加氫站氫氣運(yùn)輸方案比選

1、加氫站氫氣運(yùn)輸方案比選摘要：首先結(jié)合文獻(xiàn)定性介紹了現(xiàn)有氫氣運(yùn)輸方式，然后對氫氣通過長管拖車、槽車及管道運(yùn)輸?shù)倪\(yùn)輸成本、能源消耗及安全性進(jìn)行深入研究。運(yùn)輸成本通過建立加氫站氫氣運(yùn)輸成本模型進(jìn)行分析，結(jié)果表明上海大規(guī)模氫氣運(yùn)輸?shù)拈L管拖車運(yùn)輸成本為2.3元kg，液氫運(yùn)輸成本為0.4元加，管道運(yùn)輸成本為6元加氫氣液化能耗占自身低熱值30%以上，約為壓縮能耗的3倍左右，但氣態(tài)氫氣運(yùn)輸能耗高于液氫運(yùn)輸能耗。運(yùn)輸中即使存在如高壓、液氫蒸發(fā)以及氫脆等安全風(fēng)險,但都可通過設(shè)計(jì)、規(guī)范等措施避免。根據(jù)分析結(jié)果,對于上海近期千輛級規(guī)模燃料電池汽車的發(fā)展計(jì)劃,長管拖車輸送氫氣是最佳方案。為促進(jìn)燃料電池汽車的發(fā)展,上海必

2、須建立與之發(fā)展相適合的氫基礎(chǔ)設(shè)施(加氫站)。加氫站按制氫地點(diǎn)可分為夕卜供氫加氫站和站內(nèi)制氫加氫站,而對于外供氫加氫站，氫氣的運(yùn)輸是重要的一環(huán)。氫氣的運(yùn)輸方式是多樣的，且每種運(yùn)輸方式的應(yīng)用場合、成熟程度、使用成本等都不相同，所以需要進(jìn)行比較，根據(jù)實(shí)際情況研究合理的運(yùn)輸方式，以有效促進(jìn)上海氫基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展。1氫氣運(yùn)輸方式按照輸送時氫氣所處狀態(tài)的不同，氫氣的運(yùn)輸方式可分為：氣態(tài)氫氣(GH2)輸送、液態(tài)氫氣(LH2)輸送和固態(tài)氫氣(SH2)輸送。前兩者將氫氣加壓或液化后再利用交通工具運(yùn)輸，是當(dāng)前加氫站正在使用的方式。固態(tài)氫氣輸送通過金屬氫化物進(jìn)行輸送，迄今尚未有固態(tài)氫氣輸送方式,但隨著固氫技術(shù)的突破,

3、這種方便的輸配方式預(yù)期可得到使用。1.1高壓氫氣運(yùn)輸氫氣通常經(jīng)加壓至一定壓力后，然后利用集裝格、長管拖車和管道等工具輸送。集裝格由多個水容積為40L的高壓氫氣鋼瓶組成，充裝壓力通常為15MPao集裝格運(yùn)輸靈活，對于需求量較小的用戶，這是非常理想的運(yùn)輸方式。長管拖車由車頭和拖車組成。長管拖車到達(dá)加氫站后，車頭和管束拖車可分離，所以管束也可用作輔助儲氫容器。當(dāng)前常用的管束一般由9個直徑約為0.5m，長約10m的鋼瓶組成，其設(shè)計(jì)工作壓力為20MPa，約可充裝氫氣3500標(biāo)準(zhǔn)m，管束內(nèi)氫氣用率與壓縮機(jī)的吸人壓力有關(guān),大約為75%85%。長管拖車運(yùn)輸技術(shù)成熟,規(guī)范完善，所以國外較多加氫站都采用長管拖車運(yùn)

