓長途管道輸送中一個重大的技術突破是增強熱塑性塑料管的不斷開發和擴展應用,特別是在環境特別惡劣的場合顯示出獨特的優越性。可以制造成高抗內外壓又柔韌抗腐蝕,可彎曲盤的連續長管。在陸地上使用習稱增強熱塑性塑料管RTP(REINFORCED THERMOPLASTIC PIPE),在海洋中使用習稱TCP

      這類增強熱塑性塑料管應用于輸氫還沒有公認的國際標準。近來NOV正在許多..的..的大企業參與下起草輸氫用增強熱塑性塑料管的技術規程。

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用增強熱塑性塑料管高壓長途輸氫

管道的成功案例

.早見到的成功案例是PipeLife派萊福公司鋪設的從荷蘭北海風電基地到格羅寧根Groningen海港工業區的高壓長途輸氫管道。管道工作壓力42巴,長度4公里,采用的是專為輸氫開發的增強熱塑性塑料管SoluForce H2T。

      PipeLife屬于Wienerberger集團,是國際..的塑料管企業集團,總部在維也納。PipeLife是引領增強熱塑性塑料管RTP的先驅者,SoluForce是PipeLife RTP的品牌,在石油和天然氣領域擁有良好的記錄,自2000年以來,在世界各地安裝了超過3.500 km。
      為高壓長途輸送氫氣開發的SoluForce H2T已經通過歐洲權威的燃氣安全認證機構KIWA GASTEC 的認證。SoluForce H2T是芳綸纖維增強的 HDPE管,復合有防止滲透的粘結鋁層,.高工作溫度60C°, 設計壽命50年,產品以連續盤卷供應(每卷400米)。 據介紹完成在2019年,優點是比鋼管費用明顯降低(Significant cost reductions compared to (steel) alternatives)。柔韌容易鋪設(Fully flexible and easy to install)。SoluForce H2T有介紹產品的說明書(soluforce-hydrogen-tight-h2t-brochure),但PipeLife沒有提供指導設計的技術資料。

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一個案例的經濟評估

      從一份沒有公開的國外報告中見到對一個陸地輸氫管道工程的經濟評估,可供參考:

      一個從荷蘭某陸上氫氣電解站輸送氫氣到當地工業集群的管道:150MW(兆瓦)氫氣電解站,每小時生產31,000Nm3氫氣,距離15公里,  環境溫度10℃ 來自電解站的輸出壓力30-40bar, 工作壓力為40巴。  

對比同直徑6英寸的RTP和鋼管



比較:RTP可以比鋼節省20%,RTP材料的成本要高出2-3倍,鋪設的成本要低2-3倍。

該報告分析了RTP費用低的原因:大大降低了管道鋪設和焊接的費用;施工時間較短,較少人工-時;不需要焊接區域重新涂層;RTP卷軸位于溝槽的末端 比較平行于管溝的鋼管段,需要空間較小;排水費用較低。全壽命的完整比較RTP的成本仍然較低。

結論:對于多兆瓦規模的陸上氫項目,RTP是一種替代鋼管的節約成本的潛在方案。

對此工程做以下計算供參考:150MW(兆瓦)電解站,150000000w 每小時150000KW千瓦時(度電);按2.5度電能產生1m3氫氣計算,每小時就可以得到6×104 m3氫氣。1m3氫氣的熱值是2956大卡,標煤的熱值是7000大卡,大約2.4m3氫氣的熱值相當于1千克標煤的熱值,每小時60000m3氫氣的熱值相當于25000千克標煤(25噸煤)每天24小時熱值相當于600噸,每年熱值相當于21.9萬噸煤。(希望找到更多實用高壓長途管道的案例供分析和借鑒。)


低壓短途氫氣輸配管道的探索

               

