加氢站氢气运输方案的比较与选择

加氢站氢气运输方案的比较与选择时间:2010-08-28 12:28来源:同济大学作者:马建新等点击:315次首先结合文献定性介绍了现有氢气运输方式,然后对氢气通过长管拖车、槽车及管道运输的运输成本、能源消耗及安全性进行深入研究，运输成本通过建立加氢站氢气运输成本模型进行分析。

为促进燃料电池汽车的发展,上海必须建立与之发展相适应的氢基础设施(加氢站) . 加氢站按制氢地点可分为外供氢加氢站和站内制氢加氢站,而对于外供氢加氢站,氢气的运输是重要的一环。

氢气的运输方式是多样的,且每种运输方式的应用场合、成熟程度、使用成本等都不相同,因此需要进行比较,根据实际情况研究合理的运输方式,以有效促进上海氢基础设施的发展。

1 氢气运输方式按照输送时氢气所处状态的不同,氢气的运输方式可分为:气态氢气( GH2) 输送、液态氢气(LH2 )输送和固态氢气(SH2) 输送. 前两者将氢气加压或液化后再利用交通工具运输,是目前加氢站正在使用的方式. 固态氢气输送通过金属氢化物进行输送,迄今尚未有固态氢气输送方式,但随着固氢技术的突破,这种方便的输配方式预期可得到使用。

1. 1 高压氢气运输氢气通常经加压至一定压力后,然后利用集装格、长管拖车和管道等工具输送. 集装格由多个水容积为40L的高压氢气钢瓶组成,充装压力通常为15MPa. 集装格运输灵活,对于需求量较小的用户,这是非常理想的运输方式。

长管拖车由车头和拖车组成，长管拖车到达加氢站后,车头和管束拖车可分离,所以管束也可用作辅助储氢容器. 目前常用的管束一般由9个直径约为0.5 m ,长约10m的钢瓶组成,其设计工作压力为20 MPa ,约可充装氢气3500标准m3。

管束内氢气利用率与压缩机的吸入压力有关,大约为75%～85%. 长管拖车运输技术成熟,规范完善,因此国外较多加氢站都采用长管拖车运输氢气,上海较大规模商品氢运输即采用长管拖车运输。

氢气也可通过管道输送至加氢站. 美国、加拿大及欧洲多个工业地区都有氢气管道,直径大约为0. 25～0. 3m ,压力范围为1～3MPa ,流量在310～8900 kg·h - 1之间. 目前氢气管道总长度已经超过16000km .管道的投资成本很高,与管道的直径和长度有关, 比天然气管道的成本高50 %～80 % ,其中大部分成本都用于寻找合适的路线.目前氢气管道主要用于输送化工厂的氢气。

1. 2 液氢运输液氢的体积密度是70. 8 kg·m- 3 ,体积能量密度达到8. 5 MJ·L - 1 ,是气氢15MPa运输压力下的6. 5倍. 因此将氢气深冷至21K液化后,再利用槽罐车或者管道运输可大大提高运输效率. 槽罐车的容量大约为65m3 ,每次可净运输约4000 kg氢气。

国外加氢站采用槽车液氢运输的方式要略多于气态氢气的运输方式.液氢管道都采用真空夹套绝热,由内外两个等截面同心套管组成,两个套管之间抽成高度的真空. 除了槽罐车和管道,液氢还可以利用铁路和轮船进行长距离或跨洲际输送. 深冷铁路槽车长距离运输液氢是一种既能满足较大输氢量又是比较快速、经济的运氢方法. 这种铁路槽车常用水平放置的圆筒形杜瓦槽罐,其储存液氢的容量可达到100m3 ,特殊大容量的铁路槽车甚至可以运输120～200 m3的液氢. 目前仅有非常少量的氢气采用铁路运输。

表1定性地比较了上述几种方式的适用场合、运输量、技术成熟程度、应用情况及其优缺点。

尽管氢气运输方式众多,但从发展趋势来看,在今后相当长一段时期内加氢站氢气主要通过长管拖车、槽车和气氢管道进行运输. 因此,本文对这三种运输方式进行了更为深入的研究。

