海上大规模液氢运输及储存技术研究.docx

第十一届全国低温工程大会论文集225海上大规模液氢运输及储存技术研究徐元元，陈虹，邢科伟，高旭(航天低温推进剂技术国家重点实验室，总装备部工程设计研究总院，北京100028) 摘要：氢的储存、运输具有其特殊的内在规律及技术要求。本文对国外液氢海上储运的研究现状进行了介绍，并基于船运LNG的技术对大规模液氢运输船的初步概念设计、储罐绝热系统技术以及储罐支撑系统等3个方面展开的研究工作进行 了论述。关键词：液氢；海上运输；储罐设计Investigation on american largesca：Ie transportation and storage technology of liquid hydrogen on the seaXu Yuanyuan，Chen Hong，Xing Kewei，Gao XU(State Key Laboratory of Technologies in Space Cryogenic PmpeUants，Center for Engineering Design and Research under the Headquarters of General Equipment，Beijing 100028，China)Abstract：There are special inherent laws and technical requirements for storage and transportation of hydrogenThe paper pres- ents the current study of foreign country on transportation of liquid hydrogen on the seaBased Oil shiploading LNG technology，the paper describes the preliminary conceptual design of ship for la理声一scale transportation of liquid hydrogen，technology of thermal imu lation system of storage tank，and support system of storage tankKeywords：Liquid hydrogen，Transportation on the sea，Design of storage tank现，使用运载能力超过20万m3的大型船载运输液l引言氢是适合21世纪对能源的发展需求的。本文主要氢被认为是2l世纪将广泛使用的重要能源之对建造此类大型液氢运输船的技术难题进行探讨。 一，其具有资源储备丰富、燃烧产生的热量大、制造2国外研究概况方法多、经济效益高、燃烧产物环保等优点。目前，随着有限的化石能源正在逐渐减少，氢能源的种种 21液氢运输船 优点更为凸显。综合各方面的因素可以表明，氢能加拿大和欧洲在共同撰写的氢能开发计划 源具有巨大的应用潜力，可以为人类社会可持续发 (EuroQuebec HydroHydrogen Pilot Project)中 展提供重要支撑。提出，计划将液氢从加拿大运往欧洲。报告重点对通过船载运输液氢是目前世界范围内分配氢在甲板上设置多个液氢储罐(总容积达15万m3) 能源的一种常用、有效的方式。这种运输方式具有这种船运方式进行了调查研究。 运输成本较低、运载量巨大以及可以远距离投送的据报道，德国针对未来液氢海上大规模储运已优点。根据世界能源发展的趋势和我国对氢能源 经展开了对总容积为12万m3的大型液氢运输船 日益增长的需求，展开关于海上大规模运输液氢方的研究工作。除小水线面双体运输船、氢集装箱货 面的研究具有紧迫而重要的现实意义。 运船等船体结构未涉及外，研究报告对多种类型的 目前所进行的研究是基于一种船载液化天然液氢运输船的船体结构形式进行了比较说明，但其 气(LNG)储罐系统储运技术，如菱形和球形储罐设 中有关液氢储罐与绝热系统的技术细节在报告中计，以这种方式对储罐设计进行拓展，可以较好地 均未说明。 盛载和运输液氢。研究过程主要分为3个阶段。