周引平，陶如豪，胡志芳，尚 樺

氫燃料動(dòng)力船舶在三峽河段的應(yīng)用

周引平，陶如豪，胡志芳，尚 樺

（長(zhǎng)江三峽通航管理局，湖北宜昌 443002）

本文結(jié)合三峽河段氫燃料動(dòng)力船建造工程實(shí)施中遇到的實(shí)際問(wèn)題，開(kāi)展了氫燃料船應(yīng)用的有關(guān)探索，從國(guó)內(nèi)外氫燃料動(dòng)力船發(fā)展現(xiàn)狀入手，進(jìn)行了氫燃料動(dòng)力船應(yīng)用特性分析和安全分析，并結(jié)合三峽河段的特征開(kāi)展了氫燃料船的應(yīng)用分析，就其安全應(yīng)用和管理提出了有關(guān)建議。

氫燃料動(dòng)力船 三峽河段 應(yīng)用

0 引言

隨著全世界對(duì)控制溫室氣體排放的需求越來(lái)越迫切，氫能作為一種來(lái)源廣泛、清潔無(wú)碳、靈活高效、可持續(xù)的二次能源，被視為二十一世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉?，歐盟、日本、韓國(guó)等國(guó)家高度重視，相繼制定了多樣化的氫能發(fā)展政策。2020年歐盟委員會(huì)發(fā)布了《歐盟氫能戰(zhàn)略》和《歐盟能源系統(tǒng)整合策略》，韓國(guó)在2018年發(fā)布《創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略投資計(jì)劃》，將氫能產(chǎn)業(yè)列為三大戰(zhàn)略投資方向之一。

2019年3月，日本政府公布《氫能利用進(jìn)度表》，明確至2030年氫能應(yīng)用的關(guān)鍵目標(biāo)。我國(guó)政府也相繼出臺(tái)多項(xiàng)政策，已制定《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃（2016-2030年）》，提出了氫工業(yè)、先進(jìn)燃料電池和燃料電池分布式發(fā)電等3個(gè)戰(zhàn)略發(fā)展方向；2019年首次將推動(dòng)充電、加氫等設(shè)施建設(shè)寫入《政府工作報(bào)告》，截止2020年6月，全國(guó)范圍內(nèi)省及直轄市級(jí)的氫能產(chǎn)業(yè)規(guī)劃超過(guò)10個(gè)，地級(jí)市及區(qū)縣級(jí)的氫能專項(xiàng)規(guī)劃超過(guò)30個(gè)。

與此同時(shí)，由于船舶碳排放形成的溫室效應(yīng)占比越來(lái)越高，船舶廢氣排放對(duì)空氣造成的污染和碳排放問(wèn)題越來(lái)越引起各方重視。當(dāng)前，全球約55000條商船承擔(dān)了世界近90%的貿(mào)易運(yùn)輸，航運(yùn)業(yè)引發(fā)的環(huán)境污染問(wèn)題正日益成為國(guó)際社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。根據(jù)國(guó)際環(huán)保組織自然資源保護(hù)協(xié)會(huì)（NRDC）的《船舶港口空氣污染防治白皮書》提供的資料顯示，一艘使用3.5%含硫量的燃料油的中大型集裝箱船，以最大功率的70%負(fù)荷運(yùn)行，一天排放的PM2.5相當(dāng)于50萬(wàn)輛使用國(guó)四油品的貨車一天的排放量。因此，在船舶動(dòng)力領(lǐng)域?qū)ふ腋鞣N替代燃料的努力已經(jīng)越來(lái)越迫切，中國(guó)船舶集團(tuán)712、704國(guó)家重點(diǎn)科研院所和大企業(yè)等相關(guān)單位也在大力推進(jìn)新型節(jié)能、環(huán)保、能源在船舶動(dòng)力領(lǐng)域的探索與應(yīng)用，其中，氫燃料動(dòng)力船、純電池動(dòng)力船等應(yīng)用需求迫在眉睫。

三峽河段地處內(nèi)陸腹地湖北宜昌，是長(zhǎng)江黃金水道中的咽喉要道。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科技進(jìn)步，船舶貨運(yùn)量逐年上升，有力促進(jìn)了沿江省市經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。如重慶市水運(yùn)量由2004年的0.19億噸增加到2018年的1.95億噸，其90％以上的外貿(mào)物資運(yùn)輸依靠?jī)?nèi)河航運(yùn)，60%以上的社會(huì)運(yùn)輸周轉(zhuǎn)量依賴水運(yùn)完成。此外，宜昌本地有設(shè)施完備的制氫加氫站和大量的磷化工企業(yè)，氫燃料供應(yīng)條件完備，從而使得氫燃料動(dòng)力船在三峽河段應(yīng)用條件十分充分，而且影響廣泛。特別是由于三峽河段自身區(qū)位的特殊性和敏感性，將對(duì)船舶新能源應(yīng)用產(chǎn)生非常顯著的示范效應(yīng)。

