LH2（液氫）運輸船關鍵技術研究

徐常安

（中國石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊 065000）

在碳中和國際大環境下，氫能源被認為是達成巴黎協會認定的關鍵能源之一，其廣泛應用有著巨大的潛力。液氫具有傳統能源不具備的特點：零污染、高密度、化學性質活躍、純度要求極高且來源豐富。氫能源的應用，離不開生產、儲存、運輸環節。在全球化大趨勢下，氫能源能否像傳統能源一樣可以大規模海上運輸成為其大規模應用的制約因素之一。相較于高壓氣態運輸，液態氫的運輸更具有優勢。液氫運輸船的研發顯得尤為迫切。為了搶占市場先機，抓住氫能源發展機遇，本文對液氫運輸船的關鍵技術進行了研究。液氫運輸船的關鍵系統技術的研究基于公司成熟的LNG/FSRU 設計技術，深入研究液氫特性，重點就貨物儲存系統、管路系統、蒸發氣（BOG）處理系統、安全系統進行了分析。

1 液氫特性分析

表1 氫氣跟甲烷特性對比

計理念上跟LNG 有了根本性的變化，從LNG 泄漏后的被動防御，轉變成液氫從根本上保證安全。液氫系統的設計需要綜合考慮其功能的可靠性與系統的安全性。

2 關鍵系統研究

2.1 貨物儲存系統

基于目前主流的液氫罐體在2500m3的數量級別，液氫船以2500m3的儲罐作為研究對象，進行研究?，F在的LNG 運輸船的儲罐多數采用金屬罐體（不銹鋼以及鋁合金）結合絕緣層的方式來儲存LNG，相對于LNG-163℃的溫度而言，液氫-253℃的低溫對于現有的LNG 保溫技術帶來了挑戰，液氫具對于汽化潛熱反應劇烈，其要求潛熱進入球罐的熱量效率降低到LNG 的1/10，也就還不高于0.01%/天的蒸發率。為了使液氫可以在長距離運輸中保存更長的時間，降低液氫的蒸發率，LNG 的保冷技術已經不能滿足液氫運輸的需要了。而采用真空保冷技術是一項可靠的選擇。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的是依靠雙層結構形成環形真空，采用真空絕緣保冷技術，環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塑料制成，這種設計可以在低溫與真空環境下保證絕緣性能與結構的強度。為了減少液氫以及氫氣暴露的風險，貨物罐的設計具有這樣的能力，能夠保證抵抗一個航次內累計的蒸發氣帶來的累計壓力和溫度的增加，這樣就可以盡可能的減少在運輸過程中處理BOG 蒸發氣引發的危險，但是這并不是不需要BOG 壓縮機，BOG 壓縮機仍然是蒸發氣的處理以及燃料氣供給的主要設備。

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。

圖1 球形雙層真空罐體

圖2 C 型雙層真空罐

2.2 貨物管路系統

貨物管路系統是液氫系統的主要工作系統，也是液氫裝卸載、BOG 系統流程圖設計的關鍵。管路系統由于系統接觸面較大，液體不穩定，傳熱量更大，考慮到液氫對于汽化潛熱的反應劇烈，且液氫的溫度大大低于液態LNG，傳統的LNG 保冷技術無法滿足液氫管路的保冷要求。為了盡可能減少潛熱進入系統，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，產生了內外兩層管壁，且內外層管壁的工作環境溫度相差極大，就產生了內外管壁的熱脹冷縮帶來的長度變化的影響，這對于雙壁管提出了更嚴格的要求。

2.3 蒸發氣（BOG）處理系統

由于目前技術的限制，在航行環境復雜的船舶上對性質活躍的氫氣可靠處理的技術還存在挑戰。在氫燃料應用方面，目前日本氫運輸船仍然采用成熟的柴電驅動技術，沒有采用液氫雙燃料技術。這部分是對于未來技術成熟后的氫燃料供給系統提供設計思路。隨著氫能技術的發展，以及氫氣大規模商業化運輸，這種方式也會逐漸采用。

