第08章 氢的输送与加注

1、第8章 氢的输送与加注本章主要内容1液氢储罐及压力容器2气氢及液氢管道输送3液氢输送管道的设计与计算4加氢站结构及车载加氢系统 8.1 车船运输按照输运时所处状态不同，可以分为：气氢（GH2）输送，液氢（LH2）输送和固氢（SH2）输送。其中前两者是目前正在大规模使用的两种方式。根据氢的输送距离、用氢要求及用户的分布情况，气氢可以用管网，或通过储氢容器装在车、船等运输工具上进行输送。管网输送一般适用于用量大的场合，而车船运输适合于用户数量比较分散的场合。液氢输运方法一般是采用车船输送。见图8-1未来的输氢方案的综合图解。图8.1未来的输氢方案的综合图解8.1.1 液氢储罐运输液氢生产厂至用户较

2、远时，一般可以把液氢装在专用低温绝热槽罐车内，放在卡车、机车或船舶上运输。利用低温铁路槽车长距离运输液氢是一种既能满足较大的输氢量，又比较快速、经济的运氢方法。这种铁路槽车常用水平放置的圆筒形低温绝热槽罐，其储存液氢的容量可达100m3。特殊大容量的铁路槽车甚至可运输120200m3的液氢。8.1.2 压力容器运输氢气也可以在高压下装储于压力容器中，放在长管车用牵引卡车或船舶中做较长距离的输送。在技术上，这种运输方法已经相当成熟。但是由于常规的高压储氢容器的本身很重，而氢气的密度又很小，所以装运的氢气质量只占总运输质量的1-2左右。它只适用于将制氢厂的氢气的距离并不太远而同时需用氢气量又不很大

3、的用户。目前，高压储氢技术发展很快，新型的储氢高压容器是用铝合金做内胆，外缠高强度碳纤维，再经树脂浸渍，固化处理而成。这种高压储氢要比常规的钢瓶轻很多，其耐压高达35MPa(近似350大气压)，是目前已商业化的高压氢气瓶，广泛用于燃料电池公共汽车和小轿车。压力高达70MPa的储氢瓶样品也已经问世，预计很快会商品化。35MPa储氢瓶的储氢质量占总运输质量已经接近5。8.2 管道输送8. 2.1 液氢的管道输送液氢除采用车船或船舶运输外也可用专门的液氢管道输送，由于液氢是一种低温(-250)的液体，其储存的容器及输液管道都带有高度的绝热性能，绝热结构会有一定的冷量损耗，因此管道容器的绝热结构就比较

4、复杂。液氢管道一般只适用于短距离输送。目前，液氢输送管道主要用在火箭发射场内。在空间飞行器发射场内，常需从液氢生产场所或大型储氢容器输液氢给发动机，此时就必须借助于液氢管道来进行输配。比如美国肯尼迪航天中心用于输送液氢的真空多层绝热管路。美国航天飞机液氢加注量1432m3。液氢由液氢库输送到400m外的发射点，发射场的254mm真空多层绝热管路，其技术特性如下：反光铝箔厚度10nm、20层，隔热材料为玻璃纤维纸，厚度160nm。管路分段制造，每节管段长13.7m，在现场以焊接连接。每节管段夹层中装有5分子筛吸附剂和氧化钯吸氢剂，单位真空夹层容积的5分子筛量为4.33g/L。管路设计使用寿命为5

5、年，在此期间内，输送液氢时的夹层真空度优于13310-4Pa。随着我国输氢工业的发展，液氢的输送管道也得到了应用。图8.2示有一种具有弹性的真空夹套连接软管的液氢输送管段结构。而图8-3为 一种弹性的绝热LH2输送软管的结构图8.2 一种采用真空夹套的液氢输送管道的结构示意图1,2-接头；3-法兰；4-真空泵的管接头；5-波纹管；6-外管；7-内管；8-吸附筐；9-隔离支架图8-3 一种弹性的绝热LH2输送软管的结构1-定位环；2-阀头；3-焊接环；4-外管；5-金属网；6-支架；7-接头；8-焊接环；9-固定环；10-法兰；11-外波纹管；12-内波纹管；13-内管；14-吸附剂；15-外套

