在碳中和國(guó)際大環(huán)境下，氫能源被認(rèn)為是達(dá)成巴黎協(xié)議認(rèn)定的關(guān)鍵能源之一，其廣泛應(yīng)用有著巨大的潛力。液氫具有傳統(tǒng)能源不具備的特點(diǎn)：零污染、高密度、化學(xué)性質(zhì)活躍、純度要求極高且來(lái)源豐富。
氫能源的應(yīng)用，離不開(kāi)生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸環(huán)節(jié)。在全球化大趨勢(shì)下，氫能源能否像傳統(tǒng)能源一樣可以大規(guī)模海上運(yùn)輸成為其大規(guī)模應(yīng)用的制約因素之一。
相較于高壓氣態(tài)運(yùn)輸，液態(tài)氫的運(yùn)輸更具有優(yōu)勢(shì)。液氫運(yùn)輸船的研發(fā)顯得尤為迫切。
為了搶占市場(chǎng)先機(jī)，抓住氫能源發(fā)展機(jī)遇，本文對(duì)液氫運(yùn)輸船的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。液氫運(yùn)輸船的關(guān)鍵系統(tǒng)技術(shù)的研究基于公司成熟的 LNG/FSRU 設(shè)計(jì)技術(shù)，深入研究液氫特性，重點(diǎn)就貨物儲(chǔ)存系統(tǒng)、管路系統(tǒng)、蒸發(fā)氣（BOG）處理系統(tǒng)、安全系統(tǒng)進(jìn)行了分析。
1 液氫特性分析
表1對(duì)氫氣與甲烷的活躍程度、沸點(diǎn)、臨界溫度、爆炸極限范圍、汽化潛熱、點(diǎn)燃能量等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比，從表中可以看出，氫氣跟甲烷的特性差巨大，氫氣對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求更加苛刻，是一種對(duì)安全性要求極高的燃料。
例如，液氫溫度低比 LNG 低 90 多度，且單位汽化潛熱要小很多，這就對(duì)系統(tǒng)的絕緣提出非常高的要求，且低溫泄露導(dǎo)致的危害更嚴(yán)重。一旦操作過(guò)程中出現(xiàn)汽化，由于氫氣比甲烷更容易燃燒，且燃燒速度、劇烈程度均高出甲烷很多，這就要求不僅有更嚴(yán)格的防泄露要求，還有更嚴(yán)格的防爆要求。
這些特性要求我們從設(shè)計(jì)理念上跟 LNG 有了根本性的變化，從 LNG 泄漏后的被動(dòng)防御，轉(zhuǎn)變成液氫從根本上保證安全。液氫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要綜合考慮其功能的可靠性與系統(tǒng)的安全性。
2 關(guān)鍵系統(tǒng)研究
2.1 貨物儲(chǔ)存系統(tǒng)
基于目前主流的液氫罐體在2500m3的數(shù)量級(jí)別，液氫船以2500m3的儲(chǔ)罐作為研究對(duì)象，進(jìn)行研究。
現(xiàn)在的LNG 運(yùn)輸船的儲(chǔ)罐多數(shù)采用金屬罐體（不銹鋼以及鋁合金）結(jié)合絕緣層的方式來(lái)儲(chǔ)存 LNG，相對(duì)于 LNG-163℃的溫度而言，液氫 -253℃的低溫對(duì)于現(xiàn)有的 LNG 保溫技術(shù)帶來(lái)了挑戰(zhàn)，液氫具對(duì)于汽化潛熱反應(yīng)劇烈，其要求潛熱進(jìn)入球罐的熱量效率降低到 LNG 的 1/10，也就還不高于 0.01%/ 天的蒸發(fā)率。
為了使液氫可以在長(zhǎng)距離運(yùn)輸中保存更長(zhǎng)的時(shí)間，降低液氫的蒸發(fā)率，LNG 的保冷技術(shù)已經(jīng)不能滿足液氫運(yùn)輸?shù)男枰恕６捎谜婵毡＠浼夹g(shù)是一項(xiàng)可靠的選擇。
目前的罐體多采用如下兩種形式，球形罐體、C 型罐。這兩種罐體的共同特點(diǎn)的是依靠雙層結(jié)構(gòu)形成環(huán)形真空，采用真空絕緣保冷技術(shù)，環(huán)形空間形成保溫的絕緣層，空間里面采用珍珠巖填充，兩層殼體之間采用玻璃纖維加強(qiáng)塑料制成，這種設(shè)計(jì)可以在低溫與真空環(huán)境下保證絕緣性能與結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。
