天然气管道改造输氢的流动力学与基础设施经济性权衡研究

为解决氢能运输中现有天然气管道适应性难题，研究人员开展氢/甲烷流态对比及经济性分析，发现氢运输需提升入口压力3.5倍且运营成本增加35%，提出改造需平衡短期成本优势与长期专用管线效益，为氢能基建提供量化决策依据。

　　

在全球能源转型浪潮中，氢能因其燃烧零碳排放和高能量质量比成为焦点，但运输瓶颈制约其大规模应用。现有天然气管道网络覆盖广泛，改造为输氢管道可大幅降低成本，但氢气的低密度（仅为甲烷的1/8）和高扩散性导致显著技术挑战：分子易引发钢质管道氢脆失效，且维持等效能量输送需更高压缩能耗。美国能源部支持下的洛斯阿拉莫斯国家实验室团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表研究，首次整合流动力学模型与全生命周期经济分析，揭示改造管道的隐性成本与技术边界。

研究采用三阶段方法：基于流体力学方程建立压力损失模型，量化不同管径/流速下氢/甲烷的压降差异；构建能量当量转换框架，计算达到甲烷35.8 MJ/m³
能量输出所需的氢压缩条件；设置三种情景（管道改造、压缩提效、新建专用管线）进行成本效益分析。关键数据来自美国中西部300英里（约483公里）典型输气管道参数。

压力损失与能量输出
模拟显示氢在相同流速下压降达甲烷3.5倍，300英里管道末端压差超120 psi（甲烷仅40 psi）。为匹配甲烷能量输出，氢需维持800 psi入口压力（甲烷仅需300 psi），导致压缩能耗激增。

经济性对比
改造现有管道虽节省75-90%新建成本，但运营成本因压缩需求增加35%。专用氢管道全周期成本比改造方案低18%，尤其适合长距离运输。聚乙烯(PE)管道在低压场景可规避氢脆，但高压适用性待验证。

材料与安全
环氧涂层可缓解钢质管道氢脆，但需配合新型泄漏监测系统。研究特别指出，现有管道阀门密封材料在氢环境中寿命缩短40%。

结论强调：短期可优先改造区域性中低压管网，而主干网络需新建专用管线；政策应推动氢兼容材料认证标准。该研究为全球氢能基建规划提供首个量化决策矩阵，中国"西氢东送"等工程可借鉴其方法学框架。