      氫氣通過高壓管道長途輸送到應用地區后需要通過低壓輸配管道分散輸送到.終用戶

      因為全世界很多國家和地區已經廣泛應用天然氣,建立了從天然氣生產地經過高壓管道長途輸送到消費地的干線管道和在消費地區經過低壓管道分散輸送到.終用戶的輸配管網(包括金屬管和塑料管)。設法利用這些天然氣管道網輸配氫氣成為全球熱門的研發課題。不少國家很早就開展利用現有天然氣管道網輸氫的可行性研究,并取得可喜的成果。

      結論是很多國家現在應用的天然氣輸配管網經過適當修改可以應用于氫氣的輸配。國際塑料管道業從十多年前開始試驗用PE80和PE100管輸氫從近年國際塑料管會議上的報告中可以見到歐洲的不斷探索。

      在2010年第15屆國際塑料管會議上Borealis AB公司和丹麥天然氣研究中心Dansk Gastekniskt Center A/S首先發表用PE管道輸送氫氣的研究報告,題目是“用聚乙烯天然氣管輸送氫”[1],報告說:目前世界上廣泛用PE管道輸送天然氣,考慮到未來可能要用氫來的替代,丹麥天然氣研究中心在Stenungsund borealis ab的支持下在多年前就在在丹麥的一個小規模試點網路中試驗輸送純氫氣。對幾種不同生產年份的數種PE80和PE100管以及已經輸送過天然氣的管道進行了力學性能和化學性質的廣泛研究。結論是沒有證據表明PE管的力學性能因接觸氫氣而發生任何反應或退化。根據這項調查,使用PE傳輸氫氣是可行的。

      在2018年第15屆國際塑料管會議上挪威Kiwa Technology的R.J.M. Hermkens 和挪威Groningen Seapor的H.Colmer發表了題目是“現代PE管使氫氣的運輸成為可能”的報告。[2] 報告介紹為了全面驗證PE管輸送氫氣的長期安全性和適用性,在荷蘭北部的格羅寧根Groningen海港鋪設了一條用于公共汽車燃料的輸氫管道(從生產氫氣的化工廠到加氣站)。在建設前就全面的研究了保證PE管輸氫長期安全的各方面,包括建造中的材料選擇,鋪設方式,運行中的維護等。在運行后監測了所選PE100-RC材料的滲透速率,氫氣中長期暴露后的熔接性等。

      該報告中介紹了進行的多種測試:如測定材料暴露在氫的化學侵蝕后機械力學性能的變化;在專門設計的滲透試驗裝置中測定滲透系數;還測試了PE管在長時間接觸氫氣后對熔接性能的影響(保證應用后維修的可行性)。報告.后的結論是:“暴露于空氣中的管材與暴露在氫氣中的管材之間沒有顯著差異。從材料完整性的角度來看,沒有發現任何負面影響。由于氫分子很小,氫的滲透預計將超過甲烷。我們的..認為危險性是可以比較的,由于滲透系數中差異有限,以及氫在空氣中的物理行為與甲烷比的差異有限。在格羅寧根Groningen港建筑內經檢驗的PE100-RC管道適用于壓力到2 bar的氫氣輸送。更廣泛地說,可以得出結論PE管允許以安全可靠的方式運輸和分配氫。”

      2021年第15屆國際塑料管會議上有三篇報告介紹國際上探索用氫替代天然氣中應用塑料管的科研成果和經驗。

包括:聯合王國Radius Systems Limited報告“氫燃料氣體用聚乙烯管道的一個論證方法”AN EVIDENTIAL APPROACH TO USE OF POLYETHYLENE PIPE FOR HYDROGEN FUEL GASES。

芬蘭Borealis Polymers報告“天然氣輸配用聚合物管道中輸送氫氣--十年經驗” HYDROGEN TRANSPORT IN POLYMER PIPES FOR NATURAL GAS  DISTRIBUTION – TEN YEARS OF EXPERIENCE

