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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: