集裝箱碼頭氫燃料電池輪胎式門式起重機氫氣加注方式

蔡佳俊 周超群

1 上海振華重工(集團)股份有限公司 2 上海港口機械工程技術研究中心

1 引言

集裝箱碼頭堆場區域的裝卸設備以輪胎式集裝箱門式起重機(以下簡稱輪胎吊)為主，傳統的輪胎吊動力來源是柴油發電機組，主要存在兩方面的問題：一是輪胎吊機構制動時產生的再生能源通過制動電阻消耗，能源利用率低；二是由于采用了大功率的柴油發電機組，待機和工作時會產生大量的二氧化碳和有害氣體排放，嚴重污染環境。為了實現節能減排，在輪胎吊上使用氫燃料電池系統，取代了傳統柴油發電機組，達到了真正意義上的零碳排放[1]。由于當前氫能在港口行業的使用基本處于空白階段，氫能的利用還有很多問題需要研究，通過分析現有的條件，探索適合氫燃料電池輪胎吊的氫氣加注方式。

2 加氫站供氫系統加氫原理

目前，國內的加氫站主要采用運氫管束車運輸的氫氣作為氣源，通過壓縮機將氫氣加壓，存儲至站內的高壓儲罐內，當需要加注氫氣時，通過氫氣儲罐對設備進行降壓加氫。由于管束車內氫氣的初始壓力只有20 MPa左右，低于儲罐壓力45 MPa，供氫系統必須采用壓縮機持續從管束車取氫向儲罐補充。供氫系統加氫原理見圖1。

圖1 供氫系統的加氫原理示意圖

系統工作原理如下：

(1)系統保壓，當1級或2級45 MPa儲罐壓力低于設定值時，壓縮機自動啟動給該儲罐加壓，使系統壓力始終保持在設定值以上。

(2)加氫過程，當加氫過程中45 MPa高壓儲罐壓力低于設定值時，優先給該儲罐加壓，保證高壓儲罐在較短時間內充氫高于35 MPa，確保用氫設備能加到35 MPa的壓力。當系統持續加氫致使高壓儲罐內的氫氣壓力低于35 MPa時，高壓儲罐氣動閥自動關閉，壓縮機直接為用氫設備充氫；當設備壓力增加至35 MPa后，停止加氫，系統繼續給高壓儲罐增壓至45 MPa。

3 集裝箱碼頭常用加氫方式

隨著氫燃料電池汽車的商業化應用進程不斷加快，與之配套的加氫站也在大力的建設和發展。傳統的加氫站氫氣加注方式一般可分為兩種，一是采用內供氫氣的加氫站方式；二是采用外供氫的加氫站方式。結合碼頭設備的特點，對以上兩種加氫方式進行分析。

3.1 碼頭內建加氫站方式

在碼頭內建設加氫站是港機設備利用氫能的終極目標。加氫站內有制氫設備，可自行生產氫氣，經過壓縮后實現對港機設備氫氣的加注。因其無需依靠外部氫氣來源，使用便利性更好，且因為排除了氫氣的運輸成本，其使用成本更低。碼頭內建加氫站的主要技術路線一般有2種[2]，一是天然氣重整站內供氫，二是電解水站內供氫(見圖2)。由于這2種制氫供氫的技術安裝方便，自動化程度高，是當前主流的兩種站內制氫方式，技術上特別適合碼頭內建設。不過，以上加氫站內制作的氫氣一般還要經過純化、干燥后加壓存儲至儲罐才能加注。其氫氣的價格由天然氣價格或電價、設備維護成本、基建成本等決定。

圖2 碼頭內建加氫站的2種主要制氫供氫方式

以上2種碼頭內建加氫站技術的對比見表1。

表1 2種碼頭內建加氫站方式的對比

碼頭內建加氫站對大規模港機設備加氫是很好的方案，然而其建設時間長、成本高、投資回報慢，對于短期內小批量試驗性設備的加氫是不適合的。

3.2 碼頭外供加氫方式

碼頭外供加氫方式沒有制氫裝置，氫氣通過運氫管束車、液氫槽車或者附近制氫廠的氫氣管道運輸至碼頭，再由壓縮機加壓存儲至高壓儲罐內存儲，需要加氫的時候通過加氫機加注到設備上使用。碼頭外供加氫方式按照氫氣來源主要可分為管束車站外供氫(也稱高壓外供氫加氫站)、液氫槽車站外供氫(也稱液氫外供氫加氫站)和管道站外供氫(也稱副產氫管道外供氫加氫站)3種形式，見圖3。

圖3 碼頭外供加氫方式示意圖

其中，管束車站外供氫由于其基礎設施成本較低，適合小規模加氫站，不過其運輸成本較高，氫氣的價格取決于運輸距離。液氫槽車站外供氫預計將成為未來主流的供氫形式，但由于我國液氫技術尚未大規模普及，目前應用還有困難。管道站外供氫可充分利用工業副產氫，氫氣的成本較低，不過受地域限制。以上3種外碼頭外供加氫方式的對比情況見表2。

表2 3種碼頭外供加氫方式的對比

4 集裝箱碼頭加氫方案選擇

本項目氫燃料電池輪胎吊在市場首次應用，屬于小批量試制，暫不能按照規模化生產定性。考慮到目前暫不具備在碼頭內建設加氫站的政策依據，且不具有在碼頭內大規模建站的需求，選擇了碼頭外供加氫方式。

結合輪胎吊自身的結構特點，采用移動式的加氫方式。與氫氣管束車直接加注不同，本項目的氫氣存儲設計成可拆卸式供氫系統，采用2組165 L×6的移動儲氫瓶組(見圖4)，接口采用快拆形式，罐組下部設計有定位裝置，便于快速更換和定位，拆下的瓶組可運輸至碼頭外的商業加氫站進行加氫。

圖4 移動儲氫瓶組示意圖

移動儲氫瓶組的規格見表3。

表3 儲氫瓶組參數

儲氫瓶組在氫燃料電池輪胎式吊上的安裝示意見圖5。這樣設計無需在碼頭內由壓縮機將氫氣加壓并存儲進高壓儲氫瓶，也無需在碼頭內安裝加氫機。氫氣用完后可快速拆下空瓶組，并將充滿氫氣的罐組換上，整個過程約為10～15 min，滿足碼頭作業需求，拆下的空瓶組運到碼頭外的商業加氫站加氫備用。

1.燃料電池系統 2.儲氫系統外部框架 3.儲氫瓶組圖5 燃料電池系統在設備上的安裝

為保障氫氣使用安全，考慮多次插拔后由于接頭松動而存在氫氣泄漏的情況，在氫氣快速插拔接口上方安裝了氫氣濃度探測器，自動檢測是否有泄漏，保障設備用氫的安全。單組165 L×6的移動儲氫瓶組，可儲存氫氣約25 kg，可為整車提供約350 kWh電量。按照輪胎吊耗電量30 kWh估算，單次加氫氣可持續運行約12 h。

5 結語

氫氣加注的便利性是氫能利用的重要指標，在參考國內外加氫工藝流程的基礎上，結合碼頭實際情況和需求，采用移動氫燃料加注方式，能夠保證氫燃料電池系統正常安全工作。

隨著雙碳目標下各地出臺相關氫能發展的有效措施，集裝箱港口建設加氫站及相關配套設施已經在逐步策劃中，輪胎吊、集卡、叉車等以傳統燃油為能源的相關設備必將進行綠色升級，屆時氫能在港口的應用會越來越普及。