6、管；16-法兰；17-管接头当采用液氢管网的输氢技术时，液氢输送管路的设计及结构布置对管网的投资与安全运行有着重要的影响。液氢输送管的设计必须满足多方面的要求：（1）在满足安全距离和用户要求的前提下，液氢输送管要尽量做得短些。这样，一来可以减小能量损失，其次还可简化管道结构与布置工艺，减少投资费用；(2)液氢在输送管内应尽量保持单相流动，以免出现两相流时的复杂流动状态和损失；(3)液氢输送管道的漏热损失应尽可能要小。为此需对外界环境采用高级的隔热技术，如采用高真空内夹套或真空多层绝热的夹套；(4)液氢进入输氢管之前，需将正氢绝大部分转换成仲氢，以减少输氢管中正、仲氢转换所引起的能量损失。 在设

7、计液氢输送管时，通常可以把液氢输送率、输送距离、液氢的进口温度与压力、液氢的过冷度、周围的环境条件以及液氢储罐的容量等等作为已知的参数条件，然后，根据许可的能量损失和单相流动的制约条件，求出输送管道的最佳直径。最后，再根据管道运行与布置条件完成结构设计。 一般，液氢输送管多采用等截面的圆管。它由内、外两个同心套管组成。两套管之间的环形空间抽成高度的真空(p10-10MPa)。两段输氢管之间可以用波纹管连接。管道中配备有弹性软管、抽真空阀门、特制的卡口及管子插座等等。管子及其所装插的管道零件都必需保证管内、外之间有高度的密封和绝热。整个管道要能够随温度变化自由胀缩。液氢输送管道的设计与工艺要求都

8、是十分精细的。 为了降低近距离输送能量的成本，最近，有学者提出了所谓“超导输能管”的概念。在这种输能管中，把液氢的输送跟远距离电的输送放在一根共用的缆管中进行。这种特制的电线管就是所谓“超导输能电缆”(参阅图8-4)。由于液氢的温度很低。使电缆也受到深度的冷却。在这样液氢级的深冷温度之下，某些金属和合金的电阻大大降低，并使它们变为超导体。因为一根电缆可输送的能量限制在7GJ/h左右，但是一根90cm的输氢管道，在最佳的条件下可以输送约3倍于这一数值的能量。所以，采用液氢和电力的共同输送可以节省投资费用，并增大输送的能量。图8-4 两种设想的输能管的剖面图1-外壳（钢）；2-超绝缘材料；3-内管

9、（深冷）；4-热及电的绝缘；5-衬有德氟隆的深冷内管；6-用绝缘体隔开的两个管材导体；7-支持电线8.2.2 气氢管道 氢气的长距离管道输送已有60余年的历史，最老的长距离氢气输送管道是在1938年德国鲁尔建成。在德国菜茵-鲁尔工业地区中赫尔(Hull)化学工厂建立的总长达208km的氢气输送管道是世界上第一条输氢管道。其输氢管直径在15-30 cm之间，额定的输氢压力约为2.5MPa。输氢管材采用普通的钢管。运行安全和良好。“氢能经济”的概念最早于20世纪70年代被提出，意在以大规模的氢气管网代替现有的电力输送管网，进而以氢气代替电成为未来能源系统中能量输送的理想载体。美国普林斯顿大学的奥格

10、登(Ogden)等人曾提出，通过氢气管网进行长距离能量输送的成本比通过输电线的成本要低得多。 大约在1800年就有用管道将城市煤气输送到各家各户的先例。城市煤气含有约50的氢和5的CO。现在美国有720km的输送氢气的管道，主要在美国加州海湾地区，氢气输送的造价比天然气贵，见表8-1、表8-2。表8-1 目前氢气管道和天然气管道的比较表8-2 高压氢气与LH2的比较目前，氢气管道使用的直径都不大(多数直径d200mm)，输氢压力不高(p7MPa)，管道输送距离并不很长(最长的为208km)，故中间不设氢气加压站，而输氢管道的最佳工作参数的选择是与中间加压站的配置情况有关。假如输送氢气的距离较长

11、，则通常每隔160km就要设置一个氢气加压站，这将使输氢成本大为增加。在发达国家中，一般中、大城市都有现成的煤气或天然气输送管网。因此，如何改造和利用现有的煤气或天然气管网使之输送氢气也是一个有用的研究课题。在设计输氢管道时，参考煤气管道的设计和使用经验非常有益的，氢气和煤气或天然气有着不同的理化性质，这在设计管道时必须加以考虑。从第二章氢气的性质讨论中可以看出，氢的容积燃烧热只有天然气的1/3左右。因此，要在输氢管道中通过同等能量，输氢时采用的氢气工作压力要比输送甲烷时的压力高得多。但是，由于氢的压缩性较大，在10MPa之下，氢的压缩性系数要比甲烷的大1.25倍，而氢气的粘性较小，故输氢的工