22液化天然气运输船 首先，制定研究计划，进行基础性研究；其次，通过液化天然气运输船是一种可用于储存与运输 综合分析国外进行的试验性规模的模型测试，研究 沸点温度为一163。C的液态天然气的特殊货船，其 相关基础技术；最后，探索与论证关于液氢储罐建 最大特点是所运输的货物为低温液体。这就对相 造方面的可行性技术。目前，通过前期的研究发 关的运输储罐、罐体绝热和储罐支撑等系统提出了226低温与超导新的要求。此外，伴随低温液体储运所带来的二级 运输船来说，使用双体船可以作为一个备选方案。 屏障概念、船体结构强度、液化天然气蒸发后的处对于储罐材料，液化天然气储罐使用的不锈钢 理等也需要进行全面的考虑。或铝合金材料基本可用于液氢储罐。这是因为即1959年，Methane Pioneer号运输船首次装载液 使在一253，这些材料仍有良好的抗低温脆性。 化天然气实施海上运输，该运输船配备有自支撑系 但是，还必需进一步开展所选材料在液氢温度下的 统的菱形铝制储罐，货舱容量5000m3。1964年， 疲劳和断裂强度的详细研究和实验工作。Methane Princess号和Methane Progress号运输船通过对液化天然气技术的归纳总看出，液氢运 (货舱容量274万m3)随后也采用相同形式的低温输船的设想在总体上是可行的，但鉴于液氢自身特 储罐进行液化天然气的运输。为了扩大运输规模殊的热物理性质，仍存在如下两个技术难题： 同时降低液化天然气运输成本，研究人员又研发出(1)液氢的温度非常低。与液化天然气相比， 一种薄膜型液化天然气运输船，并投入实际应用。对液氢的绝热方法需要更加复杂的技术方案，如真 到二十世纪七十年代，货舱容量88万m3Moss球空堆积绝热系统、真空多层绝热系统等。与运输液 形液化天然气储运系统也研制成功。随着液化天 化天然气相比，运输液氢过程中，罐体冷收缩现象 然气船载技术的不断发展，液化天然气运输量得以更为严重，增加了罐体结构设计的难度。逐年增加。1985年，日本研发出自立方型储罐(2)液氢的密度非常小。对于罐体强度来说，(SPB)，该型储罐为具有自支撑的菱形储罐。1993这是一个很好的属性。但由于密度低大大减轻了 年，2艘大型SPB型液化天然气货船投入商业应用。船体压载、减少了排水量，而从船舶设计角度来说， 2007年，全球货舱容量最大216万m3的LNG货要想利用小排水量提供足够的吃水线非常困难。 船投入使用。表1液氢和液化天然气特征数据独立型储罐结构与薄膜型货舱结构相比，由于液化天然气其罐体钢板更厚，降低了液化天然气在罐体钢板以内容液氢(甲烷)备注及焊缝处泄漏的可能性，且利于提高储罐的绝热沸点一2530 oC一1630性能。密度710 kgm4240 ksm3沸点23小结汽化潜热4470 kJkg5100 kJks沸点液氢船运技术的研发可较多借鉴已有的液化爆炸极限476515大气压142060 kJkg56000 kJkg气态天然气船运技术。液氢与液化天然气相比，有许多较高燃烧12770 kJm345920 kJm3(0。C，latm)不同特点。氢的特有属性对液氢储罐的设计具有热值10086260 kJm3 23744000 kJm3液态很大的影响。表1给出了液氢与液化天然气的某些物性数据。比较沸点温度可以看出，液氢的温度3液氢运输船的概念设计比液化天然气的温度低约90K，液氢温度下的氧和氮均会冻结。为了使船只的螺旋桨能够有效浸入基于现有文献的调研，可以对带有菱形和球形 水面并在海上航行时具有良好的机动性，船只航行 储罐系统的液氢运输船进行初步概念设计。 时需保持一定的吃水线。由于液氢的密度仅为液 31设计要求 化天然气的六分之一，这使得船只在运输相同体积在液氢运输船的概念设计阶段，需要重点关注 的液氢时，所装载的低温液体质量相比较液化天然如下几个重要的设计要求： 气要小很多，给船体设计带来了一定困难。 (1)储罐的装载能力：一台100万KW级的发此外，低密度使单位容积液氢的潜热仅为液化 电站每天消耗1200t的液氢。考虑运输损失，其所 天然气单位容积潜热的七分之一，且液氢的温度与 需的储罐装载能力约为14000t。对于一个20万m3 周围环境的温差约为液化天然气的15倍，使得在 的运输船来说，如果1次往返航程是20天，即每10 相同的环境温度下液氢比液化天然气更易于蒸发。 天需使用两条运输船装载运输。