2 氢气运输成本分析氢气的运输成本是选择氢气运输方式的重要指标. 为了计算氢气的运输成本,本研究小组基于Excel开发了氢气运输成本模型,能计算长管拖车运输、液氢槽车运输和管道输送的成本. 本模型的计算是从实际加氢站数量和加氢站大小出发,来计算所需长管拖车或液氢槽车的数量,从而确定固定设备投资. 然后根据人工、能耗及其运行维护成本的输入,输出氢气的运输成本。

长管拖车和槽车运输成本模块建立的数学原理相差不大,都是利用每天需要运输次数和长管拖车或槽车每天可运输次数计算长管拖车和槽车的数量,然后再确定其他投资成本. 而管道运输模块建立的关键是根据加氢站的流量计算管道的直径,它可以采用Panhandle B 公式进行计算:式中, FR 为管道流量; L p 为管道长度; Tp 为管道温度; Pi 为管道入口压力; Po 为管道出口压力;ρ为氢气相对密度; Psc和Tsc为标况下的压力和温度; E 为管道运输效率; Z 为氢气压缩因子.2. 1 长管拖车运输模块建模的数学原理根据加氢站的数量及需求大小确定所需的长管拖车数量是建立本模块的关键。

在确定加氢站的数量及大小后,可得到氢气的年运输量为Fa = 365 S n s C F (2)式中, Fa 为氢气年运输量; S 为加氢站大小, kg·d - 1 ; n s为加氢站数量; C F为容量系数, %。

长管拖车每个钢瓶可输送氢气量为式中, m cd为单个钢瓶输氢量, kg ; P max为钢瓶最大运行压力, 0. 1 MPa ; P min为钢瓶最小压力, 0. 1MPa ; V c为钢瓶水容积, m3 ; Top为管束运行温度, ℃。

则长管拖车运输一趟可输送氢气量为m td = m cd ·n c (4)式中, m td为长管拖车一次输氢量,kg. n c为钢瓶数量.根据年运输量及长管拖车每次运输量,可得到每年长管拖车需要运输的次数为N dy = F a/ m td (5)式中, N dy为长管拖车一次输氢量,kg。

则长管拖车的年耗油量为D f = 2N dy ·d ·f e/ 100 (6)式中,D f为长管拖车年耗油量,L ; d为加氢站与氢源点距离,km; f e为卡车燃料经济性,L·(100 km) - 1 。

长管拖车每天需要运输的次数为N dd = N dy/ 365 a t (7)式中, N dd为长管拖车每天运输次数; a t为卡车年可使用率, %。

拖车运输一次所需要的来回时间为Td =2d·t-1+ t1 + t u (8)式中, T d为一次来回时间,h ; t l为氢源点装载管束时间,h ; t u为氢源点卸载管束时间,h ; v 为平均速度,km·h- 1 。

由此可以计算出所需拖车的数量N c =[ N dd T d）·（t ot）-1]+ 1 (注:[ ] 为高斯符号) (9)式中, N c为拖车数量; t ot为卡车运营时间,h。

每管束氢气可用天数N ud =m td（S ·C F）-1 (10)则所需的管束数量根据总填充和运输时间应小于每个站氢气平均耗尽时间来计算. 可分两种情况.当每管束氢气可用时间大于一管束运输一趟的时间,也即（N ud ·24）n s-1 > Td + t tf (11)式中, t tf为长管拖车灌充氢气的总时间,h.那么所需要的管束数量等于拖车数量即可,即N t = N c (12)式中, N t为管束数量。

否则需要增加额外的管束使平均填充和运输时间缩短,总的管束数量为N t = N c +t tf [（N ud×24•n s-1）-T d•N c]+1 (13)据此可计算出管束和拖车头的数量,从而确定设备投资及其他相关投资,如人工需求、拖车能耗等。

