集装箱码头氢燃料电池轮胎式门式起重机氢气加注方式

蔡佳俊 周超群

1 上海振华重工(集团)股份有限公司 2 上海港口机械工程技术研究中心

1 引言

集装箱码头堆场区域的装卸设备以轮胎式集装箱门式起重机(以下简称轮胎吊)为主，传统的轮胎吊动力来源是柴油发电机组，主要存在两方面的问题：一是轮胎吊机构制动时产生的再生能源通过制动电阻消耗，能源利用率低；二是由于采用了大功率的柴油发电机组，待机和工作时会产生大量的二氧化碳和有害气体排放，严重污染环境。为了实现节能减排，在轮胎吊上使用氢燃料电池系统，取代了传统柴油发电机组，达到了真正意义上的零碳排放[1]。由于当前氢能在港口行业的使用基本处于空白阶段，氢能的利用还有很多问题需要研究，通过分析现有的条件，探索适合氢燃料电池轮胎吊的氢气加注方式。

2 加氢站供氢系统加氢原理

目前，国内的加氢站主要采用运氢管束车运输的氢气作为气源，通过压缩机将氢气加压，存储至站内的高压储罐内，当需要加注氢气时，通过氢气储罐对设备进行降压加氢。由于管束车内氢气的初始压力只有20 MPa左右，低于储罐压力45 MPa，供氢系统必须采用压缩机持续从管束车取氢向储罐补充。供氢系统加氢原理见图1。

图1 供氢系统的加氢原理示意图

系统工作原理如下：

(1)系统保压，当1级或2级45 MPa储罐压力低于设定值时，压缩机自动启动给该储罐加压，使系统压力始终保持在设定值以上。

(2)加氢过程，当加氢过程中45 MPa高压储罐压力低于设定值时，优先给该储罐加压，保证高压储罐在较短时间内充氢高于35 MPa，确保用氢设备能加到35 MPa的压力。当系统持续加氢致使高压储罐内的氢气压力低于35 MPa时，高压储罐气动阀自动关闭，压缩机直接为用氢设备充氢；当设备压力增加至35 MPa后，停止加氢，系统继续给高压储罐增压至45 MPa。

3 集装箱码头常用加氢方式

随着氢燃料电池汽车的商业化应用进程不断加快，与之配套的加氢站也在大力的建设和发展。传统的加氢站氢气加注方式一般可分为两种，一是采用内供氢气的加氢站方式；二是采用外供氢的加氢站方式。结合码头设备的特点，对以上两种加氢方式进行分析。

3.1 码头内建加氢站方式

在码头内建设加氢站是港机设备利用氢能的终极目标。加氢站内有制氢设备，可自行生产氢气，经过压缩后实现对港机设备氢气的加注。因其无需依靠外部氢气来源，使用便利性更好，且因为排除了氢气的运输成本，其使用成本更低。码头内建加氢站的主要技术路线一般有2种[2]，一是天然气重整站内供氢，二是电解水站内供氢(见图2)。由于这2种制氢供氢的技术安装方便，自动化程度高，是当前主流的两种站内制氢方式，技术上特别适合码头内建设。不过，以上加氢站内制作的氢气一般还要经过纯化、干燥后加压存储至储罐才能加注。其氢气的价格由天然气价格或电价、设备维护成本、基建成本等决定。

图2 码头内建加氢站的2种主要制氢供氢方式

以上2种码头内建加氢站技术的对比见表1。

表1 2种码头内建加氢站方式的对比

码头内建加氢站对大规模港机设备加氢是很好的方案，然而其建设时间长、成本高、投资回报慢，对于短期内小批量试验性设备的加氢是不适合的。

3.2 码头外供加氢方式

码头外供加氢方式没有制氢装置，氢气通过运氢管束车、液氢槽车或者附近制氢厂的氢气管道运输至码头，再由压缩机加压存储至高压储罐内存储，需要加氢的时候通过加氢机加注到设备上使用。码头外供加氢方式按照氢气来源主要可分为管束车站外供氢(也称高压外供氢加氢站)、液氢槽车站外供氢(也称液氢外供氢加氢站)和管道站外供氢(也称副产氢管道外供氢加氢站)3种形式，见图3。

图3 码头外供加氢方式示意图

其中，管束车站外供氢由于其基础设施成本较低，适合小规模加氢站，不过其运输成本较高，氢气的价格取决于运输距离。液氢槽车站外供氢预计将成为未来主流的供氢形式，但由于我国液氢技术尚未大规模普及，目前应用还有困难。管道站外供氢可充分利用工业副产氢，氢气的成本较低，不过受地域限制。以上3种外码头外供加氢方式的对比情况见表2。

表2 3种码头外供加氢方式的对比

4 集装箱码头加氢方案选择

本项目氢燃料电池轮胎吊在市场首次应用，属于小批量试制，暂不能按照规模化生产定性。考虑到目前暂不具备在码头内建设加氢站的政策依据，且不具有在码头内大规模建站的需求，选择了码头外供加氢方式。

结合轮胎吊自身的结构特点，采用移动式的加氢方式。与氢气管束车直接加注不同，本项目的氢气存储设计成可拆卸式供氢系统，采用2组165 L×6的移动储氢瓶组(见图4)，接口采用快拆形式，罐组下部设计有定位装置，便于快速更换和定位，拆下的瓶组可运输至码头外的商业加氢站进行加氢。

图4 移动储氢瓶组示意图

移动储氢瓶组的规格见表3。

表3 储氢瓶组参数

储氢瓶组在氢燃料电池轮胎式吊上的安装示意见图5。这样设计无需在码头内由压缩机将氢气加压并存储进高压储氢瓶，也无需在码头内安装加氢机。氢气用完后可快速拆下空瓶组，并将充满氢气的罐组换上，整个过程约为10～15 min，满足码头作业需求，拆下的空瓶组运到码头外的商业加氢站加氢备用。

1.燃料电池系统 2.储氢系统外部框架 3.储氢瓶组图5 燃料电池系统在设备上的安装

为保障氢气使用安全，考虑多次插拔后由于接头松动而存在氢气泄漏的情况，在氢气快速插拔接口上方安装了氢气浓度探测器，自动检测是否有泄漏，保障设备用氢的安全。单组165 L×6的移动储氢瓶组，可储存氢气约25 kg，可为整车提供约350 kWh电量。按照轮胎吊耗电量30 kWh估算，单次加氢气可持续运行约12 h。

5 结语

氢气加注的便利性是氢能利用的重要指标，在参考国内外加氢工艺流程的基础上，结合码头实际情况和需求，采用移动氢燃料加注方式，能够保证氢燃料电池系统正常安全工作。

随着双碳目标下各地出台相关氢能发展的有效措施，集装箱港口建设加氢站及相关配套设施已经在逐步策划中，轮胎吊、集卡、叉车等以传统燃油为能源的相关设备必将进行绿色升级，届时氢能在港口的应用会越来越普及。