加氫站氫氣運輸方案比選

1、加氫站氫氣運輸方案比選摘要：首先結(jié)合文獻定性介紹了現(xiàn)有氫氣運輸方式，然后對氫氣通過長管拖車、槽車及管道運輸?shù)倪\輸成本、能源消耗及安全性進行深入研究。運輸成本通過建立加氫站氫氣運輸成本模型進行分析，結(jié)果表明上海大規(guī)模氫氣運輸?shù)拈L管拖車運輸成本為2.3元kg，液氫運輸成本為0.4元加，管道運輸成本為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)氫氣運輸能耗高于液氫運輸能耗。運輸中即使存在如高壓、液氫蒸發(fā)以及氫脆等安全風險,但都可通過設(shè)計、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)展計劃,長管拖車輸送氫氣是最佳方案。為促進燃料電池汽車的發(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，氫氣的運輸是重要的一環(huán)。氫氣的運輸方式是多樣的，且每種運輸方式的應(yīng)用場合、成熟程度、使用成本等都不相同，所以需要進行比較，根據(jù)實際情況研究合理的運輸方式，以有效促進上海氫基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展。1氫氣運輸方式按照輸送時氫氣所處狀態(tài)的不同，氫氣的運輸方式可分為：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輸，是當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集裝格運輸靈活，對于需求量較小的用戶，這是非常理想的運輸方式。長管拖車由車頭和拖車組成。長管拖車到達加氫站后，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)計工作壓力為20MPa，約可充裝氫氣3500標準m，管束內(nèi)氫氣用率與壓縮機的吸人壓力有關(guān),大約為75%85%。長管拖車運輸技術(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

4、輸氫氣,上海較大規(guī)模商品氫運輸即采用長管拖車運輸。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。當前氫氣管道主要用于輸送化工廠的氫氣。1.2液氫運輸液氫的體積密度是70.8kgm-3,體積能量密度達到8.5MJ-L1,是氣氫15MPa運輸壓力下的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輸可大大提高運輸效率。

5、槽罐車的容量大約為65m3,每次可凈運輸約4000kg氫氣。國外加氫站采用槽車液氫運輸?shù)姆绞揭远嘤跉鈶B(tài)氫氣的運輸方式。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行長距離或跨洲際輸送。深冷鐵路槽車長距離運輸液氫是一種既能滿足較大輸氫量又是比較快速、經(jīng)濟的運氫方法。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到100m3,特殊大容量的鐵路槽車甚至能夠運輸120200m3的液氫。當前僅有非常少量的氫氣采用鐵路運輸。表1定性地匕匕較了上述幾種方式的適用場合、運輸量、技術(shù)成熟程度、應(yīng)用情況及其優(yōu)缺

6、點。表1気/運輸方式比el,M,Tab.IComparisonofh)drofntransportationmethods應(yīng)用情況優(yōu)駛點集&格（）5-10kg-廣泛用于曲品狙運墻.小.K債拖車（3U250460kr廣泛用于商品氧送箱.運輸小.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.運備!1大.即使氫氣運輸方式眾多，但從發(fā)展趨勢來看，在今后相當長

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

8、定其他投資成本。而管道運輸模塊建立的關(guān)鍵是根據(jù)加氫站的流量計算管道的直徑，它能夠采用PanhandleB公式進行計算：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*為標況下的壓力和溫度;E為管道運輸效率;Z為氫氣壓縮因子.2.1長管拖車運輸模塊建模的數(shù)學原理根據(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，可得到氫氣的年運輸量為Fa=365Sn9CF(2)式中，孔為氫氣年運輸量；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?;為管束運行溫度，s則長管拖車運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)年運輸量及長管拖車每次運輸量,可得到每年長管拖車需要運輸?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為加氫站與気源點距離,km;夷為卡車燃料經(jīng)濟性丄（100km）t.長管拖車每天需要運輸?shù)拇螖?shù)為Naa=Ndy/365at（7）式中，Nd.為長管拖車每天運輸次數(shù);丄為卡車年可使用率.拖車運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，為氫源點裝載管束時間，h;tu為氫源點卸載管束時間，圮”為平均速度,km.hT.由此能夠計算出所需拖車的數(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、和運輸時間應(yīng)小于每個站氫氣平均耗盡時間來計算.可分兩種情況.當每管束気氣可用時冋大于一管束運輸一趟的時間，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運輸成本計算及分析分別對加氫站數(shù)量為個、4個、8個和16個共4種情況計算氫氣運輸成本。假設(shè)加氫站距離氫源點的距離均為50km,長管拖車運輸壓力為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標準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,員工費用為6萬元