      荷蘭Kiwa Technology (國際..測試、檢查和認證公司) 將發表 報告——“測試用于高壓輸氫的可盤卷增強柔性管道和襯里材料”TESTING SPOOLABLE REINFORCED FLEXIBLE PIPES AND LINER MATERIAL FOR HIGH PRESSURE HYDROGEN TRANSPORT

     ; 國際燃氣產業,多國政府也在積極探索利用天然氣管網輸氫的可行性,英國大部分建筑用天然氣取暖,2010年,英國家庭通過直接燃燒天然氣排放85百萬噸二氧化碳(MtCO2)。英國政府在2012年提出要評估氫轉化脫碳的可行性,安排了使用天然氣網絡運輸氫氣的可行性研究。2013年就出版了“轉換UK燃氣氣系統到輸送氫Conversion of the UK gas system to transport hydrogen”的報告[3]。這份14頁的報告很嚴謹,征求了工業界、學術界和政府的14名..的意見。

      國際天然氣聯盟International Gas Union在2017年舉行的聯盟研究會議上發表了“IGRC2017 天然氣輸配用聚合物管道中輸送氫氣USING THE NATURAL GAS NETWORK FOR TRANSPORTING HYDROGEN– TEN YEARS OF EXPERIENCE”[4].報告的結論是“4年(PE80)和10年(PE100)的連續氫暴露以及隨后基于國際標準的實驗室測試表明,氫對PE80或PE100天然氣管道的耐久性沒有影響。”

       國際上也試驗研究了在天然氣管道中混入氫氣的可行性。美國的NREL可再生能源研究所National Renewable Energy Laboratory 在2013年就發表了“向天然氣管網混合氫氣:關鍵問題綜述Blending Hydrogen into Natural Gas Pipeline Networks: A Review of Key Issues”[5]。這份73頁的報告詳細分析了在美國龐大的天然氣管中混合氫氫的可行性。


      雖還沒有見到我國開發低壓氫氣輸配管道的信息,我國近年已經在不少地區建設了天然氣輸配管網。面對我國天然氣大量依靠進口和國產綠氫的發展,迫切需要探索改造現有天然氣輸配管網為綠氫輸配管網的大調整。我國塑料管業在我國發展天然氣輸配管網中做出了重大貢獻,產能和技術都具備轉向發展綠氫輸配管網的基礎。聽說我國生產輸天然氣塑料管道的..企業已經在關注開發綠氫輸配管,但還沒有見到公開的報道。也沒有見到應用天然氣輸配管道的主管部門和相關企業探索改輸綠氫的確切信息。 轉向為綠氫輸配管網服務需要認真和深入地調查研究,逐步和嚴謹地試驗和推廣。一方面要注意借鑒國際的經驗和教訓。另一方面要提倡國內的交流和合作。建議我國塑料管業要抓住機遇,開發綠氫輸配用塑料管,主動迎接這場變革。 


參考資料

[1] “用聚乙烯天然氣管輸送氫TRANSPORT OF HYDROGEN WITH POLYETHYLENE NATURAL GAS PIPES”2010年15屆國際塑料管會議論文PPC-15-8A-5; 

[2] “現代PE管使氫氣的運輸成為可能MODERN PE PIPE ENABLES THE TRANSPORT OF HYDROGEN”2018年19屆國際塑料管會議 PPC 19-3B-207

[3] “轉換UK燃氣氣系統到輸送氫Conversion of the UK gas system to transport hydrogen”

[4] “用天然氣管網輸氫氣-十年經驗USING THE NATURAL GAS NETWORK FOR TRANSPORTING HYDROGEN– TEN YEARS OF EXPERIENCE””國際天然氣聯盟International Gas Union IGRC2017

[5] “向天然氣管網混合氫氣:關鍵問題綜述Blending Hydrogen into Natural Gas Pipeline Networks: A Review of Key Issues” 美國的NREL可再生能源研究所報告

 

(編輯:吳 念)

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