我国管道输氢发展SWOT分析

氢能作为优质的清洁能源,被看作传统化石能源的替代品,其大规模发展应用已成为石化行业转型升级的新趋势,而管道输氢作为实现氢能大规模、长距离运输的终极模式,是否可以广泛建设应用成为大家较为关注的问题。立足于氢能产业发展需求,对我国管道输氢发展进行SWOT分析,通过分析发现管道输氢发展优势与劣势并存,机遇与威胁同在。最后,根据分析结果提出管道输氢的改进对策建议及今后发展目标,为实现管道长距离大规模输氢提供一定理论基础。

输氢管道完整性管理技术研究进展

管道输氢被认为是当前效率最高、经济性最好的大规模输氢方式。围绕输氢管道管材的相容性、氢气的泄漏与监测、完整性管理方法与相关规范缺失等关键问题,对目前相关研究进行了归纳与总结。结果表明:典型管道钢材在高压临氢环境下产生氢致失效的机理尚未明悉,需探明临氢环境下不同等级钢材力学性能的劣化规律,并分析钢材氢脆敏感性的影响因素;输氢管道更易发生泄漏,应重点明确输氢管道及相关设备产生泄漏的具体原因,完善氢气泄漏监测技术;目前输氢管道完整性管理方法缺失,需重点考虑氢气对输氢管道完整性管理中风险评价和完整性评价的影响,完善输氢管道完整性管理方法;结合现有输氢管道规范的相关内容,为输氢管道完整性管理提供支撑,推进输氢管道完整性管理标准与规范的制定。相关结论可以为输氢管道完整性管理技术的发展提供参考。

国内外输氢管道相关标准及技术要求分析

为了更好地了解国内外输氢管道标准制定和应用情况,对ASME B31.12—2019 《氢气管道和管线》、CGA G-5.6—2005 (R2013)《氢气管道系统》以及GB/T 34542 《氢气储存输送系统》、GB/T 9711 《石油天然气工业管线输送系统用钢管》和T/CSPSTC 103—2022 《氢气管道工程设计规范》等标准分别从标准内容、适用范围、管材设计与选用、检测评价以及试验方法等方面进行了分析对比,以期为我国输氢管材研究、输氢管道标准制定以及管道建设提供参考。

埋地输氢管道泄漏扩散规律研究

为探究埋地输氢管道的氢气泄漏扩散规律,建立以埋地输氢管道为对象的流体域模型,讨论工作压力、泄漏孔径、土壤类型对氢气泄漏扩散的影响。结果表明,当管道发生泄漏后,气体扩散速度和泄漏量与管道工作压力、泄漏孔径呈正比关系,同时在不同的监测位置,氢气浓度具有不同的变化规律;氢气在低黏度的土壤中泄漏时有着较大的扩散速度,管道在砂土中的泄漏量是黏土中的40倍;因此当管道处于低黏度土壤、高压力的工况时具有较高的危险系数。为对不同工况下地面氢气浓度达到氢气爆炸下限的时间进行预测,以数值模拟结果为训练样本建立GABP神经网络模型,结果显示该模型平均误差仅为3.3%,性能远优于传统BP模型,能合理地对该问题进行预测。

基于超声导波模式转换的输氢管道泄漏评估

氢能作为一种绿色高效的二次能源,其安全运输受到广泛关注。氢脆及其引起的泄漏作为影响管道安全的主要因素,亟需有效的无损检测技术。管状结构中超声导波具有低衰减和远距离传播等优点,相较于超声体波的逐点式扫描,可以大范围地检出输氢管道内部的缺陷或损伤。本研究利用超声导波的模式转换,采用数值仿真、吸收边界构建以及二维傅里叶变换等方法,确定方孔的尺寸进而判断泄漏的程度。研究表明,方孔的存在造成T(0,1)模式的模式转换,F(n,1)模式和F(n,2)模式逐渐形成,方孔宽度的增加导致F(n,1)模式的增多、低阶F(n,2)模式的消失和高阶F(n,2)模式的出现。这为基于超声导波模式转换的输氢管道泄漏评估奠定了理论基础。

氢气输送管道研究进展

简要介绍了氢能源的发展方向和国内外输氢管道的研究进展。总结了国内外现有的以及正在规划的纯氢输送管道和天然气掺氢输送管道建设情况。阐述了氢进入管道材料内部的过程以及氢进入材料后对管道带来的氢脆问题,并从输送介质、温度、应力、材料和表面处理等几个方面分析氢脆的影响因素,从材料强度的设计、管材的制造、焊接接头的制造和试验评价等方面针对输氢管道建设提出了针对性建议。

未来柔性输氢管道的应用展望

文章调研了国内外输氢管道的建设现状,介绍了基于连续纤维增强热塑性复合材料的柔性输氢管道的制作工艺,阐述了界面强制组装法、多层挤出工艺技术和“钉锚作用”机理的应用。并通过对比其他输氢管道的性能,概述了柔性输氢管道的特性,对柔性输氢管道的发展及应用提出部分展望与建议。