為了減少液氫以及氫氣暴露的風(fēng)險(xiǎn)，貨物罐的設(shè)計(jì)具有這樣的能力，能夠保證抵抗一個(gè)航次內(nèi)累計(jì)的蒸發(fā)氣帶來(lái)的累計(jì)壓力和溫度的增加，這樣就可以盡可能的減少在運(yùn)輸過(guò)程中處理 BOG 蒸發(fā)氣引發(fā)的危險(xiǎn)，但是這并不是不需要 BOG 壓縮機(jī)，BOG 壓縮機(jī)仍然是蒸發(fā)氣的處理以及燃料氣供給的主要設(shè)備。
兩種類型罐體的選擇，圖 1 是類似于 Moss 球形雙層真空罐體，圖 2 是 C 型雙層真空罐。
2.2 貨物管路系統(tǒng)
貨物管路系統(tǒng)是液氫系統(tǒng)的主要工作系統(tǒng)，也是液氫裝卸載、BOG 系統(tǒng)流程圖設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。管路系統(tǒng)由于系統(tǒng)接觸面較大，液體不穩(wěn)定，傳熱量更大，考慮到液氫對(duì)于汽化潛熱的反應(yīng)劇烈，且液氫的溫度大大低于液態(tài)LNG，傳統(tǒng)的 LNG 保冷技術(shù)無(wú)法滿足液氫管路的保冷要求。
為了盡可能減少潛熱進(jìn)入系統(tǒng)，降低熱量的輸入，因此選擇采用采用真空雙壁管方案。由于真空雙壁管的特點(diǎn)，產(chǎn)生了內(nèi)外兩層管壁，且內(nèi)外層管壁的工作環(huán)境溫度相差極大，就產(chǎn)生了內(nèi)外管壁的熱脹冷縮帶來(lái)的長(zhǎng)度變化的影響，這對(duì)于雙壁管提出了更嚴(yán)格的要求。
2.3 蒸發(fā)氣（BOG）處理系統(tǒng)
由于目前技術(shù)的限制，在航行環(huán)境復(fù)雜的船舶上對(duì)性質(zhì)活躍的氫氣可靠處理的技術(shù)還存在挑戰(zhàn)。在氫燃料應(yīng)用方面，目前日本氫運(yùn)輸船仍然采用成熟的柴電驅(qū)動(dòng)技術(shù)，沒(méi)有采用液氫雙燃料技術(shù)。這部分是對(duì)于未來(lái)技術(shù)成熟后的氫燃料供給系統(tǒng)提供設(shè)計(jì)思路。隨著氫能技術(shù)的發(fā)展，以及氫氣大規(guī)模商業(yè)化運(yùn)輸，這種方式也會(huì)逐漸采用。
與 LNG 蒸發(fā)氣處理系統(tǒng)以及燃料系統(tǒng)設(shè)計(jì)部分功能類似，液氫 BOG 處理系統(tǒng)主要包括一套 BOG 加熱器，BOG 壓縮機(jī)，以及氫氣儲(chǔ)罐。由于液氫儲(chǔ)存罐體以及管線的保冷應(yīng)用最新的技術(shù)，BOG 揮發(fā)率極低，按照1/10LNG 儲(chǔ)罐氣化率的要求，每天的汽化率僅為 0.01%。液氫 BOG 蒸發(fā)氣蒸發(fā)量小，無(wú)法滿足正常推進(jìn)系統(tǒng)的燃燒。所以需要額外的蒸發(fā)氣來(lái)保證燃料氣的供應(yīng)，這就需要配置一臺(tái)增壓泵，汽化器，來(lái)補(bǔ)充 BOG 不足的部分。
不同于常規(guī)的 LNG 以及 FSRU 蒸發(fā)氣處理系統(tǒng)，液氫運(yùn)輸船不需要采用噴淋泵再次液化 BOG。考慮到液氫純度要求極高，以及液氫的再液化難度，液氫一旦汽化，是不允許在運(yùn)輸船上經(jīng)過(guò)處理后再次液化。
所以液氫運(yùn)輸船的設(shè)計(jì)盡可能的降低蒸發(fā)氣的產(chǎn)量，這也是要求液氫罐絕緣要求高的原因之一。另外系統(tǒng)專門設(shè)計(jì)業(yè)氫氣緩沖罐，作為氫氣 BOG 壓縮氣的常溫儲(chǔ)存罐如圖 3。氣體可以直接供給主機(jī)的燃料系統(tǒng)。另外一個(gè)重要的因素就是，緩沖罐儲(chǔ)存的氫氣也可以作為氣化儲(chǔ)罐的氣體。
液氫罐中的液氫經(jīng)安裝在泵池上的液氫泵增壓之后，輸送給液氫汽化器，氣化至室溫氫氣后，進(jìn)入緩沖罐1，再經(jīng)調(diào)壓裝置，調(diào)節(jié)至滿足下用戶的壓力。
液氫罐和泵池的蒸發(fā)低溫氫氣經(jīng)加熱器升溫后，進(jìn)入常溫氫氣壓縮機(jī)，儲(chǔ)存在緩沖罐 2 中，等緩沖罐 2 的壓力達(dá)到預(yù)定壓力，儲(chǔ)罐儲(chǔ)滿后，再經(jīng)調(diào)壓裝置輸送給雙燃料發(fā)電機(jī)或者透平發(fā)電機(jī)。
2.4 安全系統(tǒng)
