0.前言
2016年，川崎重工業(yè)株式會(huì)社、巖谷產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社（Iwatani）、日本電力開發(fā)有限公司（J-POWER）和殼牌日本公司等4家企業(yè)共同成立了“零碳?xì)淠茉垂?yīng)鏈技術(shù)研究協(xié)會(huì)（CO2-free Hydrogen Energy Supply-ChainTechnology Research Association，簡(jiǎn)稱HySTRA）”。HySTRA的主要目標(biāo)是研發(fā)制氫、運(yùn)輸、儲(chǔ)存和用氫所需的技術(shù)，最終打通氫能源產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)零碳清潔社會(huì)（見圖1）。
圖1 HySTRA氫能源供應(yīng)鏈
為構(gòu)筑氫能源供應(yīng)鏈，以海外的豐富資源制造氫，并安全有效地大量運(yùn)輸?shù)饺毡?，是氫能源流通不可或缺的基礎(chǔ)。在HySTRA的重點(diǎn)示范項(xiàng)目研究中，川崎重工承擔(dān)了“運(yùn)輸”一環(huán)中的液化氫運(yùn)輸船的開發(fā)建造任務(wù)。
川崎重工從2014年開始著手研發(fā)世界上第一艘液化氫專用運(yùn)輸船，利用LNG船的設(shè)計(jì)和建造所積累的豐富經(jīng)驗(yàn)，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了液化氫儲(chǔ)存系統(tǒng)，突破了船舶應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。今年5月，川崎重工公布了使難以處理的氫氣在零下253℃液化、運(yùn)輸量高達(dá)1250m3的全球首艘氫運(yùn)輸船“Suiso Frontier”，該船于12月初入級(jí)日本船級(jí)社，12月24日成功開啟了首次航行，這也標(biāo)志著HySTRA重點(diǎn)示范項(xiàng)目的成功。
本文主要介紹全球首艘液化氫運(yùn)輸船開發(fā)建造的相關(guān)課題和關(guān)鍵技術(shù)等，供業(yè)內(nèi)同仁參考。
1.背景
氫的運(yùn)輸形態(tài)有高壓氣體和液體兩種。
高壓氣體主要是燃料電池車從儲(chǔ)氫站等處少量運(yùn)輸時(shí)采用的形態(tài)。雖然在安全存儲(chǔ)的基礎(chǔ)上將壓縮狀態(tài)的氫氣進(jìn)行高壓化有一定的限制，但優(yōu)勢(shì)是需求方的裝置和操作等都比較簡(jiǎn)單。
在大量運(yùn)輸方面，氫呈液體狀態(tài)比較有利。氫液化后，在大氣壓下的體積是氣體的八百分之一，非常壓縮。但是液化氫比LNG溫度更低，為-253℃，所以其存儲(chǔ)和處理都必須采取特殊的裝置和措施，迄今為止幾乎沒(méi)有進(jìn)行過(guò)液化氫的海上運(yùn)輸。
另外，關(guān)于氫的運(yùn)輸方法，也有將其轉(zhuǎn)換為氨或者甲基環(huán)己烷等有機(jī)化合物的相關(guān)研究和探討。如果是化合物狀態(tài)，則不需要在極低溫下處理，但存在作為有毒物如何處置，以及提取氫時(shí)需要額外能量等問(wèn)題。
日本川崎重工一直致力于開發(fā)和推廣從事陸上氫氣運(yùn)輸?shù)母邏簹錃馔宪嚰耙夯瘹溥\(yùn)輸集裝箱。拖車采用45 MPa的耐壓復(fù)合容器，能夠運(yùn)輸供72臺(tái)燃料電池車用的360kg的高壓氫氣；集裝箱為ISO 40英尺規(guī)格的真空復(fù)合隔熱容器，能夠運(yùn)輸2.8噸液化氫。
川崎重工以其現(xiàn)有的在LNG運(yùn)輸船和陸地液化氫儲(chǔ)罐方面的設(shè)計(jì)制造技術(shù)為基礎(chǔ)，目前承擔(dān)了零二氧化碳?xì)涔?yīng)鏈構(gòu)想中的“運(yùn)輸”一環(huán)，目的是建立和掌握全球首艘液化氫運(yùn)輸船的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)。在截至2016年的FEED階段，進(jìn)行了關(guān)鍵試驗(yàn)和規(guī)格研究；2017年進(jìn)入建造階段，實(shí)施設(shè)計(jì)和制造；2020年，針對(duì)澳大利亞褐煤資源制氫并運(yùn)輸?shù)饺毡镜难b卸、運(yùn)輸技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，并以此為目的開展了示范船的建造。