1 國(guó)內(nèi)外氫燃料動(dòng)力船發(fā)展現(xiàn)狀

2000年以來(lái)，隨著節(jié)能減排需求的日益增長(zhǎng)和燃料電池技術(shù)的發(fā)展，氫燃料動(dòng)力船舶受到越來(lái)越多的重視。世界上許多氫燃料動(dòng)力船舶項(xiàng)目相繼開(kāi)始進(jìn)行，諸如泰晤士河氫能生態(tài)項(xiàng)目、三星重工氫燃料動(dòng)力船舶以及烏斯坦集團(tuán)和Nedstack燃料電池技術(shù)公司共同打造的SX190 DP2氫燃料動(dòng)力海船等。截止2021年，世界上先后有近十艘氫燃料動(dòng)力船（含混動(dòng)）建成或即將建成。其中，2018年7月，美國(guó)在舊金山開(kāi)工建造了首艘氫燃料電池客船“Water-Go-Round”，該船最高航速可達(dá)22 km/h，可裝載84名乘客。

我國(guó)這方面雖然研究起步較晚，但發(fā)展很快，在第20屆中國(guó)國(guó)際海事展期間，中國(guó)船舶集團(tuán)公布了其自主研發(fā)的氫燃料動(dòng)力內(nèi)河自卸貨船。該船長(zhǎng)70.5 m，設(shè)計(jì)航速13 km/h，續(xù)航力140 km，采用4×125 kWPEMFC燃料電池和4×250 kWh鋰電池組作為船舶動(dòng)力源。2021年大連化物所負(fù)責(zé)建成中國(guó)第一艘燃料電池游艇“蠡湖”號(hào)。該船長(zhǎng)13.9 m，采用70 kW氫燃料電池電堆和86 kWh的鋰電池組成混合動(dòng)力，設(shè)計(jì)船速18 km/h，續(xù)航189 km。

2 氫燃料動(dòng)力船應(yīng)用特性分析

由于氫燃料電池有許多優(yōu)點(diǎn)：能量轉(zhuǎn)化效率高、安裝地點(diǎn)靈活、排放少、噪音低、易安裝維護(hù)、操作性能及運(yùn)行可靠性高等，氫燃料電池相關(guān)技術(shù)目前已經(jīng)應(yīng)用到了相關(guān)船舶上。但是由于目前氫燃料動(dòng)力發(fā)展技術(shù)尚不成熟，還存在一定的不足和局限性：

2.1 氫燃料動(dòng)力船能提供的船舶動(dòng)力

氫燃料動(dòng)力船能提供的船舶動(dòng)力有限：一是續(xù)航能力有限。由于全球加氫站分布密度不夠，且目前的技術(shù)需要儲(chǔ)存氫燃料的裝置通風(fēng)要求高，儲(chǔ)存容量有限（《船舶應(yīng)用燃料電池發(fā)電裝置指南》規(guī)定氫氣瓶瓶組總?cè)莘e不得大于3000 L），導(dǎo)致其續(xù)航里程不高，一般只能達(dá)到數(shù)百公里。二是其航行速度有限。目前，成熟的氫燃料動(dòng)力裝置最大功率是560 kW，船艇實(shí)際最大航行速度一般20 km/h左右，還不能滿足大型船舶和快速船舶的動(dòng)力需求。

2.2 氫燃料動(dòng)力船本身動(dòng)力電網(wǎng)供電

氫燃料動(dòng)力船本身動(dòng)力電網(wǎng)供電可靠性有限，必須配備鋰電池組配合使用才能確保船舶動(dòng)力電網(wǎng)供電能夠正常平穩(wěn)運(yùn)行。配置鋰電池組的主要作用是對(duì)船舶動(dòng)力電網(wǎng)供電進(jìn)行“削峰填谷”。當(dāng)船舶處于逆流航行或高航速、高負(fù)荷運(yùn)行工況時(shí)，船舶動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)電力需求會(huì)非常大，僅僅依靠氫燃料電池發(fā)電就遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需求。此時(shí)就需要船舶配置額外的電源對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行補(bǔ)充供電。另外，當(dāng)船舶處于順流航行或低航速、輕負(fù)載工況時(shí)，動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)電力需求相對(duì)較少，此時(shí)氫燃料電池提供的電量完全能夠滿足船舶動(dòng)力的需求，甚至?xí)惺Ｓ嚯娏?。此時(shí)就需要船上配置有儲(chǔ)能設(shè)備將多余的電量?jī)?chǔ)存起來(lái)。