12、作压力可以得到一些减轻。假如两者按相同的输送成本来估计， 则输氢的工作压力至少要达到14MPa的水平。采用这样高的输氢管道压力，就得对管道材料作慎重选择。利用现成的天然气管道系统来输送氢气，只能供应相当于原来输送甲烷能量的29%左右。要想达到原来管道的输能容量，则管道压力、压缩机功率和容量都必须加大。但是，要提高原天然气管道的工作压力则是不能容许的，因为这会超出原来管网材料的许用极限强度。所以，用现成的煤气管道输氢，其使用的工作参数不可能达到最佳的匹配状态。 在设计一个新的氢气管道系统时其工作参数可以通过以下一套方程系统来确定。(1)能量方程式 （8-1）式中为单位时间的输能量或能量的传输率，

13、GJ/h；Hu为氢气的低热值，GJ/kgH2，G为氢气的质量流率，kg/s。(2)流量方程式 稳定管道流的流量守恒方程 （8-2）式中V为氢气的比容，c为气体的流速；F为管子截面积。因为对可压缩流体，气体的比容V可以从下列状态方程解出(状态方程) （8-3）其中Z为氢气的压缩因子，R为气体常数；T及p为氢气的工作温度与工作压力，气体的流速c可以写成跟流动马赫数M（流场中任一点的流速与当地音速的比值，称为该点气流的马赫数以M表示）及音速a或气流工作温度T的关系： （8-4）这里k为比热比(或称绝热指数)，kcp/cv，对于等截面的圆管，FD2/4，其中D是管子的直径。把这些关系及式(8-3)、(

14、8-4)代入式(8-2)，得管道中的氢气流量G跟管径D及工作参数之间的关系为: （8-5）(3)压缩机的功率方程式 （8-6） 此处N为管道输送氢气所消耗的压缩功kW，k为压气机的压缩效率、为输氢管道或(两个相邻)压气机站之间的管道进、出口压力。 (4)压损方程式 （8-7）式中Re为管道中氢气的流动雷诺数，,为氢气的粘度。为管道内壁的粗糙度。f是管道的压损因子，它跟管道压损有如下的关系 （8-8） 式子右边的L/D为无因次管道尺寸，它可由下式求出(5)无因次管道尺寸方程式 （8-9）上式中L为输氢管道的长度或两个输氢压缩机站之间的管道长度，通常可以km或m来表示；L/D是管道的长径比，它是一

15、个无因次的数字。式（8-1)(8-9)中包含着输氢管道的输能量和输氢量G跟管道尺寸L、D 及管道中工作参数之间的关系。给定了一些已知的参数，如当输能量、工作温度T，进口压力P2，两压气站之间的压力降以及管道输送直径D等都为已知时，则管道的输送长度入以及压气机的输氢压缩功率等就可按以上方程求出。 输氢管道的直径D是管道优化设计中的一个重要参数。它跟管网的工作特性、输送能量以及管网的投资费用等等都有直接关系。如果把D作为一个待确定的数量，则可把输氢管长度L作为已知数看待。总之，以上这套方程式应当作为封闭系统用计算机求解。 以上这套确定管网系统特性的方程式也是今后确定输氢成本的基础。8.3 输氢管道

16、的材料输氢跟输送其他的流体燃料有许多不同之处。首先，氢的化学性质比较活泼，渗透能力强，容易和金属发生作用，产生氢脆现象。这样，在输氢过程中就会出现材料的匹配问题氢脆并非在一切情况下都能发生。管内的分子氢在正常温度和不高的压力下(p14MPa)是情性气体，多数不具有侵蚀作用。但当管道中有原子氢存在时，原子氢会穿透钢的晶间，发生所谓“晶间脆”。非常纯净的氢会侵蚀金属表面。几乎所有观察到的氢脆现象都是在纯氢作用的情况下发生的。例如，在美国的宇航应用中，液氢杜瓦罐中挥发的氢气，侵蚀过这种容器的焊缝，造成氢的环境脆化。 当然，金属在氢作用下的侵蚀程度是与金属本身的性质(包括其组成)、所受的应力、氢中所含