(2)储罐的数量： 计算结果显示，液氢的蒸发速度约为液化天然气的 考虑到罐体布局对运输船航行时平衡性的影响，管 10倍。因此，为了提高运输效率和经济实用性，应 线的装配以及破舱稳性等，对于球形罐运输船可采优选大型储罐以及速度更快的运输船。对于液氢用4个储罐构成储存系统，对于菱形罐运输船可采第十一届全国低温工程大会论文集227-用2个储罐构成储存系统。(3)耐久性和船速：运 输船航行路程大约为6000海里。以20节一25节 的船速每10天可以航行6000海里。(4)船的类oA长度：330m型：考虑到所需的船速，1个标准的单船体运输船是B P K度：310m船副(宽度)：56m可行的。但单船体和双船体的设计方案，均值得进渫：24m霹吃水深度：14m行研究。(5)汽化率：可以设想，未来将使用氢燃料拨动机：40000PS2的发动机。与液化天然气的船只利用蒸发的天然速度：20-25Kt裟凇i，裂燃一皇，H撑_J储罐盛载能力：200000m3艟j离：6000am汽化速度：02040d天气类似，液氢蒸发后所产生的氢气也可回收并作为B)菱形储罐设计发动机的燃料。图2 20万m3氢储罐的概念设计。1032娜储罐外壳和船体的距离初步设定为约15m，此L：女婚率=11 0169WInK瑚“(聚氯酯泡沫)lff,三间隔内设置1m厚的聚氨酯泡沫保温板材。不计储幽： l 估算笈动机功率：100000HP这些初步设计，可以得到以下结论：戴罐系统，计算出的发动机功率约80000马力。基于!tl鲁德l裁(1)关于氢储罐运输船(船体形式，动力系统，慧冀赫赢芝二鼬能整体布局，船体结构设计等)的基础设计要素，可以万借鉴液化天然气运输船的常规技术。(2)若能够研O发出高性能的绝热与支撑系统，则可以利用成熟的 图1绝热厚度与汽化率之间的关联性超大型船只建造技术建造20万m3的液氢运输船。 根据估算出的发动机功率(最大10万马力)并 因此，研发高效的液氢绝热系统是最关键的。(3) 考虑蒸发出的氢气的燃烧比例(即用于驱动发动 液氢的密度远小于液化天然气，因此对于船体结构 机)为2040，可以计算出所需的液氢蒸发率 强度的要求不是太高，但是还有许多特殊的安全要 为每天0204，并据此计算出所需的绝热层求。在氢泄漏事故、意外故障、碰撞和搁浅事故的 厚度约为10m。 风险分析基础上，构建统一的设计理念和标准。 图l给出了一个采用聚氨酯泡沫绝热的20万(4)在对液氢运输船进行更加深入和实用化的研究 m3储罐中液氢蒸发率与绝热层厚度的关系。该图 与设计过程中，需对装载和卸载操作的技术要求， 还给出了发动机功率与所需的液氢蒸发率之间的 包括对拱顶和管线的设计等进行全面考虑。因为 关系(假定作为燃料的氢气100进行燃烧，且氢发 在这些操作过程中存在着明显的蒸发损耗，以及由动机的效率为o32)。此而带来的种种风险。 32小结对于液氢运输船可以大致选用4种类型：单船体4储罐系统球形储罐运输船；双船体球形储罐运输船；单船体菱41储罐绝热系统 形储罐运输船；双船体菱形储罐运输船。其中，球形在对液氢运输船进行初步的概念设计基础上， 储罐和菱形储罐的双体船设计如图2所示。 必须对储罐的绝热系统进行更深入的研究。图3给出了几种典型的绝热材料及热导率范围。依据 这些绝热特性，作进一步的研究分析。 411聚胺酯泡沫绝热系统在液化天然气运输船的独立储罐设计中，不管OA长度：345mB P长度：330m储罐是何种形状，均可使用厚度为02m一06m的船副：64m深：26m吃水深度：14m聚氨酯泡沫作为绝热材料。聚氨酯泡沫具有良好主发动机：40000PS2储罐盛载能力：200000m3且稳定的隔热性能，其热导率与温度的关系如图4距离：6000hm速度：20-25Kt所示。汽化速度：0 20400天A)球形储罐设计如在第三部分32中所描述的，若采用约lm-228低温与超导厚的聚氨酯泡沫板，理论计算结果显示液氢储罐的这种绝热系统，除了材料成本低的优点，还具 日蒸发率可控制在02一04。备一更重要的优势：当夹层真空破坏时，聚氨酯泡 沫板自身的绝热性能可以防止储罐内温度的突然升高，以及由此引起的液氢大量蒸发。粉剂、纤维、泡沫412真空板绝热系统绝热材料国外文献中提到真空多层绝热板与真空堆积粉剂、纤维、泡沫绝热板，并指出其在低温液体储存中已得到应用。