2.示范船開發(fā)建造方面的課題
設(shè)計(jì)和建造運(yùn)輸液化氣體的船舶，要遵照國(guó)際海事組織（IMO）的“液化氣散裝運(yùn)輸船舶結(jié)構(gòu)及設(shè)備相關(guān)國(guó)際規(guī)則（即IGC Code）”。不過(guò)，現(xiàn)有IGC Code的適用對(duì)象為L(zhǎng)PG和LNG，并未包含液化氫。對(duì)此，IMO以批準(zhǔn)日本和澳大利亞共同提案的形式，發(fā)布了針對(duì)日澳間液化氫海上運(yùn)輸?shù)摹芭R時(shí)建議事項(xiàng)”。另外，日本船級(jí)社（Class NK）又基于該IMO的“臨時(shí)建議事項(xiàng)”，發(fā)布了“液化氫運(yùn)輸船指南”，對(duì)各項(xiàng)要求更具體細(xì)化地做出規(guī)定，補(bǔ)充了人為思想和事故情節(jié)因素等內(nèi)容。示范船按照上述標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范來(lái)設(shè)計(jì)和建造，確保了船舶的較高安全性。
示范船的完成效果圖如圖2所示。以具有建造實(shí)績(jī)的內(nèi)河用LNG運(yùn)輸船為基礎(chǔ)進(jìn)行船型設(shè)計(jì)，裝載液化氫專用貨艙。液化氫與LNG相比，更容易因外部傳熱而氣化，且因溫度極低，結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生較大的熱收縮，這些都是液化氫運(yùn)輸船實(shí)船應(yīng)用需解決的課題。
圖2 示范船
2.1 液貨圍護(hù)系統(tǒng)CCS（Cargo Containment System）
根據(jù)規(guī)范，必須要控制CCS的壓力和溫度來(lái)應(yīng)對(duì)外部傳熱。在不將外部傳熱產(chǎn)生的蒸發(fā)氣體排放到CCS外部而蓄壓的情況下，必須能夠保持壓力安全而航行到目的地。并且，液貨艙壁及CCS的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)和配管所受的外部傳熱也必須控制在最低。
另外，由于在海浪航行中船體搖晃，CCS的結(jié)構(gòu)必須穩(wěn)固。
2.2 液貨配管
為控制液化氫運(yùn)輸過(guò)程中因氣化導(dǎo)致裝卸效率降低，排除配管表面生成液化氣而形成高濃度氧環(huán)境，以及避免液化氣滴落引起船體結(jié)構(gòu)損傷的危險(xiǎn)，液貨配管必須具備高隔熱性。
另外，由于液化氫裝卸過(guò)程中的熱脹冷縮產(chǎn)生較大內(nèi)應(yīng)力、以及與陸上配管不同的船體變形會(huì)引起強(qiáng)迫位移，必須保護(hù)液貨配管免受上述影響。
2.3 液貨設(shè)備
液化氫的溫度比LNG還要低90℃，因此液貨設(shè)備的隔熱性能要求高于LNG使用的設(shè)備，需要選擇合適的材料并確認(rèn)其耐久性，針對(duì)氫的物理特性，采取耐久、高隔熱及應(yīng)對(duì)氫泄漏等措施。
3.開發(fā)設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)
3.1 CCS
CCS采用獨(dú)立于船體結(jié)構(gòu)的蓄壓臥式圓筒型，相當(dāng)于IGC Code和Class NK鋼制海船規(guī)則中定義的符合壓力容器標(biāo)準(zhǔn)的Type C型儲(chǔ)罐。示范船裝載2個(gè)容積為1250m3的CCS，其中1臺(tái)置于船首。
（1）CCS隔熱系統(tǒng)
液化氫用CCS的隔熱性能必須比LNG用CCS高約10倍。熱的傳導(dǎo)方式有對(duì)流、熱傳導(dǎo)和輻射三種。為抑制對(duì)流和熱傳導(dǎo)等從CCS表面侵入的熱量，采用由內(nèi)殼、外殼構(gòu)成的真空雙層殼結(jié)構(gòu)。