與LNG 蒸發氣處理系統以及燃料系統設計部分功能類似，液氫BOG 處理系統主要包括一套BOG 加熱器，BOG 壓縮機，以及氫氣儲罐。由于液氫儲存罐體以及管線的保冷應用最新的技術，BOG 揮發率極低，按照1/10LNG 儲罐氣化率的要求，每天的汽化率僅為0.01%。液氫BOG 蒸發氣蒸發量小，無法滿足正常推進系統的燃燒。所以需要額外的蒸發氣來保證燃料氣的供應，這就需要配置一臺增壓泵，汽化器，來補充BOG 不足的部分。

不同于常規的LNG 以及FSRU 蒸發氣處理系統，液氫運輸船不需要采用噴淋泵再次液化BOG?？紤]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，是不允許在運輸船上經過處理后再次液化。所以液氫運輸船的設計盡可能的降低蒸發氣的產量，這也是要求液氫罐絕緣要求高的原因之一。另外系統專門設計業氫氣緩沖罐，作為氫氣BOG 壓縮氣的常溫儲存罐如圖3。氣體可以直接供給主機的燃料系統。另外一個重要的因素就是，緩沖罐儲存的氫氣也可以作為氣化儲罐的氣體。

圖3 液氫船舶用液氫供氣系統流程簡圖

液氫罐中的液氫經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，進入緩沖罐1，再經調壓裝置，調節至滿足下用戶的壓力。

液氫罐和泵池的蒸發低溫氫氣經加熱器升溫后，進入常溫氫氣壓縮機，儲存在緩沖罐2 中，等緩沖罐2 的壓力達到預定壓力，儲罐儲滿后，再經調壓裝置輸送給雙燃料發電機或者透平發電機。

2.4 安全系統

不同于LNG，液氫純度要求非常高，且在液氫儲存的環境下，采用LNG 系統常用的惰氣或者氮氣來惰化系統存在著很大的風險。在液氫零下253 度的情況下，幾乎任何存在于液氫的常規氣體都會變成固體。同樣，氮氣或者惰性氣體都會變成固體，從而產生了系統堵塞的危險。所以氫氣系統純度管理是非常重要的考慮。

液氫存在的管線，掃氣系統不再采用燃燒氣體作為掃氣，而是采用高純度的氮氣。盡管采用高純度的氮氣，考慮到液氫的純度要求高達99.999%的苛刻要求，氮氣進入系統也會變成固體，掃氣系統也需要高度重視。惰化流程是非常關鍵的環節，氮氣惰化罐體排出氧氣以及其他氣體后，需要用氫氣將氮氣置換出。因此設計常溫氫氣儲罐，這一過程的設計理念以及操作方法是保證液氫純度的關鍵。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入液氫系統。這就要求系統設計要盡可能簡化操作流程，減少掃氣的次數，降低因系統復雜或者操作頻繁帶來的引入雜質的風險。

現在從LNG 到液氫系統設計越來越復雜，基于過去的經驗無法滿足越來越苛刻的安全性的要求了，除了在系統設計時給與充分的考慮，遵循常法規、規范的要求。還有一個關鍵性的方法就是風險識別與評估，這是一種科學風險管理方法?；谝酝鵏NG 評估的經驗集結合各種評估方法的特點，選擇了適合液氫分析的幾種方法，如表2。

表2 風險評估方法

3 結論

本文基于以往LNG/FSRU設計經驗，但是又打破了LNG設計的技術。針對氫自有的特點展開關鍵系統設計研究，完成了貨物系統、管路系統、BOG處理系統，安全系統等關鍵系統的設計理念。從系統設計來看，液氫運輸船跟LNG 運輸船的關鍵系統設計理念有著很大的不同，液氫運輸船的設計難度以及復雜程度都超過LNG 運輸船舶，面臨的技術難題更多更復雜。本文旨在就液氫運輸船關鍵系統設計進行研究，得出初步的設計理念，對進一步深入研究液氫運輸船提供一定的指導。同時關鍵系統設計還不能止步于理論的設計層面，需要針對每一項具體的技術應用采用實驗與模擬相結合的方式來驗證設計的合理性，這將在后續的設計中逐步展開。