长距离氢气管道运输的技术经济分析

长距离氢气管道运输的技术经济分析

郭鹏勇、王佳

桂林市中科石油化工工程有限公司   桂林市  541004

摘要：在氢气运输的过程中，管道发挥着重要的作用。管道是实现氢气大规模、长距离输运的重要经济方式。从氢能基础设施规划、材料与设备、运行安全保障和标准体系建设4个方面，对国内外氢气长距离管输技术进行调研分析与总结，并针对我国氢能产业发展实际，梳理出供氢网络布局、管道材料、管输工艺与安全、标准体系等方面的技术方向。本文首先分析储氢载体选择，其次探讨氢气自动化管道运输设计方案，最后就长距离氢气管道运输的技术经济分析，以供参考。

关键词：氢气管道；技术经济模型；技术设计；成本分析

引言

为助力构建清洁低碳、安全高效的能源体系，氢能已成为加快能源转型升级的重要战略选择。全球主要发达国家高度重视氢能产业发展，我国作为世界上最大的制氢国，也具有发展氢能产业的良好基础。氢气管道运输是大规模连续输氢的合理选择，其技术可行性和经济效益已在欧洲国家的应用中得到验证。

1储氢载体选择

在液态有机物储氢系统中，储氢载体是由液态储氢剂经过催化加氢反应后形成的，因此，有机物储氢载体的选择尤为关键。储氢载体的性能指标包括：①载体的质量储氢能力和体积储氢能力；②热力学性能包括熔点、沸点、闪点、燃点、加氢脱氢时催化温度；③载体在脱氢时的释氢纯度、脱氢难易程度及化学结构的稳定性；④液态有机物本身的成本及整个反应所花费的总成本；⑤储氢溶剂的循环使用次数；⑥对人体健康和环境的影响。一般来说，性能优良的储氢载体不仅需要具有高沸点（大于300℃）、高储氢密度（国际能源署规定标准为质量储氢率大于5%、单位体积储氢量大于40kg/m3）、低放氢温度（约200℃）等技术参数优势，还需具备低成本、低毒性及与当前燃料基础设施高兼容性等商业优势。目前国内外研究较多的有机储氢载体有环己烷、甲基环己烷（MCH）、四氢化萘、二苄基甲苯、十二氢-N-乙基咔唑（12H-NEC）及二甲基吲哚等。其中，甲苯、MCH、萘是最早使用的储氢载体。日本千代田公司的“SPERAHydrogenTM”技术使用甲苯作为储氢载体，以Pt基材料作为脱氢催化剂，建设了全球氢供应链示范工厂。MCH在常温常压下质量储氢体积大、气液转化能耗低，在价格上比甲苯低，且毒性也比其他液态有机物小。考虑到对人体的安全性，无毒的二苄基甲苯可作为替代方案。二苄基甲苯常用于工业导热油，常温常压下呈液态，燃点和闪点高，适合作为液态储氢载体。使用二苄基甲苯的异构体作为有机液体储氢材料，实现了H2的大容量储运。萘或四氢萘的饱和加氢产物十氢萘用途广泛，可用作溶剂、润滑剂或涂料等，尤其在作为储氢材料方面，具有很好的发展前景。相同条件下四氢萘的产氢速度快于十氢萘，但十氢萘的储氢能力更强。在过热液膜状态和贵金属催化剂存在时，十氢萘的储氢能力超过美国能源部提出的有效质量供氢量的标准要求，其优越的供氢性能可为氢燃料汽车提供动力来源。