国内外纯氢及掺氢输送管材研究进展

氢能作为一种二次清洁性能源,同时作为一种零碳能源,具有清洁、安全、高效及可持续的特点,已成为未来能源产业发展方向之一。管道输氢是最安全高效的运输方式,已成为全球氢气远距离输送的首选。阐述了国内外纯氢/掺氢输送管道工程基本情况,归纳了氢损伤概念及氢损伤产生的机理以及氢损伤的影响因素,包括管线钢的化学成分及非金属夹杂等级、微观组织、强度,以及掺氢比例、温度及应变速率等,对国内外氢气输送管道用标准进行了分析,提出了输氢管材的设计及要求。针对纯氢/掺氢管道仍未进行大规模推广应用的现状及下一步需研究的方向进行了展望。

输氢管道工程设计要点

为加快我国氢气输送管道建设,确保管道安全运行,对氢气与常规天然气的特性进行了对比,分析国外相关标准要求,指出氢气管道工程设计的关键问题,详细论述了在管线工程设计时需要重点考虑的因素,如管材选用、断裂控制、结构设计、地区等级划分及设计系数选用、高后果区识别以及阀室间距等,并提出设计建议,为氢气管道工程设计提供参考。

内压载荷下输氢复合柔性管力学性能研究

中国氢能产业正随着碳中和愿景的不断推进而快速发展,由于氢气在钢管中容易引发“氢脆”现象,使用钢管输送氢气存在较大挑战,纤维增强复合柔性管作为一种非金属管道在氢气输送领域备受关注,其结构设计及强度分析是产业化应用的瓶颈。为探讨内压工况下输氢复合柔性管的结构响应,考虑不同层材料的各向同性及各向异性,基于三维各向异性弹性力学,建立了纤维增强输氢复合管道在内压作用下的力学理论模型,并采用数学方法求解管道位移微分方程,进而获得了N层缠绕增强层输氢复合管道在内压作用下的应力应变解析解,计算结果与内压作用下13层输氢复合柔性管的数值计算结果相符。管道的环向应力最大值出现在防渗透层,输氢软管的增强层承担约70%的载荷作用,径向应力绝对值大小随距离管道截面中心点的距离增大而减小。提出的力学行为分析模型及求解方法为设计输氢复合柔性管提供了重要的理论支撑。

含氢输送管道材料技术发展分析

随着氢能的广泛应用,输氢管道也成为了至关重要的一环。由于氢渗透造成材料的氢腐蚀,使输氢管道材料成为制约。主要介绍了3种国内外含氢输送管道研发方向:一是关于通过冶金和热处理来净化钢材、改变组织成分开发的纯净钢;二是通过在材料表面制备涂镀的阻氢层阻碍氢原子渗入基体;三是通过气体抑制剂来抑制氢原子在管线表面的吸附,可有效减少氢渗透。最后,对这3种技术提出了发展展望。

输氢海底管道选材探讨

针对国内首条输氢海底管道进行选材探讨,基于对常见的氢致失效形式及机理的分析,参考国内外输氢管道相关的标准规范,并考虑海底管道安装的特殊性,推荐输氢海底管道选用API SPEC 5L X42和X52无缝钢管(PSL2等级优先),采用淬火+回火的热处理工艺。同时,对一些氢脆影响因素进行控制,如合金元素含量、碳当量、管材硬度和非金属夹杂物含量等。可以采用慢应变速率试验、断裂韧性试验、裂纹扩展速率试验、疲劳寿命试验和圆盘压力试验等,对管道材料进行力学性能评价,判断材料在氢环境中的氢脆敏感性,为实际工程应用提供支持。

面向碳中和情景的中国跨区域电氢协同优化配置研究

为实现碳中和目标,构建高比例清洁能源电力系统势在必行。绿氢可为难以直接用电的终端用能领域提供零碳解决方案,成为可再生能源和部分终端用能之间的纽带,实现间接电能替代。如何在高比例清洁能源系统中对电能与氢能进行优化配置,是未来电力、绿氢发展中需要面对的重要问题。通过构建的电氢协同系统模型(GTSEP),量化评估电氢耦合的系统性价值,分析输电、输氢之间的关系,以全系统综合用能成本最低为目标,实现全国范围内大规模、跨区域电力与氢能生产、储存和运输的协调优化。将全国划分为七个区域,预计2060年绿氢需求量为7500×10^(4)t,全社会用电量需求将达到17×10^(12)kW·h,根据满足绿氢需求的不同方式,共设置4种模式进行对比分析。结果表明,采用电氢协同模式,各区域内利用可再生能源发电就地制氢并利用的总量为4000×10^(4)t,跨区输氢总量3500×10^(4)t,约占总需求的46%左右,其中直接管道输氢780×10^(4)t,输电代输氢1.1×10^(12)k W·h,绿氢平准化成本为9.32元/kg。电氢协同的零碳能源系统可以充分发挥氢易于大规模存储的优点和电能易于传输的特点。