連接內(nèi)殼和外殼之間的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)、配管、計(jì)量?jī)x器等因熱傳導(dǎo)而成為外部傳熱路徑。對(duì)此，采用熱傳導(dǎo)率低的材料，減小結(jié)構(gòu)材料的截面積，延長(zhǎng)傳導(dǎo)路徑等措施來(lái)降低其影響。為降低輻射熱帶來(lái)的熱傳導(dǎo)，在雙層殼的真空槽內(nèi)采用反射率高的金屬鍍氣膜層壓而成的真空隔熱材料。設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了日常航行中CCS內(nèi)部產(chǎn)生的溫度和壓力，在澳大利亞與日本的航行中產(chǎn)生的蒸發(fā)氣體可不釋放到CCS外。另外，在CCS內(nèi)殼內(nèi)填充氮?dú)舛鈿け砻婢S持常溫，不生成液化氣或液化氮等。
此外，為保證運(yùn)輸過(guò)程中的航行安全，船舶安裝了“真空隔熱性能劣化監(jiān)控系統(tǒng)VIPDM（Vacuum Insulation Performance Deterioration Monitoring System）”。該系統(tǒng)能夠?qū)φ婵樟踊乃俣冗M(jìn)行即時(shí)監(jiān)測(cè)，在隔熱性能惡化的早期階段預(yù)測(cè)風(fēng)險(xiǎn)，確保隔熱性能的持續(xù)和航行安全。
（2）CCS加強(qiáng)結(jié)構(gòu)
CCS的雙層殼結(jié)構(gòu)如圖3所示，內(nèi)殼、外殼采用適用于極低溫環(huán)境的奧氏體不銹鋼材料。船體在航行中會(huì)搖晃，內(nèi)殼與外殼不接觸而保持穩(wěn)定的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)將導(dǎo)致外部傳熱量、特別是由熱傳導(dǎo)產(chǎn)生的傳熱量增加。對(duì)此，CCS的內(nèi)殼加強(qiáng)采用由隔熱性能和強(qiáng)度優(yōu)越的玻璃纖維強(qiáng)化塑料GFRP制成的鞍形結(jié)構(gòu)。獲得真空狀態(tài)和極低溫狀態(tài)下GFRP加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、熱傳導(dǎo)、釋氣等諸多特性，設(shè)計(jì)上非常耐用。
CCS內(nèi)部在建造過(guò)程中以及定期檢查時(shí)為常溫，但在滿載狀態(tài)時(shí)為極低溫。另外，CCS內(nèi)的溫度分布會(huì)根據(jù)壓載航行或者裝卸時(shí)的液位狀態(tài)而發(fā)生變化。內(nèi)殼因溫度變化熱脹冷縮、外殼維持常溫狀態(tài)，因此在內(nèi)外殼之間會(huì)因溫度差而產(chǎn)生相對(duì)位移。對(duì)此，采用了以前后兩處的圓弧狀鞍形結(jié)構(gòu)支撐內(nèi)殼，滑鞍加強(qiáng)在外殼的內(nèi)表面上滑動(dòng)來(lái)吸收相對(duì)位移的結(jié)構(gòu)。
圖3 CCS的雙層殼結(jié)構(gòu)
（3）液艙穹頂
由于溫度差導(dǎo)致內(nèi)殼和外殼之間的相對(duì)位移較大，所以在CCS的液艙穹頂處集中布置貫通于CCS的配管等，包括液貨管、電線管、聯(lián)絡(luò)用人孔等。
（4）CCS制造技術(shù)
川崎重工在火箭燃料用球形液化氫儲(chǔ)罐、陸地液化氫儲(chǔ)罐及拖車等雙層結(jié)構(gòu)真空隔熱儲(chǔ)罐制造方面經(jīng)驗(yàn)豐富。另外，也具備制造船用LNG大型液貨艙的實(shí)績(jī)。川崎重工通過(guò)綜合應(yīng)用這些技術(shù)來(lái)制造CCS。
3.2 真空雙層配管
由于液貨管要保證較高的隔熱性能，因此與CCS同樣采用雙層結(jié)構(gòu)的真空隔熱方式。內(nèi)管和外管必須保持穩(wěn)定、不能接觸，另外內(nèi)管和外管也會(huì)因熱脹冷縮而產(chǎn)生長(zhǎng)度差。對(duì)此，以陸地儲(chǔ)氫設(shè)備采用的真空雙層管規(guī)格為基礎(chǔ)，考慮到裝卸過(guò)程中的熱脹冷縮和船體的動(dòng)、靜變化，開發(fā)了船用真空雙層管。低溫用閥也采用了隔熱性能高的附帶真空套管的長(zhǎng)閥蓋型閥。