2氢气自动化管道运输设计方案

站控系统的总体设计分为城市门店站控系统的设计以及调压站站控系统的设计，站控系统中除了调控设备以外，还包括通讯设备以及PLC设备等。对于站控系统而言，其可以对管道沿线所有站点的数据进行采集，也可以对所有站点的设备进行合理的操作，在对数据进行采集以后，可以通过使用通讯系统，将数据信息传输到调度中心中，调度中心的计算机系统可以对数据进行全面的整理以及分析，根据数据分析结果下达设备操作的指令，操作指令也将会通过通讯系统进行传输，在站控系统接收到操作指令以后，就可以对设备进行合理的控制以及调节。在整个站控系统中，监控工作站十分关键，其可以对场站内设备的运行情况进行全面的管理以及控制；对于调度室而言，其主要可以发挥系统监控的功能，如果调度室中的计算机系统运行出现故障问题，此时的PLC系统并不会受到影响，仍然会出现正常运行状态。管道沿线场站内的安保系统主要由两部分构成，分别是视频系统以及红外报警系统。对于城市门站而言，整个区域内会架设一定数量的摄像机，一般情况下，工艺区域摄像机的数量为两台，安全区域摄像机的数量为四台；对于调压站而言，工艺区域摄像机的数量为六台，安全区域摄像机的数量为五台。整个安防系统将会与网络系统连接，通过网络连接的方式，既可以接收调度中心的指令，又可以向调度中心传递相关数据信息，安防系统的使用可以充分发挥通讯系统的作用。

3长距离氢气管道运输的技术经济分析

3.1经济模型

氢气管道总成本主要分为初始建设成本、运行维护成本以及其它辅助成本。氢气管道项目初始建设成本主要由管道线路工程和沿线站场的资本成本决定。管道线路工程的资本成本一般分为4类，即管材、管道安装和保护、运维成本、其他成本。其中，管材费用包含直管段和弯管的管材及运费、管段防腐成本，主要取决于运输距离、压力、运输规模、管径与管材等因素；运行维护成本包括电费、设备、管道维护费等，其他成本包含水土保持工程、土地征用成本和赔偿费用等。站场工程的资本成本包含总图、建筑、结构、工艺设备、电力设备、仪表设备等成本。以下部分阐述了管道和沿线站场的资本和运维成本。

3.2加快完善氢气管输标准体系，加强标准实施与监督

氢气相比氢气具有质量轻、易泄漏、易燃易爆、易致材料损伤等特点，因而在管道材料、设计建造、运行工艺、安全管理等方面与氢气管道存在较大差别，而目前我国氢气长输管道相关规范严重滞后，亟需完善相关技术标准体系。

3.3通讯功能中的应用

在整个PLC系统中，最关键的组成部分为CPU，对于高等级的CPU而言，其最低的极值可以达到8M，进而使得热备冗余的功能可以得到充分发挥，另一方面，PLC系统中的通讯模块也十分关键，在Modbus协议下，通讯模块可以使用RS232-485串行接口，同时，还可以与PRO-DP总线接口配合使用，该种类型的通讯模块在应用的过程中，其信息的传输效果以及通讯能力都相对较强，可以连该种类型的模块作为信息传输过程中的重要媒介。在管道运行过程中，PLC可以充分发挥自身的系统监控功能，在管道运行出现风险问题以后，系统可以快速做出反应，对故障问题进行合理的处理，同时，还可以向调控中心传输风险问题的相关信息，系统与通讯接口之间可以产生直接的联系。

3.4加强企地交流

在日常管道运行中加强与地方政府和相关业务部门，如规划、发改、应急等部门的常态化交流，力争管道安全运行得到政府的大力支持，避免管道沿线地区等级发生改变、安全距离不足等影响管道安全的情况发生。如遇管道运行与地方经济发展发生冲突，可采取管道迁移、经过相关专业人士评估后采取有效的管道保护措施，力争做到管道运行和地方经济发展都不受到影响，并且为地方经济发展贡献力量。

结语

综上所述，自动化监控以及控制是未来氢气管道领域发展的重点，由于管道系统结构的复杂度在逐渐提升，因此，对于管道自动化运行的要求也在逐渐提升，新建氢气长输管道成本高、周期长，难以适应当前高速发展的氢能产业需求，不妨将氢气管道掺混氢气输送作为中短期内氢气长距离输送的有效途径。

参考文献

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