13、年1人圖1為氫氣通過長管拖車運輸?shù)某杀尽Ｄ軌蚩吹?當加氫站數(shù)量少時,運輸成本可高達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，這與長管拖車利用效率有關(guān)，例如當加氫站規(guī)模750kgd-i時，長管拖車處于高負荷工作狀態(tài)，但當規(guī)模增加到900kgd-l時，因為需要增加管束，降低長管拖車總體負荷強度，利用率降低,所以運輸成本上升。當加氫站網(wǎng)絡(luò)的數(shù)量達到8個后，運輸成本逐漸穩(wěn)定在2.3元kg-i。圖2是液氫的運輸成本。可看到，隨著加氫站數(shù)量和規(guī)模的增加,液氫的運輸成本快速降低。液氫槽車運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是氫氣通過管道運輸?shù)倪\輸成本,管道的運輸距離也為50km?？煽吹剑瑲錃獾倪\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輸成本基本維持不變。當加氫站規(guī)模達到1500kgcH時，氫氣的運輸成本大約為6元屈。單從運輸方面的成本來看，三種運輸方式中以液氫運輸成本最低，管道運輸最高。注意此液氫運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等計算了規(guī)模為3xl04kgh-i的氫氣液化成本，達到

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編長曾搶車運筋成本Fij. 1 Hytkroern delivery costby tube trailer長管拖車運輸氫氣的成本在當前還是比較低的。450750105013501並故大小/(kgT)冊3氯賛道運輸成本F0.3H)drogcndeliverycostb*Pl*lioe因為長管拖車運輸和

16、槽車運輸技術(shù)都非常成熟，通過技術(shù)進步降低設(shè)備成本不大可能。但是今后生產(chǎn)規(guī)模擴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行運輸，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輸?shù)哪芎?，可為氫氣運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。當液化量很少時,液化能耗甚至高于氫氣的熱值，當液化量達到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輸管網(wǎng)上無法利用，被白白浪費。在運輸距離為500km時,運輸壓力為20MPa的氫氣消耗30%的車載能量,而運輸液氫僅消耗4%左右的車載能量,所以，長距離宜采用液氫運輸。4氫氣運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壓縮氣體運輸標準設(shè)計，安全系數(shù)達到2.48;很多廠家生產(chǎn)的長管拖車還符合美國E-8009特殊標準，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，提高氣瓶運輸安全。從運輸壓力上來說，長管拖車運

18、輸壓力一般不超過20MPa,且都裝有卸壓閥,充分保證運輸?shù)陌踩?。從法?guī)上說，上海危險氣體運輸法規(guī)規(guī)定在氣溫大于30C時，僅能在夜間運輸,這都降低了長管拖車運輸?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險。對于液氫運輸因為容器不能完全絕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。同時因為氫氣良好的逃逸性，卸出的氫氣在戶外也不會構(gòu)成任何危險。對于管道運輸一個很重要的安全問題是氫脆。如鎬鋼、鐐鋼以及其它高強度鋼,若長期暴露在氫氣中，尤其在高溫高壓下,其強度會大大降低,導致失效。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)生的安全風險。5上海加氫站氫氣運輸方案的選擇到2010年加氫站的規(guī)模都較小。采用槽車液氫運輸?shù)某杀緸?.8