埋地输氢管道泄漏爆炸事故后果模拟分析

为了输氢管道的安全建设与运营,基于计算流体力学FLACS软件,模拟了埋地输氢管道在半受限空间内的泄漏爆炸事故后果,探讨了泄漏孔径、泄漏时长、输氢压力和环境风速对爆炸事故后果的影响规律,并得出相应的危险区域。结果表明:泄漏孔径、输氢压力和最大爆炸超压均与危险区域呈正相关关系,泄漏时长对事故后果几乎无影响;随着输氢压力的增大,危险区域受建筑物和风速的影响更为明显,在建筑物附近形成了狭长的危险区域带;最大爆炸超压和危险区域随环境风速的增大均呈现出先增大后减小的趋势。

埋地输氢管道在走滑断层作用下的失效分析

利用X80材料在高压氢环境下的慢应变速率拉伸试验数据,建立输氢管道的非线性材料模型,同时考虑土体材料非线性、管道几何变形非线性以及管土接触非线性等特征,利用ABAQUS模拟研究了埋地X80输氢管道在走滑断层下的力学响应,给出了管道的许用压缩应变值,讨论了断层位移量、输氢压力、断层角等参数对管道失效模式的影响,结果表明:输氢压力对管道的整体应变水平影响较小,管道应变主要由管土相对位移引起,内压引起的薄膜应变可忽略;断层角对管道失效模式具有显著的影响,当断层角小于75°时,管道易发生屈曲失效,当断层角大于75°时,管道易发生拉裂失效。

氢气输送方式及输送成本浅析

当前氢能产业已经进入快速发展阶段,氢气作为清洁燃料在核能发电、机械制造、汽车等领域均得到广泛的应用,近年来我国氢能源汽车发展如火如荼,随着氢能应用市场的不断扩大,运氢成本成为制约产业规模化发展的重要因素。当前氢气输送的主要方式根据氢气的状态不同分为气态长管拖车运输、液态槽车运输、气态管道运输三种形式。本论文以输送高纯度汽车燃料电池用氢、输送运距90km,运行年限20年、折现率8%,分别测算氢气长管拖车、液态槽车、气态管道的输送成本及费用现值。从而得出,运距90km时氢气管道运费优势明显高于长管拖车运输,并且管道输送优势会随着氢气用量及运距的增加而更加明显。管道输送是实现低碳清洁氢能大规模、长距离输运的重要方式。

以深远海风电为核心的能源岛能源外送经济性分析

深远海风电具有资源丰富、利用小时数高、不占用陆上土地等优势,对于推动实现碳达峰碳中和具有重要意义。以深远海风电为核心的海上能源岛,通过“海上风电+”的融合发展模式,能够提高海域综合利用率,提升整体效益,降低开发成本。建设以深远海风电为核心的能源岛,涉及漂浮式海上风电等能源开发技术、电制氢(氨)等能源综合利用技术、柔性直流输电和管道输氢等能源外送技术。介绍以深远海风电为核心的能源岛总体构成,比较分析适用于深远海风电为核心的能源岛大规模能源外送的输电技术,分别测算了汇集1 000 MW漂浮式海上风电的能源岛通过柔性直流送电的成本、电制氢后通过管道输氢的成本,并将输电成本与输氢成本进行了比较。通过比较分析,以深远海风电为核心的海上能源岛适宜选择柔性直流输电技术或者管道输氢作为能源外送方案。测算结果表明,在2023年、2030年和2050年,输送距离为100~200km时柔性直流输电方案的经济性均要优于输氢方案;输电方案与输氢方案的选择需综合考虑成本和登陆地区的消纳能力;预计在2050年,离岸100~200 km不同比例的电氢混合外送综合成本在0.18~0.27元/(kW·h)之间,与西部北部风光新能源基地、西南水风光基地外送东部的成本相比具有竞争力。

海上风电制氢与电能直接外送差异综述

为实现“双碳”目标,国家正大力发展风电等清洁能源,大规模海上风能开发是未来风电发展的重要方向。然而,电能输送与大容量海上风电并网成为制约海上风电快速发展的主要瓶颈问题。提出了一种利用氢能代替风电进行远海能量输送的策略,通过电解制氢技术将电能就地转化为氢能,建设输氢管道将氢气输送至陆地。介绍了传统输电方式与输氢方式的技术路线及应用现状;对比了输电方式与输氢方式在经济性与技术性方面的差异,相对于海上输电,管道输氢极大地降低了施工难度和建设成本;分析了海上风电进行电解制氢的3种应用前景,助力“双碳”目标早日实现。

中国氢能承压设备风险分析和对策的几点思考

氢能是构建以清洁能源为主的多元能源供应体系的重要载体,正进入快速发展期。中国氢能承压设备种类、数量快速增长,呈现出极端化、轻量化的发展趋势,其安全保障面临新的挑战。在介绍中国氢能承压设备发展现状的基础上,全面分析了面临的法规风险、技术风险和管理风险,并对风险防控提出了若干建议。

国内外氢能发展概况

在21世纪新能源中,清洁而高效的氢可能扮演重要的角色,其它各种能源都可以转化为比较容易储存的氢。我国氢源丰富,技术研发在国际上处于领先水平,应加快燃料电池汽车的市场化步伐,积极培育以储氢罐、加氢站、输氢管道等为标志的氢经济或氢产业。