第08章 氢的输送及加注.docx

第8章氢的输送与加注本章主要内容i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液氢生产厂至用户较远时，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120〜200m3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& 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°C)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 A分子筛吸附剂和氧化钯吸氢剂，单位真空夹层容积的5 A分子筛量为4.33g/L管路设计使用寿命为5年，在此期间内，输送液氢时的夹层真空度优于133x10-4Pa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（p=10-10MPa）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(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氢吒管追雯国72美辰輸坤讶道就F处甲.・丸料吒骨追辭£万处型指价皿1〜肥万美元熔里12- 50-50万饕公里表8-2高压氢气与LH2的比较有压氢气输总液S?LH门巒送奇亡協氯过程耗岳昏光一3W巧卅mb奇压储堆投竇込1 0007 临黄儿J用1 500 — 2 50D 芙元压为为损戋①1歸-3%（每丟）目前，氢气管道使用的直径都不大（多数直径dV200mm）,输氢压力不高（p V7MPa），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，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⑴能量方程式E = G - H x 3600 （8-1）u式中E为单位时间的输能量或能量的传输率，GJ/h； H为氢气的低热值，uGJ/kg・H2，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)G - V = c - F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)p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:c = M - a = M &kRT (8_4)这里k为比热比(或称绝热指数)，k=cp/cv，对于等截面的圆管，F= nD4, 其中 D 是管子的直径把这些关系及式(8-3)、(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：兀D2 - p - M •、]k8-5)8-6)G = 一4Z4RT(3)压缩机的功率方程式N = G (_^) RT (匕)k-1 耳 k -1 pk2此处n为管道输送氢气所消耗的压缩功kw, nk为压气机的压缩效率、pp 为输氢管道或(两个相邻)压气机站之间的管道进、出口压力2(4)压损方程式1 9 35 s8-7)=1.138 — 0.868 ln[ +—]■<4 f R%4 f D式中Re为管道中氢气的流动雷诺数，R =匕匚2 ,卩为氢气的粘度为管e 卩道内壁的粗糙度。

f是管道的压损因子，它跟管道压损Apf = p1 — p2有如下的 关系人 心(p c 2 L )% = 4f 〒— (8-8)f V 2八D丿 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14f-In 旦 |I P2丿」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，它是一个无因次的数字式(8-1)〜(8-9)中包含着输氢管道的输能量E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E、工作温度T,进口压力P2,两压气站之间的压力降Apf = P1 - P2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。