17、的杂质以及工作条件等有关。因此，在选用输氢装置的材料时，需要考虑金属的成分、金相组织、强度等级和可焊性等等技术性能，而材料的价格也是一个重要的衡量指标。 成分会改变钢的脆性倾向。例如，增加钢中锰的含量是有害处的，它会使应力强度降低。不锈钢在氢环境中对成分也非常敏感。对于钢来说，材料的金相组织也是一个重要的指标。从氢装置的用材观点出发，抗氢能力最强的是淬火加回火的马氏体；较差的则是正火后的珠光体或铁素体，最差的是不回火的马氏体。但是应当指出，大部分管道用钢和压力容器都采用正火组织。合金钢与此不同，它们对金相组织的依赖性不甚明显。材料的机械强度等级对氢脆也有影响，当强度的级别提高时，脆性就会显得严

18、重。强度低于7000kgmm2的钢，没有明显的脆性，但其中也有些例外，这是因为其他方面因素的复合影响。管道连接和压力容器的用钢，目前几乎都采用焊接。因此，钢材或合金对焊接的适应性及其焊接接头对氢的敏感性具有相当重要的影响。管道焊缝的焊接不良，产生裂纹，就容易引起氢脆和管道的漏氢事故。对于大型的结构，加管线等等，材料费用也是一个决定因素。在有些情况下所选用材料的维修费用有时也非常重要。 从使用的经验来看，低碳钢具有良好的使用记录。某些不锈钢也不易感受氢的侵蚀，而镍或钛合金反而易受侵蚀为了防止发生灾难性事故，在某些情况下可以选用价格较贵的材料。但是，不能轻易地选择钛合金或不锈钢去取代传统用钢。 对

19、于深冷的液氢输送管道，除了使用传统的不锈钢材之外，有时还用复合材料或玻璃纤维等复合塑胶制品。 塑料主要用于密封、阀座、隔离支架及绝热层材料等等。例如：聚四氟乙烯，三氟氯乙烯等常用作软的阀座和阀杆的密封材料。8.4 输氢成本（了解） 花费于输氢和配氢的成本是跟输氢方式、输氢的能量、输氢的距离以及各国的具体经济和物价等情况有关。但是，总的说来也有它的共同影响因素和规律。 以输送氢气为例，其管道的输氢费用是由下列几部分费用所组成:1) 管路费用管路费用Cpt$/km是由四部分费用组成，即:i)管道材料的投资费用Cpw，它等于A1Wp。其中A1为每吨管材的价格费用（$/t）,Wp为每公里管材的重量（t

20、/km）；（）管路装设费用CPI=A2d。其中A2为单位管径和每单位管路长度的装设费用，其单位是（$/cmkm），d为管子的直径（cm）；（ ）管子包衬费用Cpc=A3d。它包括管外抗腐蚀包料及衬套的包扎费用。其中A3为消耗于每cm管径每单位管长的比包衬费用，其单位是$/ cmkm，d为管径（cm）。（）输氢管道过境所需的道路占用费Cpr。最后，总的管路费用是以上四部分费用之和: （8-10）这里，管路费用的单位是$/km。（2)消耗于输氢站的泵氢费用 泵送费用是由两部分费用所组成，即（）泵送站的动力投资费用Cps，它等于每kw功率泵站的比动力投资费用E1（$/kW），乘以压气机站的总功率数N

21、k（kW）。（）泵送站的投资费F1d, 其中F1为按每单位管径长度来折算的泵站投资费用，$/cm。因此，花费于输氢站的泵送投资费用为 （8-11）（3）输氢泵站的比燃料消耗费用它是用符号Cf来表示。此一费用与燃料的价格CF（$/GJ）F、输氢压气机站消耗的功率Nk等有关。 （8-12） 其中t-w为压气机站的燃料的热功转换效率; E是每小时通过管道输送的氢能量，GJ/h；L为两个相邻压气站之间的间隔距离（km）。这样，总的输氢成本Ct，其单位采用$/GJ100km可以表示为： （8-13）上式中FCR为每年分摊于管道投资的费用比例数。Kp为输氢管道系统的负荷因子，Kp可取0.9。根据具体管道系