4、輸氫氣,上海較大規(guī)模商品氫運(yùn)輸即采用長管拖車運(yùn)輸。氫氣也可通過管道輸送至加氫站。美國、加拿大及歐洲多個工業(yè)地區(qū)都有氫氣管道，直徑大約為0.250.3m,壓力范圍為13MPa,流量在3108900kgh-i之間。當(dāng)前氫氣管道總長度已經(jīng)超過16000km。管道的投資成本很高，與管道的直徑和長度有關(guān)，比天然氣管道的成本高50%80%,其中大多數(shù)成本都用于尋找合適的路線。當(dāng)前氫氣管道主要用于輸送化工廠的氫氣。1.2液氫運(yùn)輸液氫的體積密度是70.8kgm-3,體積能量密度達(dá)到8.5MJ-L1,是氣氫15MPa運(yùn)輸壓力下的6.5倍。所以將氫氣深冷至21K液化后，再利用槽罐車或者管道運(yùn)輸可大大提高運(yùn)輸效率。

5、槽罐車的容量大約為65m3,每次可凈運(yùn)輸約4000kg氫氣。國外加氫站采用槽車液氫運(yùn)輸?shù)姆绞揭远嘤跉鈶B(tài)氫氣的運(yùn)輸方式。液氫管道都采用真空夾套絕熱，由內(nèi)外兩個等截面同心套管組成，兩個套管之間抽成高度的真空。除了槽罐車和管道，液氫還能夠利用鐵路和輪船進(jìn)行長距離或跨洲際輸送。深冷鐵路槽車長距離運(yùn)輸液氫是一種既能滿足較大輸氫量又是比較快速、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)氫方法。這種鐵路槽車常用水平放置的圓筒形杜瓦槽罐，其儲存液氫的容量可達(dá)到100m3,特殊大容量的鐵路槽車甚至能夠運(yùn)輸120200m3的液氫。當(dāng)前僅有非常少量的氫氣采用鐵路運(yùn)輸。表1定性地匕匕較了上述幾種方式的適用場合、運(yùn)輸量、技術(shù)成熟程度、應(yīng)用情況及其優(yōu)缺

6、點(diǎn)。表1気/運(yùn)輸方式比el,M,Tab.IComparisonofh)drofntransportationmethods應(yīng)用情況優(yōu)駛點(diǎn)集&格（）5-10kg-廣泛用于曲品狙運(yùn)墻.小.K債拖車（3U250460kr廣泛用于商品氧送箱.運(yùn)輸小.不珞宜逐H，離逐輸ftiKGH,)310-8900Mk主安用于化工廠，未普及一次性投資成本運(yùn)效率高*車傾）360-4300kg-$*國外戍用廣泛.國內(nèi)仍僅用于航天液敏給送.廠化投責(zé)大.能見富,設(shè)備妥求高ftKLH.)國外較少，國內(nèi)沒有.化能死投資大.23009100虹牟國外奪甫少，【耳內(nèi)沒有.運(yùn)備!1大.即使氫氣運(yùn)輸方式眾多，但從發(fā)展趨勢來看，在今后相當(dāng)長

7、一段時期內(nèi)加氫站氫氣主要通過長管拖車、槽車和氣氫管道進(jìn)行運(yùn)輸。所以，本文對這三種運(yùn)輸方式進(jìn)行了更為深入的研究。2氫氣運(yùn)輸成本分析氫氣的運(yùn)輸成本足選擇氫氣運(yùn)輸方式的重要指標(biāo)。為了計(jì)算氫氣的運(yùn)輸成本，本研究小組基于Excel開發(fā)了氫氣運(yùn)輸成本模型，能計(jì)算長管拖車運(yùn)輸、液氫槽車運(yùn)輸和管道輸送的成本。本模型的計(jì)算是從實(shí)際加氫站數(shù)量和加氫站大小出發(fā)，來計(jì)算所需長管拖車或液氫槽車的數(shù)量，從而確定固定設(shè)備投資。然后根據(jù)人工、能耗及其運(yùn)行維護(hù)成本的輸入，輸出氫氣的運(yùn)輸成本。長管拖車和槽車運(yùn)輸成本模塊建立的數(shù)學(xué)原理相差不大，都是利用每天需要運(yùn)輸次數(shù)和長管拖車或槽車每天可運(yùn)輸次數(shù)計(jì)算長管拖車和槽車的數(shù)量，然后再確

