集裝箱碼頭氫燃料電池輪胎式門式起重機(jī)氫氣加注方式

蔡佳俊 周超群

1 上海振華重工(集團(tuán))股份有限公司 2 上海港口機(jī)械工程技術(shù)研究中心

1 引言

集裝箱碼頭堆場(chǎng)區(qū)域的裝卸設(shè)備以輪胎式集裝箱門式起重機(jī)(以下簡(jiǎn)稱輪胎吊)為主，傳統(tǒng)的輪胎吊動(dòng)力來源是柴油發(fā)電機(jī)組，主要存在兩方面的問題：一是輪胎吊機(jī)構(gòu)制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的再生能源通過制動(dòng)電阻消耗，能源利用率低；二是由于采用了大功率的柴油發(fā)電機(jī)組，待機(jī)和工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的二氧化碳和有害氣體排放，嚴(yán)重污染環(huán)境。為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，在輪胎吊上使用氫燃料電池系統(tǒng)，取代了傳統(tǒng)柴油發(fā)電機(jī)組，達(dá)到了真正意義上的零碳排放[1]。由于當(dāng)前氫能在港口行業(yè)的使用基本處于空白階段，氫能的利用還有很多問題需要研究，通過分析現(xiàn)有的條件，探索適合氫燃料電池輪胎吊的氫氣加注方式。

2 加氫站供氫系統(tǒng)加氫原理

目前，國(guó)內(nèi)的加氫站主要采用運(yùn)氫管束車運(yùn)輸?shù)臍錃庾鳛闅庠矗ㄟ^壓縮機(jī)將氫氣加壓，存儲(chǔ)至站內(nèi)的高壓儲(chǔ)罐內(nèi)，當(dāng)需要加注氫氣時(shí)，通過氫氣儲(chǔ)罐對(duì)設(shè)備進(jìn)行降壓加氫。由于管束車內(nèi)氫氣的初始?jí)毫χ挥?0 MPa左右，低于儲(chǔ)罐壓力45 MPa，供氫系統(tǒng)必須采用壓縮機(jī)持續(xù)從管束車取氫向儲(chǔ)罐補(bǔ)充。供氫系統(tǒng)加氫原理見圖1。

圖1 供氫系統(tǒng)的加氫原理示意圖

系統(tǒng)工作原理如下：

(1)系統(tǒng)保壓，當(dāng)1級(jí)或2級(jí)45 MPa儲(chǔ)罐壓力低于設(shè)定值時(shí)，壓縮機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)給該儲(chǔ)罐加壓，使系統(tǒng)壓力始終保持在設(shè)定值以上。

(2)加氫過程，當(dāng)加氫過程中45 MPa高壓儲(chǔ)罐壓力低于設(shè)定值時(shí)，優(yōu)先給該儲(chǔ)罐加壓，保證高壓儲(chǔ)罐在較短時(shí)間內(nèi)充氫高于35 MPa，確保用氫設(shè)備能加到35 MPa的壓力。當(dāng)系統(tǒng)持續(xù)加氫致使高壓儲(chǔ)罐內(nèi)的氫氣壓力低于35 MPa時(shí)，高壓儲(chǔ)罐氣動(dòng)閥自動(dòng)關(guān)閉，壓縮機(jī)直接為用氫設(shè)備充氫；當(dāng)設(shè)備壓力增加至35 MPa后，停止加氫，系統(tǒng)繼續(xù)給高壓儲(chǔ)罐增壓至45 MPa。

3 集裝箱碼頭常用加氫方式

隨著氫燃料電池汽車的商業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程不斷加快，與之配套的加氫站也在大力的建設(shè)和發(fā)展。傳統(tǒng)的加氫站氫氣加注方式一般可分為兩種，一是采用內(nèi)供氫氣的加氫站方式；二是采用外供氫的加氫站方式。結(jié)合碼頭設(shè)備的特點(diǎn)，對(duì)以上兩種加氫方式進(jìn)行分析。

3.1 碼頭內(nèi)建加氫站方式

在碼頭內(nèi)建設(shè)加氫站是港機(jī)設(shè)備利用氫能的終極目標(biāo)。加氫站內(nèi)有制氫設(shè)備，可自行生產(chǎn)氫氣，經(jīng)過壓縮后實(shí)現(xiàn)對(duì)港機(jī)設(shè)備氫氣的加注。因其無需依靠外部氫氣來源，使用便利性更好，且因?yàn)榕懦藲錃獾倪\(yùn)輸成本，其使用成本更低。碼頭內(nèi)建加氫站的主要技術(shù)路線一般有2種[2]，一是天然氣重整站內(nèi)供氫，二是電解水站內(nèi)供氫(見圖2)。由于這2種制氫供氫的技術(shù)安裝方便，自動(dòng)化程度高，是當(dāng)前主流的兩種站內(nèi)制氫方式，技術(shù)上特別適合碼頭內(nèi)建設(shè)。不過，以上加氫站內(nèi)制作的氫氣一般還要經(jīng)過純化、干燥后加壓存儲(chǔ)至儲(chǔ)罐才能加注。其氫氣的價(jià)格由天然氣價(jià)格或電價(jià)、設(shè)備維護(hù)成本、基建成本等決定。