2. 2 运输成本计算及分析分别对加氢站数量为1个、4个、8个和16个共4种情况计算氢气运输成本. 假设加氢站距离氢源点的距离均为50 km ,长管拖车运输压力为20MPa.液氢槽车的容量为65m3 ,钢瓶总水容积为20m3 ,长管拖车灌充氢气时间为7.5h ,站内卸载时间为7.5h ,卡车平均时速为50 km·h - 1 . 卡车、槽车、管束和管道的寿命分别为10年,10年,20年和40年。

计算时采用的内部收益率IRR为10% ,那么分析周期内每年应收回投资与周期初期投资的比值,也即资本回复系数可按下式计算:CRF =I RR[1 - (1 + I RR) – N] (14)式中, CRF为资本回复系数, IRR为内部收益率, N为分析年限。

一组大约3400标准m3容积的集装管束价格大约为120万元,车头的价格大约为40万元,一辆15000加仑容量(约68m3)的液氢槽车价格大约为50万美元.柴油的价格为42元·L- 1 ,员工费用为6万元·年- 1·人- 1。

图1为氢气通过长管拖车运输的成本。

可以看到,当加氢站数量少时,运输成本可高达4.7 元·kg - 1 . 随着加氢站数量的增加和加氢站规模的增大,成本逐渐降低. 但是在加氢站数量较少时,成本在下降过程中出现波动,这与长管拖车利用效率有关,例如当加氢站规模750kg·d- 1时,长管拖车处于高负荷工作状态,但当规模增加到900 kg·d- 1时,由于需要增加管束,降低长管拖车总体负荷强度,利用率降低, 所以运输成本上升.当加氢站网络的数量达到8个后,运输成本逐渐稳定在2. 3元·kg- 1 .图2是液氢的运输成本.可看到,随着加氢站数量和规模的增加,液氢的运输成本快速降低. 液氢槽车运输氢气的最低成本为0. 4元·kg - 1 ,将近为长管拖车的1/6.图3是氢气通过管道运输的运输成本,管道的运输距离也为50km.可看到,氢气的运输成本随每个加氢站规模的增加而迅速减少,但是三条曲线基本重叠,说明加氢站数量的增加并不减少氢气运输成本,其原因是增加加氢站需要另外铺设氢气管道,其昂贵的投资使氢气运输成本基本维持不变. 当加氢站规模达到1500 kg·d - 1时,氢气的运输成本大约为6元·kg- 1 .单从运输方面的成本来看,三种运输方式中以液氢运输成本最低,管道运输最高. 注意此液氢运输成本没有包含氢气液化及蒸发成本,氢气液化设备的投资非常巨大,一个日处理量为120t氢气的液化厂投资约为9千万美元. Syed等计算了规模为3×104 kg·h - 1的氢气液化成本,达到4. 5元·kg - 1 ,若考虑到此,长管拖车运输氢气的成本在目前还是比较低的.由于长管拖车运输和槽车运输技术都非常成熟,通过技术进步降低设备成本不大可能. 但是今后生产规模扩大后能降低部分成本。

3 能耗分析氢气首先经过压缩或液化后再进行运输,这些过程都需要消耗能量.Bossel等深入地比较了压缩和液化的能耗以及氢气道路运输的能耗,可为氢气运输方式的选择提供参考. 氢气的高热值为142 MJ·kg - 1 ,如果将氢气压缩到20MPa ,大约消耗能量14MJ·kg - 1 ,相当于氢气内能的10 %左右.液化能耗很高,具有明显的规模效益. 当液化量很少时,液化能耗甚至高于氢气的热值,当液化量达到1000 kg·h - 1时,液化能耗仍超过40 MJ·kg - 1 ,是低热值的30 %以上. 对于一般规模的液化厂,氢气液化能耗大约为压缩能耗的3倍. 氢气压缩的部分能量在加氢站内还可以加以回收利用,比如利用长管拖车与储氢罐的压差为储氢罐自然充气.但是氢气液化的能量在固定储氢容器和液氢运输管网上无法利用,被白白浪费.在运输距离为500km,运输压力为20MPa的氢气消耗30%的车载能量,而运输液氢仅消耗4%左右的车载能量,因此,长距离宜采用液氢运输。