不同于 LNG，液氫純度要求非常高，且在液氫儲(chǔ)存的環(huán)境下，采用 LNG 系統(tǒng)常用的惰氣或者氮?dú)鈦?lái)惰化系統(tǒng)存在著很大的風(fēng)險(xiǎn)。在液氫零下 253 度的情況下，幾乎任何存在于液氫的常規(guī)氣體都會(huì)變成固體。同樣，氮?dú)饣蛘叨栊詺怏w都會(huì)變成固體，從而產(chǎn)生了系統(tǒng)堵塞的危險(xiǎn)。所以氫氣系統(tǒng)純度管理是非常重要的考慮。
液氫存在的管線，掃氣系統(tǒng)不再采用燃燒氣體作為掃氣，而是采用高純度的氮?dú)狻１M管采用高純度的氮?dú)猓紤]到液氫的純度要求高達(dá) 99.999%的苛刻要求，氮?dú)膺M(jìn)入系統(tǒng)也會(huì)變成固體，掃氣系統(tǒng)也需要高度重視。
惰化流程是非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，氮?dú)舛杌摅w排出氧氣以及其他氣體后，需要用氫氣將氮?dú)庵脫Q出。因此設(shè)計(jì)常溫氫氣儲(chǔ)罐，這一過(guò)程的設(shè)計(jì)理念以及操作方法是保證液氫純度的關(guān)鍵。
與 LNG 不同，液氫一旦汽化，是不允許再次跟液體接觸或者再次液化進(jìn)入液氫系統(tǒng)。這就要求系統(tǒng)設(shè)計(jì)要盡可能簡(jiǎn)化操作流程，減少掃氣的次數(shù)，降低因系統(tǒng)復(fù)雜或者操作頻繁帶來(lái)的引入雜質(zhì)的風(fēng)險(xiǎn)。
現(xiàn)在從 LNG 到液氫系統(tǒng)設(shè)計(jì)越來(lái)越復(fù)雜，基于過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)無(wú)法滿足越來(lái)越苛刻的安全性的要求了，除了在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)給與充分的考慮，遵循常法規(guī)、規(guī)范的要求。還有一個(gè)關(guān)鍵性的方法就是風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與評(píng)估，這是一種科學(xué)風(fēng)險(xiǎn)管理方法。基于以往 LNG 評(píng)估的經(jīng)驗(yàn)集結(jié)合各種評(píng)估方法的特點(diǎn)，選擇了適合液氫分析的幾種方法，如表 2。
3 結(jié)論
本文基于以往 LNG/FSRU設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，但是又打破了LNG設(shè)計(jì)的技術(shù)。針對(duì)氫自有的特點(diǎn)展開(kāi)關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究，完成了貨物系統(tǒng)、管路系統(tǒng)、BOG處理系統(tǒng)，安全系統(tǒng)等關(guān)鍵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念。
從系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)看，液氫運(yùn)輸船跟 LNG 運(yùn)輸船的關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念有著很大的不同，液氫運(yùn)輸船的設(shè)計(jì)難度以及復(fù)雜程度都超過(guò) LNG 運(yùn)輸船舶，面臨的技術(shù)難題更多更復(fù)雜。
本文旨在就液氫運(yùn)輸船關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，得出初步的設(shè)計(jì)理念，對(duì)進(jìn)一步深入研究液氫運(yùn)輸船提供一定的指導(dǎo)。同時(shí)關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)計(jì)還不能止步于理論的設(shè)計(jì)層面，需要針對(duì)每一項(xiàng)具體的技術(shù)應(yīng)用采用實(shí)驗(yàn)與模擬相結(jié)合的方式來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性，這將在后續(xù)的設(shè)計(jì)中逐步展開(kāi)。