8、定其他投資成本。而管道運(yùn)輸模塊建立的關(guān)鍵是根據(jù)加氫站的流量計(jì)算管道的直徑，它能夠采用PanhandleB公式進(jìn)行計(jì)算：Ind =0.2016IiiFr-ln（737E（河2）o3i+InPO96,LP tpz式中,Fr為管道流量;Lp為管道長度；Tp為管道溫度;R為管道入口壓力;P。為管道岀口壓力;P為氫氣相對密度;Psc和T*為標(biāo)況下的壓力和溫度;E為管道運(yùn)輸效率;Z為氫氣壓縮因子.2.1長管拖車運(yùn)輸模塊建模的數(shù)學(xué)原理根據(jù)加氫站的數(shù)量及需求大小確定所需的長管拖車數(shù)量是建立本模塊的關(guān)鍵。在確定加氫站的數(shù)量及大小后，可得到氫氣的年運(yùn)輸量為Fa=365Sn9CF(2)式中，孔為氫氣年運(yùn)輸量；S為加

9、氫站大小,kg.d-i；為加氫站數(shù)量；CF為容量系數(shù),.長管拖車每個鋼瓶可輸送氫氣量為一Z2/PmaxVc%?000(Top+273.16)3(L00008205E4)(3)(+273.16)x0.00008205/式中，為單個鋼瓶輸気量，屈;Pg為鋼瓶最大運(yùn)行壓力，0.1MPa;Pgn為鋼瓶最小壓力，0.1MPa;V。為鋼瓶水容積，n?;為管束運(yùn)行溫度，s則長管拖車運(yùn)輸一趟可輸送氫氣量為td-wcdnc(4)式中，m記為長管拖車一次輸飢量,kg.nc為鋼瓶數(shù)量.根據(jù)年運(yùn)輸量及長管拖車每次運(yùn)輸量,可得到每年長管拖車需要運(yùn)輸?shù)拇螖?shù)為Ndy=Faf(5)式中，Ndy為長管拖車一次輸氫量.kg.則長

10、管拖車的年耗油量為Df=2Ndyd-/c/100(6)式中,Df為長管拖車年耗油量,L；d為加氫站與気源點(diǎn)距離,km;夷為卡車燃料經(jīng)濟(jì)性丄（100km）t.長管拖車每天需要運(yùn)輸?shù)拇螖?shù)為Naa=Ndy/365at（7）式中，Nd.為長管拖車每天運(yùn)輸次數(shù);丄為卡車年可使用率.拖車運(yùn)輸一次所需要的來回時間為(8)亍2dTd=+1+6V式中，Td為一次來回時間，為氫源點(diǎn)裝載管束時間，h;tu為氫源點(diǎn)卸載管束時間，圮”為平均速度,km.hT.由此能夠計(jì)算出所需拖車的數(shù)量E=蘭手+1（注：口為高斯符號）（9）式中，Nc為拖車數(shù)員“為卡車運(yùn)營時間，h.每管束気氣可用天數(shù)5昌（1。）則所需的管束數(shù)蛍根據(jù)總壊充

11、和運(yùn)輸時間應(yīng)小于每個站氫氣平均耗盡時間來計(jì)算.可分兩種情況.當(dāng)每管束気氣可用時冋大于一管束運(yùn)輸一趟的時間，也即(11)式中，*為氏管拖車灌充気氣的總時間,h.那么所需要的管束數(shù)量等于拖車數(shù)量即可，即MM（12）式中，Nt為管束數(shù)量.否則需要增加額外的管束使平均填充和運(yùn)輸時間縮短，總的管束數(shù)量為%N-=M+NwX24元+1（13）-n$Nc-據(jù)此可計(jì)算出管束和拖車頭的數(shù)量，從而確定設(shè)備投資及其他相關(guān)投資，如人工需求、拖車能耗等.2.2運(yùn)輸成本計(jì)算及分析分別對加氫站數(shù)量為個、4個、8個和16個共4種情況計(jì)算氫氣運(yùn)輸成本。假設(shè)加氫站距離氫源點(diǎn)的距離均為50km,長管拖車運(yùn)輸壓力為20MPao液氫槽車

12、的容量為65m3,鋼瓶總水容積為20m3,長管拖車灌充氫氣時間為7.5h,站內(nèi)卸載時間為7.5ho卡車平均時速為50kmh-io卡車、槽車、管束和管道的壽命分另4為10年，10年，20年?口40年。計(jì)算時采用的內(nèi)部收益率IRR為10%,那么分析周期內(nèi)每年應(yīng)收回投資與周期初期投資的比值，也即資本回復(fù)系數(shù)可按下式計(jì)算：%1-(1+ IrR)7(14)式中,Crf為資本回復(fù)系數(shù)，IRR為內(nèi)部收益率,N為分析年限.一組大約3400標(biāo)準(zhǔn)m3容積的集裝管束價格大約為120萬元，車頭的價格大約為40萬元，F(xiàn)15000加侖容量（約68m3）的液氫槽車價格大約為50萬美元。柴油的價格為42元L,員工費(fèi)用為6萬元

13、年1人圖1為氫氣通過長管拖車運(yùn)輸?shù)某杀?。能夠看?當(dāng)加氫站數(shù)量少時,運(yùn)輸成本可高達(dá)4.7元kg。隨著加氫站數(shù)量的增加和加氫站規(guī)模的增大,成本逐漸降低。但是在加氫站數(shù)量較少時，成本在下降過程中出現(xiàn)波動，這與長管拖車?yán)眯视嘘P(guān)，例如當(dāng)加氫站規(guī)模750kgd-i時，長管拖車處于高負(fù)荷工作狀態(tài)，但當(dāng)規(guī)模增加到900kgd-l時，因?yàn)樾枰黾庸苁?，降低長管拖車總體負(fù)荷強(qiáng)度，利用率降低,所以運(yùn)輸成本上升。當(dāng)加氫站網(wǎng)絡(luò)的數(shù)量達(dá)到8個后，運(yùn)輸成本逐漸穩(wěn)定在2.3元kg-i。圖2是液氫的運(yùn)輸成本?？煽吹?，隨著加氫站數(shù)量和規(guī)模的增加,液氫的運(yùn)輸成本快速降低。液氫槽車運(yùn)輸氫氣的最低成本為0.4元kg，將近為長管拖

14、車的1/6。圖3是氫氣通過管道運(yùn)輸?shù)倪\(yùn)輸成本,管道的運(yùn)輸距離也為50km?？煽吹?，氫氣的運(yùn)輸成本隨每個加氫站規(guī)模的增加而迅速減少，但是三條曲線基本重疊，說明加氫站數(shù)量的增加并不減少氫氣運(yùn)輸成本，其原因是增加加氫站需要另外鋪設(shè)氫氣管道，其昂貴的投資使氫氣運(yùn)輸成本基本維持不變。當(dāng)加氫站規(guī)模達(dá)到1500kgcH時，氫氣的運(yùn)輸成本大約為6元屈。單從運(yùn)輸方面的成本來看，三種運(yùn)輸方式中以液氫運(yùn)輸成本最低，管道運(yùn)輸最高。注意此液氫運(yùn)輸成本沒有包含氫氣液化及蒸發(fā)成本，氫氣液化設(shè)備的投資非常巨大，一個日處理量為120t氫氣的液化廠投資約為9千萬美元。Syed等計(jì)算了規(guī)模為3xl04kgh-i的氫氣液化成本，達(dá)到

15、4.5元屈，若考慮到此,I個加飯站 4個加岌站 8個加數(shù) L 16個加其站600 900 1 200 1 500岫站大小/(5)S2液集槽車運(yùn)纖成本Fig. 2 Liquid hydroRen ddkvry cost by tank604020071?假、1圖5 4 3 2 7$|普挙卻9B1 T編長曾搶車運(yùn)筋成本Fij. 1 Hytkroern delivery costby tube trailer長管拖車運(yùn)輸氫氣的成本在當(dāng)前還是比較低的。450750105013501並故大小/(kgT)冊3氯賛道運(yùn)輸成本F0.3H)drogcndeliverycostb*Pl*lioe因?yàn)殚L管拖車運(yùn)輸和