2.3 氫燃料動(dòng)力船防火防爆要求

燃料動(dòng)力系統(tǒng)通風(fēng)要求高?？煽康耐L(fēng)系統(tǒng)是氫燃料動(dòng)力船舶燃料動(dòng)力系統(tǒng)的必要安全保障，應(yīng)保證通風(fēng)系統(tǒng)的正常工作，燃料電池所處的通風(fēng)率應(yīng)足以在因技術(shù)故障而導(dǎo)致的所有最大可能泄漏情況下，將平均氣體/蒸汽濃度稀釋到可燃范圍的25%以下，且至少保證每小時(shí)30次換氣的通風(fēng)能力。

3 氫燃料動(dòng)力船安全分析

氫氣具有易燃性、爆炸性、泄漏性、擴(kuò)散性和氫脆等五大特性導(dǎo)致其有一定的安全隱患。與常規(guī)燃油動(dòng)力船舶相比，氫燃料動(dòng)力船燃料主要的風(fēng)險(xiǎn)由氫燃料的特性帶來(lái)。氫燃料動(dòng)力船舶燃料動(dòng)力系統(tǒng)一般包括燃料電池發(fā)電模塊、供氫裝置、監(jiān)控裝置和輔助裝置。氫燃料動(dòng)力船舶的安全風(fēng)險(xiǎn)也就主要集中在氫燃料儲(chǔ)存裝置、氫燃料輸送管、燃料電池模塊。

3.1 氫燃料儲(chǔ)存裝置

目前氫燃料一般采用鋁內(nèi)膽碳纖維纏繞復(fù)合氣瓶。其主要風(fēng)險(xiǎn)在于：一是由于內(nèi)罐疲勞現(xiàn)象、氫脆或腐蝕造成內(nèi)罐失效；二是航行中船舶高能碰撞造成罐體損壞，氫氣泄漏，釋放到燃料罐存放空間，可能發(fā)生自然引起火災(zāi)和爆炸；三是儲(chǔ)氫罐超壓造成罐體損壞，氫氣泄漏，釋放到燃料罐存放空間，可能發(fā)生自燃，引起火災(zāi)和爆炸。

3.2 氫燃料輸送管

氫燃料輸送管主要將氣態(tài)氫從儲(chǔ)氫罐輸送至燃料電池模塊。其主要風(fēng)險(xiǎn)為：氣態(tài)氫輸送過(guò)程中，輸送管由于疲勞、氫脆或腐蝕失效，導(dǎo)致氫氣泄露和擴(kuò)散。

3.3 燃料電池模塊

氫燃料與空氣進(jìn)入燃料電池模塊反應(yīng)，產(chǎn)生電能。其主要風(fēng)險(xiǎn)包括：一是由于氫脆、腐蝕或連接不嚴(yán)密等造成氫燃料向外部泄漏，與空氣混合，可能引起火災(zāi)或爆炸；二是由于板材破裂，造成反應(yīng)堆內(nèi)部泄漏，高溫反應(yīng)堆逐步內(nèi)部氧化甚至引發(fā)火災(zāi)；三是由于燃料電池控制系統(tǒng)故障，燃料與空氣配比失調(diào)，系統(tǒng)性能下降。

4 氫燃料動(dòng)力船在三峽河段應(yīng)用

理論上，氫燃料電池系統(tǒng)可用于包括游艇、公務(wù)船、漁船、貨輪、軍船等各種類型船舶，尤其適用于對(duì)航速要求不高，航行于近岸水域，對(duì)生態(tài)保護(hù)要求高的船舶。其污染小、零排放特性對(duì)保護(hù)長(zhǎng)江、控制污染物排放、保護(hù)環(huán)境等方面具有深遠(yuǎn)意義。