绝热材料但本文在已查阅的国内外文献中尚未找到相关具金属粉剂、纤维绝热材料体介绍，需要进一步了解其详细结构。图6给出了一种理想的采用真空板绝热方式的储罐设计方案。真空多层绝热材料该方案既可采用真空堆积形式绝热板也可采用真 空多层形式绝热板。这两种绝热方式均可达到良图3绝热材料好的绝热性能。从理论上说，采用真空绝热板后，储罐外壳与船身之间的庞大夹层空间不需要全部氐储存规模大，许多技术问题有待解决，如绝热材料妻，pf三设计为真空夹层。但是，考虑到实际应用时储罐的缝隙间的气体对流传热(与聚氨酯泡沫板相同)，以V及通过金属蒙皮的传热问题等，由于分析过程中很厂。，者 7期难对其进行定量计算，因此在实际应用中必须对其进行充分的估算。另外，一旦某一块板材内部的真J7空失效，其绝热能力将会大大降低。即使是一个局部板材的真空系统出现故障，也将导致整个系统绝温度(K)热性能的降低。因此夹层空间是否需全部设置为图4硬聚氨酯泡沫的热导率 真空形式仍需进行深入的分析研究。 但是，当储罐冷却至一253。C时，聚氨酯泡沫孔413超级绝热方式隙中的气体甚至夹层空间内的空气或氮气均都会 超级绝热方式即低温绝热系统中常用的真空 冻结，这有可能会破坏保温性能。另外，相邻板材 多层绝热方式。图7给出了一个采用超级绝热方 缝隙间的气体所产生的对流也会降低板材的隔热 式的设计方案。传热计算结果显示，当使用约30 性能。因此，在氢储罐设计中，如果使用聚氨酯泡 层的金属箔片绝热结构即可以达到储罐设计的蒸 沫板，夹层空间应达到一个合适的真空度。一个理 发率。考虑到突发事故而引起的真空破坏，需要对 想的采用聚氨酯泡沫板结合夹层真空系统的设计 该绝热系统增加备用绝热方式。方案如图5所示。传热计算结果显示，若采用真空夹层方案，则 所需的聚氨酯泡沫板材厚度为400 mm一500ram。船体 当夹层真空度为10一tort时，因气体对流而产生的 传热量可以忽略。对于图5所示方案，如何实现并 维持如此庞大的夹层空间内的真空度，是一个急需 解决的技术问题。另外，还要考虑到残留在聚氨酯真空隔 泡沫板空隙中的气体释放后对夹层真空度的影响。国外有研究机构曾提出一个探索性的方案，即首先 采用真空泵使夹层空间真空度达到10torr，再通过低温泵效应使真空度逐步降至10一tort。图5关于绝热系统的观点(PUF+真空存储层)第十一届全国低温工程大会论文集229 储罐表层真空绝(常温)层 时)skirt)常压体图8球形储罐的支撑系统图6关于绝热系统的观点(真空绝热板)阉图9棱形储罐的支撑系统5结语为了满足氢能源输送的需求，采用大规模海上 运输液氢是十分必要且可行的。在借鉴液化天然气运输船技术的基础上，有关20万m3液氢海上储图7关于绝热系统的观点(超级绝热系统)运的概念设计技术基本可行。液化天然气运输船42储罐支撑系统所采用的独立储罐系统(球形和菱形)基本可适用(1)球形储罐：液氢运输船上，储罐在储存液氢于液氢储罐。当运输船需要保持一定吃水线、稳定时罐体冷收缩程度大于液化天然气储罐。从强度性以及高速的性能时，对于盛载轻量级的液氢，采计算结果来看，液氢储罐基本可以采用类似于LNG用双体船是适宜的。储罐的支撑结构形式(如图8所示)。对于液氢储对于液氢运输船，最重要的问题是绝热系统。罐支撑结构的设计来说，更重要的问题是怎样减小这是因为在液氢温度下，氮气或空气均会冷冻固通过金属支撑件传人的罐内的热量，即通过适当支化。此外，绝热材料间存在对流传热现象，会导致撑结构设计增加传热热阻，如采取悬挂支撑的方式绝热系统性能下降。因此避免绝热系统性能降低以减小传热量。(2)菱形储罐：鉴于菱形储罐的支是一个至关重要的问题，有待进一步实验研究。另撑件的布局形式，该型储罐允许罐体自由的收缩而外需进一步详细分析研究真空或非真空夹层中的不需顾及收缩量的大小(如图9所示)。储罐的垂PUF板材绝热系统、真空或非真空夹层中的真空板直荷载是由甲板上的水平方向的可滑动的支撑块材隔热系统以及真空夹层中的超级绝热系统。无体支撑。储罐的侧向移动是由支撑块体所支撑，支撑块体按照中心线排列。中间储罐在储罐中心形论采取哪种方案，都必须为绝热系统提供基本的可 成定位点。这种布局可以任氢储罐自由收缩而不靠性冗余，以预防由于发生意外而导致温度突然升高以及由此带来的储罐液氢的大量蒸发。会产生任何热应力。此类系统由于在船体与储罐本文通过