3.3 液貨設(shè)備
液貨設(shè)備需耐受氫的物理性質(zhì)，在LNG船上已有應(yīng)用實(shí)績(jī)的船用設(shè)備以及陸地應(yīng)用設(shè)備的基礎(chǔ)上，對(duì)所有的材料和規(guī)格進(jìn)行修改，必須適應(yīng)氫的物理特性及船上的使用環(huán)境。對(duì)于主要設(shè)備，在開發(fā)階段即實(shí)施液化氫應(yīng)用試驗(yàn)，對(duì)設(shè)備操作上的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)估，并針對(duì)相應(yīng)問(wèn)題給出對(duì)策。
為應(yīng)對(duì)高隔熱性及泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，采用如圖4所示的插銷式接頭（Bayonet joint）。該接頭作為液化氫用絕緣接頭，在與裝卸基地的裝卸臂系統(tǒng)LAS連接的岸上連接部位應(yīng)用廣泛。除此之外，液貨處理設(shè)備還有氫氣加壓用的壓縮機(jī)、液化氫氣化用的蒸發(fā)器、加熱極低溫氫氣用的加熱器等。
圖4 插銷式接頭
4.建造及驗(yàn)證
示范船于2017年開始進(jìn)行CCS的設(shè)計(jì)制造，2019年1月船體開工建造，同年12月舉行了下水儀式（見圖5）。
圖5 示范船下水儀式
4.1 船體
示范船的主尺度等概要信息如表1所示。
表1 示范船概要
由于采用了蓄壓式CCS，所以在航行中不需要在船內(nèi)處理蒸發(fā)氣體。推進(jìn)方式采用由3臺(tái)主柴油發(fā)電機(jī)向2臺(tái)推進(jìn)馬達(dá)提供電力，通過(guò)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳的柴電推進(jìn)方式。船體上安裝了船首推力器、西林舵（高升力、大舵角舵）及4片可變螺距螺旋槳，可提高船舶離靠岸時(shí)的操作性能。
4.2 CCS
2020年3月完成的CCS如圖6所示。其內(nèi)部配置了浸水型馬達(dá)驅(qū)動(dòng)泵、固定管系的管子支架，用于有效冷卻CCS內(nèi)部的裝備等。
圖6 液貨圍護(hù)系統(tǒng)（CCS）
4.3 驗(yàn)證試驗(yàn)
2020年液化氫運(yùn)輸船建成后進(jìn)入了驗(yàn)證階段。在驗(yàn)證階段I，為確認(rèn)液化氫運(yùn)輸船的CCS、配管及液貨設(shè)備的作用、性能和安全性，在神戶市近海的神戶機(jī)場(chǎng)人工島東北部建設(shè)中的氫存儲(chǔ)裝卸基地，依次進(jìn)行了如下試驗(yàn)項(xiàng)目：
- CCS內(nèi)氣體置換（高效氣體置換法）
- CCS冷卻（CCS高效冷卻法）
- 液貨加裝（從基地加裝液化氫）
- 液貨泵工作（極低溫環(huán)境下的工作）
- 其他貨物裝置的工作（作用、性能）
- 隔熱性能確認(rèn)（CCS及配管的隔熱性）
- 液貨滿載試驗(yàn)（近海滿載航行和裝卸順序）
在接下來(lái)的驗(yàn)證階段II，實(shí)施日本-澳大利亞航線的滿載航行試驗(yàn)。
5.結(jié)束語(yǔ)
在示范船驗(yàn)證中，對(duì)液化氫的裝卸操作以及實(shí)際海域的CCS隔熱儲(chǔ)藏性能進(jìn)行了確認(rèn)，川崎重工希望能夠建立未來(lái)大量運(yùn)輸氫的技術(shù)，并繼續(xù)推動(dòng)液化氫運(yùn)輸船的大型化開發(fā)。
川崎重工開發(fā)的該液化氫運(yùn)輸船也是日本國(guó)立研究法人、新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）支持的項(xiàng)目——“由未開發(fā)的褐煤制造氫氣并構(gòu)筑氫氣大規(guī)模海上運(yùn)輸供應(yīng)鏈”中的一項(xiàng)研究?jī)?nèi)容。
（本文根據(jù)《川崎重工技報(bào)——?dú)淠茉垂?yīng)鏈特輯》編譯）