4.1 三峽河段船舶航行自然環(huán)境特性分析

三峽河段中三峽-葛洲壩水域全長(zhǎng)約59 km，主要由三部分階梯航道組成，分別是三峽大壩以上庫(kù)區(qū)航道、三峽－葛洲壩兩壩間航道、葛洲壩以下航道。目前對(duì)航運(yùn)有明顯影響的自然環(huán)境因素包括：大霧、大風(fēng)、流量、水位、航道條件等。經(jīng)過(guò)常年的統(tǒng)計(jì)，轄區(qū)出現(xiàn)大霧天氣主要在春冬兩季及初夏季節(jié)，平均每月起霧影響通航7天。大風(fēng)天氣主要發(fā)生于三峽壩上水域，多年平均最大風(fēng)速9.5 m/s，平均每年出現(xiàn)大于8級(jí)風(fēng)的天數(shù)為6.1 d。水域流量一般在5000 m3/s至45000 m3/s之間，其中，當(dāng)三峽下泄流量達(dá)到20000 m3/s時(shí)，兩壩間開(kāi)始出現(xiàn)不良流態(tài)，水勢(shì)紊亂，部分河床水域內(nèi)出現(xiàn)泡水、漩水，局部水域表面流速達(dá)到2.0 m/s；三峽下泄流量達(dá)到30000 m3/s時(shí)，兩壩間水流條件急劇惡化，全水域范圍內(nèi)遍布泡水、漩水，表面流速約為2.5 m/s，；三峽下泄流量35000 m3/s～45000 m3/s時(shí)，兩壩間全河段水流條件普遍惡劣，表面流速大約3.0 m/s。轄區(qū)每年水位變幅較大，其中三峽大壩庫(kù)區(qū)航道由于防洪發(fā)電的需要，全年水位落差較大變幅平均在30 m左右。

4.2 氫燃料動(dòng)力船在三峽河段應(yīng)用安全防護(hù)建議

三峽河段水域不長(zhǎng)，具有政治敏感度高、安全風(fēng)險(xiǎn)度高、民生關(guān)聯(lián)度高、社會(huì)關(guān)注度高的特征，氫燃料動(dòng)力船的應(yīng)用要格外重視其安全管理工作。根據(jù)目前氫燃料動(dòng)力船的技術(shù)現(xiàn)狀和相關(guān)特性要求，結(jié)合三峽河段水域特點(diǎn)和通航管理規(guī)范，建議氫燃料動(dòng)力船在三峽河段應(yīng)用要做好。以下幾個(gè)方面的防護(hù)措施：

4.2.1 加強(qiáng)船舶在轄區(qū)停泊、運(yùn)行的防火防爆管理

按照危險(xiǎn)品船的防護(hù)要求進(jìn)行錨地靠泊管理和船閘進(jìn)出閘運(yùn)行管理，盡可能安排單獨(dú)靠泊和過(guò)閘運(yùn)行，受條件限制必須與其他船舶同步運(yùn)行時(shí)一般與危險(xiǎn)品船一起運(yùn)行，嚴(yán)禁與客船同時(shí)運(yùn)行。并在氫燃料船上加裝醒目的提醒標(biāo)志，嚴(yán)禁在作業(yè)區(qū)滯留。

4.2.2 提高氫燃料動(dòng)力船的動(dòng)力可靠性

由于三峽河段水域流態(tài)復(fù)雜，汛期流量大，流速快，船舶動(dòng)力不足會(huì)造成船舶失控的安全隱患，在船舶設(shè)計(jì)建造時(shí)應(yīng)充足考慮轄區(qū)適航的航速和動(dòng)力要求，建議在配備鋰電池組滿足對(duì)船舶電網(wǎng)的“削峰填谷”功能的同時(shí)增大鋰電池組配備容量，增加抵消水域復(fù)雜流速流態(tài)的相關(guān)動(dòng)力需求。

4.2.3 提高氫燃料動(dòng)力船燃料系統(tǒng)的冷卻可靠性

氫燃料動(dòng)力船的燃料電池在運(yùn)行溫度范圍內(nèi)才能正常工作，其冷卻主要依靠循環(huán)水設(shè)備完成，循環(huán)水設(shè)備根據(jù)層級(jí)分為一級(jí)循環(huán)水管道、二級(jí)循環(huán)水管道。一級(jí)循環(huán)水管道主要用于燃料電池發(fā)電模塊中的燃料電池電堆冷卻，二級(jí)循環(huán)水管道主要用于一級(jí)循環(huán)水管道散熱，還用于燃料電池發(fā)電模塊中的空壓機(jī)和中冷器散熱。由于三峽水域兩壩庫(kù)區(qū)漂流物較多，容易堵塞船艇冷卻水