圖2 碼頭內(nèi)建加氫站的2種主要制氫供氫方式

以上2種碼頭內(nèi)建加氫站技術(shù)的對(duì)比見表1。

表1 2種碼頭內(nèi)建加氫站方式的對(duì)比

碼頭內(nèi)建加氫站對(duì)大規(guī)模港機(jī)設(shè)備加氫是很好的方案，然而其建設(shè)時(shí)間長(zhǎng)、成本高、投資回報(bào)慢，對(duì)于短期內(nèi)小批量試驗(yàn)性設(shè)備的加氫是不適合的。

3.2 碼頭外供加氫方式

碼頭外供加氫方式?jīng)]有制氫裝置，氫氣通過運(yùn)氫管束車、液氫槽車或者附近制氫廠的氫氣管道運(yùn)輸至碼頭，再由壓縮機(jī)加壓存儲(chǔ)至高壓儲(chǔ)罐內(nèi)存儲(chǔ)，需要加氫的時(shí)候通過加氫機(jī)加注到設(shè)備上使用。碼頭外供加氫方式按照氫氣來源主要可分為管束車站外供氫(也稱高壓外供氫加氫站)、液氫槽車站外供氫(也稱液氫外供氫加氫站)和管道站外供氫(也稱副產(chǎn)氫管道外供氫加氫站)3種形式，見圖3。

圖3 碼頭外供加氫方式示意圖

其中，管束車站外供氫由于其基礎(chǔ)設(shè)施成本較低，適合小規(guī)模加氫站，不過其運(yùn)輸成本較高，氫氣的價(jià)格取決于運(yùn)輸距離。液氫槽車站外供氫預(yù)計(jì)將成為未來主流的供氫形式，但由于我國(guó)液氫技術(shù)尚未大規(guī)模普及，目前應(yīng)用還有困難。管道站外供氫可充分利用工業(yè)副產(chǎn)氫，氫氣的成本較低，不過受地域限制。以上3種外碼頭外供加氫方式的對(duì)比情況見表2。

表2 3種碼頭外供加氫方式的對(duì)比

4 集裝箱碼頭加氫方案選擇

本項(xiàng)目氫燃料電池輪胎吊在市場(chǎng)首次應(yīng)用，屬于小批量試制，暫不能按照規(guī)?；a(chǎn)定性?？紤]到目前暫不具備在碼頭內(nèi)建設(shè)加氫站的政策依據(jù)，且不具有在碼頭內(nèi)大規(guī)模建站的需求，選擇了碼頭外供加氫方式。

結(jié)合輪胎吊自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用移動(dòng)式的加氫方式。與氫氣管束車直接加注不同，本項(xiàng)目的氫氣存儲(chǔ)設(shè)計(jì)成可拆卸式供氫系統(tǒng)，采用2組165 L×6的移動(dòng)儲(chǔ)氫瓶組(見圖4)，接口采用快拆形式，罐組下部設(shè)計(jì)有定位裝置，便于快速更換和定位，拆下的瓶組可運(yùn)輸至碼頭外的商業(yè)加氫站進(jìn)行加氫。

圖4 移動(dòng)儲(chǔ)氫瓶組示意圖

移動(dòng)儲(chǔ)氫瓶組的規(guī)格見表3。

表3 儲(chǔ)氫瓶組參數(shù)

儲(chǔ)氫瓶組在氫燃料電池輪胎式吊上的安裝示意見圖5。這樣設(shè)計(jì)無需在碼頭內(nèi)由壓縮機(jī)將氫氣加壓并存儲(chǔ)進(jìn)高壓儲(chǔ)氫瓶，也無需在碼頭內(nèi)安裝加氫機(jī)。氫氣用完后可快速拆下空瓶組，并將充滿氫氣的罐組換上，整個(gè)過程約為10～15 min，滿足碼頭作業(yè)需求，拆下的空瓶組運(yùn)到碼頭外的商業(yè)加氫站加氫備用。

1.燃料電池系統(tǒng) 2.儲(chǔ)氫系統(tǒng)外部框架 3.儲(chǔ)氫瓶組圖5 燃料電池系統(tǒng)在設(shè)備上的安裝

為保障氫氣使用安全，考慮多次插拔后由于接頭松動(dòng)而存在氫氣泄漏的情況，在氫氣快速插拔接口上方安裝了氫氣濃度探測(cè)器，自動(dòng)檢測(cè)是否有泄漏，保障設(shè)備用氫的安全。單組165 L×6的移動(dòng)儲(chǔ)氫瓶組，可儲(chǔ)存氫氣約25 kg，可為整車提供約350 kWh電量。按照輪胎吊耗電量30 kWh估算，單次加氫氣可持續(xù)運(yùn)行約12 h。

5 結(jié)語

氫氣加注的便利性是氫能利用的重要指標(biāo)，在參考國(guó)內(nèi)外加氫工藝流程的基礎(chǔ)上，結(jié)合碼頭實(shí)際情況和需求，采用移動(dòng)氫燃料加注方式，能夠保證氫燃料電池系統(tǒng)正常安全工作。

隨著雙碳目標(biāo)下各地出臺(tái)相關(guān)氫能發(fā)展的有效措施，集裝箱港口建設(shè)加氫站及相關(guān)配套設(shè)施已經(jīng)在逐步策劃中，輪胎吊、集卡、叉車等以傳統(tǒng)燃油為能源的相關(guān)設(shè)備必將進(jìn)行綠色升級(jí)，屆時(shí)氫能在港口的應(yīng)用會(huì)越來越普及。