22、统，以不同的系数及特性常数代入式(8-10)(8-13)，就可求出输氢成本Ct及其跟输氢距离L与输运氢能量E的变化关系曲线。图8-5中示有几种燃料的管道输送费用Ct$/MJ100km跟每小时管道输能量E，GJ/h之间的变化关系。从几条曲线的对比中不难看出：氢气(曲线2)的管道输送费用要比同样输能量下输送天然气的费用几乎贵3040%。对于同一被输送的气体来说，随着管道输能量的增加，其输送费用就可以降低。图 8-5 几种不同燃料的管道输送费用与输送能量之间的关系1-O2；2-H2；3-天然气；4-氨 欧洲经济学家曾经对氢的输配成本进行过估计，其结果见表8-3。从该表的大致估计中可以发现：液氢的公路

23、和铁路运输，从能量的输送费用上要比氢气的管道输送来得便宜。特别是在长距离、大容量的输氢要求下，管道的绝热、防漏以及加压等技术都并不容易做得很好，所以管道输送并不一定比公路、铁路输氢来得经济。 表8-3输氢成本的估计(按1978年价格估计，$/GJ)液氢的远距离运输看来以采用远洋轮船的方法最为合算。Giacomazzi.G曾经对洲际间的液氢运输成本进行过计算。计算的方案是；以水力发电价格非常便宜的加拿大作为氢的生产基地。电解制氢生产的氢气约有1/3左右的标准体积转化C7H8和C7H14形式的液体氢化物，其余2/3左右的气氢深冷成为液氢。这三种液体燃料分别用储箱装载于载重量为7800t到50000

24、t(相当于装载LH2(11.774.9)106Nm3)的大小远洋货轮上，然后运到欧洲。这样，按照1988年初的货币价格计算，其输运液氢的费用在(2446)$/103Nm3 H2)之间，即平均只有0.02$/Nm3H2。其中，高的数值属于低载重量的轮船，而低的输氢成本则是属于载氢量大的船运场合，所以，跟石油一样，当大规模用氢时代到来之时，液氢或氢气也可以用选择船舶作洲际间的输运。 8.5. 氢的加注8.5.1 加氢站介绍 燃料电池汽车是当前研究的热点，而氢气加注设施（加氢站）是燃料电池汽车发展的重要支撑。2003年底在美国成立的由15个国家和欧盟参加的氢能经济国际合作伙伴(IPHE)是政府间组织

25、，其目标之一就是到2020年，要建成遍及世界各地的加氢站。目前的加氢站主要集中在欧美和日本，采用的燃料形式主要分为液氢和压缩气体氢气。多数氢气加注需要利用高压氢气为原料，即压缩氢气的加氢站。此类加氢站主要包括气体输送和在站制氢两种。在站制氢主要有两种方式：天然气水蒸气重整和水电解制氢。目前国外已有的加氢站主要以水电解制氢为主，少部分采用天然气水蒸气重整制氢。各种制氢工艺中，以天然气现场制氢的经济性最好，电解水制氢次之。考虑到燃料电池汽车对氢气质量的苛刻的要求，目前国外已有的加氢站主要以水电解制氢为主。8.5.2系统及主要设备（了解） 一个标准的氢气加注站系统的基本构成为：氢源(输送或站内制氢)

26、、氢气压缩机、储氢罐、加注器，此外还有高压阀门组件和安全及控制系统等。基本流程如图8-6所示。图8-6 天然气重整氢气加注站系统流程示意图 现在的天然气交通工具通常将以压缩的形式储存在20.724.8MPa的压力下。然而，由于氢气的密度比较低，以氢为燃料的燃料电池交通工具要求在更高的压力下压缩储存氢气，如34.5MPa或更高，以便储藏系统可以更容易安装在交通工具中。氢气加注器是一个相对独立的装置，类似于CNG加注器，但操作压力更高，安全措施更复杂。以水为原料的加氢站结构和天然气重整加氢站相比要简单的多。氢气压缩机、加注站、储氢系统、氢气加注系统与其基本相同。8.5.3 加氢站安全 加氢站的安全特别重要。为此，应该注意以下几点：(1) 加注氢系统必须没有可靠的防静电设施，防止因产生静电引起着火爆炸事故。(2) 加注氢系统的设备、管道及附件应有可靠的防渗透、泄漏措施。(3) 加注氢气的场所应设可靠的排风装置，及时排除泄漏的氢气；(4) 加注系统及场所的所有电器按有关规范、标准防爆，(5) 按有关规定、标准设置必要的防雷保护设施；(6) 足够的加注场地和防范措施，防止加注车辆意外损坏加氢设备或管线。8.5.4 燃料电池汽车上的供氢系统 燃料电池电动汽车 陈全世 仇