進(jìn)水管。為避免出現(xiàn)雜物堵塞，造成系統(tǒng)冷卻溫度升高帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)，需要將冷卻水進(jìn)水隔柵采用圓孔篩網(wǎng)設(shè)計(jì)以減少堵塞；加裝配套監(jiān)控告警設(shè)備，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處置冷卻設(shè)備的異常；在汛期漂流物增加時(shí)要定期對(duì)該船進(jìn)水總管濾網(wǎng)進(jìn)行檢查清理。

4.2.4 加強(qiáng)氫燃料船的安全監(jiān)控管理和防碰撞管理

由于氫燃料儲(chǔ)存裝置存在船舶高能碰撞造成罐體損壞，氫氣泄漏，可能發(fā)生火災(zāi)和爆炸的安全隱患。而三峽水域流態(tài)復(fù)雜、流速大、船舶眾多，船舶碰撞的風(fēng)險(xiǎn)加大，需要特別加強(qiáng)船舶防撞管理。一是加強(qiáng)船舶防撞監(jiān)控；二是加固加強(qiáng)加裝船舶防撞設(shè)施；三是禁止在超過(guò)30000 m3/s流量航行；四是定期檢查船舶設(shè)施自動(dòng)保護(hù)功能，如燃料供應(yīng)閥等相關(guān)閥件自動(dòng)或手動(dòng)關(guān)閉的功能正常，一旦船舶發(fā)生碰撞時(shí)能及時(shí)切斷管路的燃料供應(yīng)。

4.2.5 合理規(guī)劃加氫碼頭的選址

根據(jù)氫燃料動(dòng)力船運(yùn)行特點(diǎn)，建議加氫碼頭選址避開(kāi)落差大的三峽大壩上游庫(kù)區(qū)和人員密集的葛洲壩下游市區(qū)，盡可能在兩壩間航道區(qū)域范圍內(nèi)選擇公路交通便利、人員稀少、水流條件相對(duì)較好的地方進(jìn)行選址建設(shè)。

5 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)國(guó)家戰(zhàn)略和氫能發(fā)展趨勢(shì)，在三峽河段水域發(fā)展氫燃料動(dòng)力船勢(shì)在必行，三峽河段水域有著世界上最大的三峽梯級(jí)船閘和升船機(jī)，使用推廣氫燃料船對(duì)促進(jìn)長(zhǎng)江大保護(hù)和實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有較大的示范效益。隨著未來(lái)技術(shù)發(fā)展和進(jìn)步，氫燃料船現(xiàn)有的一些不足將會(huì)有效克服，氫燃料動(dòng)力船的應(yīng)用前景將十分廣闊。

[1] 歐盟委員會(huì). 《歐盟氫能戰(zhàn)略》[R]. 歐洲: 歐盟委員會(huì)出版社, 2020.

[2] 歐盟委員會(huì). 《歐盟能源系統(tǒng)整合策略》[R]. 歐洲: 歐盟委員會(huì)出版社, 2020.

[3] 國(guó)家發(fā)展改革委, 國(guó)家能源局. 《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃（2016-2030年）》[R]. 北京: 發(fā)改能源, 2016.

[4] GB50177. 《氫氣站設(shè)計(jì)規(guī)范》[S]. 中國(guó): 中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn), 2005.

[5] GB50516. 《加氣站技術(shù)規(guī)范》[S]. 中國(guó): 中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn), 2010.

[6] 樊志遠(yuǎn), 江文成. 船舶低碳技術(shù)未來(lái)發(fā)展重點(diǎn)方向[J]. 中國(guó)船檢, 2019.

[7] 馮運(yùn)檀. 船體建造工藝學(xué)[M]. 哈爾濱: 船舶工程學(xué)院出版社, 1990.

[8] 中國(guó)船級(jí)社. 船舶發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第一、二階段）實(shí)施指南（Rev.l）[J]. 船舶標(biāo)準(zhǔn)化工程師, 2018, 51(6): 12.

[9] 陳立新, 付銀河, 黃鑫. 基于大功率鋰電池電動(dòng)船的電站設(shè)計(jì)研究[J]. 船舶, 2018, 29(6): 1-8.

Application of hydrogen fuel-powered ships in the Three Gorges Reach

Zhou Yingping, TaoRuhao, Hu Zhifang, Shang Hua

(Three Gorges Navigation Authority, Yichang 443002, China)

U664.1

A

1003-4862(2022)06-0009-04

2021-11-30

周引平（1968-），男，高級(jí)工程師。研究方向：通信及信息化管理和科技研究。E-mail：178811836@qq.com