16、槽車運(yùn)輸技術(shù)都非常成熟，通過技術(shù)進(jìn)步降低設(shè)備成本不大可能。但是今后生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大后能降低部分成本。3能耗分析氫氣首先經(jīng)過壓縮或液化后再進(jìn)行運(yùn)輸，這些過程都需要消耗能量。Bossel等深入地上娥了壓縮和液化的能耗以及氫氣道路運(yùn)輸?shù)哪芎模蔀闅錃膺\(yùn)輸方式的選擇提供參考。氫氣的高熱值為142MJkgi,如果將氫氣壓縮到20MPa,大約消耗能量14MJ-kgi,相當(dāng)于氫氣內(nèi)能的10%左右。液化能耗很高,具有明顯的規(guī)模效益。當(dāng)液化量很少時,液化能耗甚至高于氫氣的熱值，當(dāng)液化量達(dá)到lOOOkghi時，液化能耗仍超過40MJ-kgi,是低熱值的30%以上。對于一般規(guī)模的液化廠，氫氣液化能耗大約為壓縮能耗的3倍

17、。氫氣壓縮的部分能量在加氫站內(nèi)還能夠加以回收利用，比如利用長管拖車與儲氫罐的壓差為儲氫罐自然充氣。但是氫氣液化的能量在固定儲氫容器和液氫運(yùn)輸管網(wǎng)上無法利用，被白白浪費(fèi)。在運(yùn)輸距離為500km時,運(yùn)輸壓力為20MPa的氫氣消耗30%的車載能量,而運(yùn)輸液氫僅消耗4%左右的車載能量,所以，長距離宜采用液氫運(yùn)輸。4氫氣運(yùn)輸安全性對于長管拖車,主要的危險特征是高壓爆炸。美國的長管拖車根據(jù)DOT一3AA/3AAX壓縮氣體運(yùn)輸標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，安全系數(shù)達(dá)到2.48;很多廠家生產(chǎn)的長管拖車還符合美國E-8009特殊標(biāo)準(zhǔn)，采取限定氣瓶操作壓力和限制鋼種和控制雜質(zhì)含量等措施，提高氣瓶運(yùn)輸安全。從運(yùn)輸壓力上來說，長管拖車運(yùn)

18、輸壓力一般不超過20MPa,且都裝有卸壓閥,充分保證運(yùn)輸?shù)陌踩?。從法?guī)上說，上海危險氣體運(yùn)輸法規(guī)規(guī)定在氣溫大于30C時，僅能在夜間運(yùn)輸,這都降低了長管拖車運(yùn)輸?shù)奈ｋU性。所以,即使長管拖車存在危險特征，但可通過合理方式降低風(fēng)險。對于液氫運(yùn)輸因?yàn)槿萜鞑荒芡耆^熱和氫氣自身的正氫/仲氫轉(zhuǎn)化放熱，液氫會不斷蒸發(fā)，使容器內(nèi)壓力越來越高，形成危險特征。但是槽車系統(tǒng)上安裝卸壓閥，保證容器內(nèi)壓力不超過極限值。同時因?yàn)闅錃饬己玫奶右菪?，卸出的氫氣在戶外也不會?gòu)成任何危險。對于管道運(yùn)輸一個很重要的安全問題是氫脆。如鎬鋼、鐐鋼以及其它高強(qiáng)度鋼,若長期暴露在氫氣中，尤其在高溫高壓下,其強(qiáng)度會大大降低,導(dǎo)致失效。但是鋁和一些合成材料,就不會發(fā)生氫脆，所以通過選擇合適的材料，可降低因氫脆產(chǎn)生的安全風(fēng)險。5上海加氫站氫氣運(yùn)輸方案的選擇到2010年加氫站的規(guī)模都較小。采用槽車液氫運(yùn)輸?shù)某杀緸?.8