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走近大国工程丨探访我国首个重载铁路加氢站

发布时间:2024-07-01  来源:中央纪委国家监委网站  字体大小[ ]

   走近大国工程丨探访我国首个重载铁路加氢站

  中央纪委国家监委网站 沈东方

 

我国首个重载铁路加氢站——巴图塔加氢站的站内设备。

 

国内首台氢气品质移动检测车在巴图塔加氢站内进行全过程氢气品质检测。

 

巴图塔加氢站工作人员对站内设备进行巡检。

 

巴图塔加氢站内的加氢机器人正在对氢能源动力机车进行加氢作业。

 

巴图塔加氢站全景。 国家能源集团供图

  氢能,是氢和氧进行化学反应释放出的化学能,具有来源丰富、燃烧热值高、清洁无污染等特点。近年来,氢能被应用于社会生产生活各方面,不少大型城市开始兴建加氢站等基础设施,氢能技术与产业得到大规模推广。

  6月2日,我国首个重载铁路加氢站——国家能源集团国华投资蒙西分公司巴图塔加氢站正式投入商业运营。这标志着中国氢能技术的重大突破,为推动氢能与重载铁路、氢能与自动加氢机器人、氢能与大流量加氢机的深入融合,探索推广氢能产业新型商业模式和高质量发展提供先行先试经验。

  巴图塔加氢站是如何工作运行的?它的建成投运将为我国交通运输业绿色低碳转型带来哪些助力?记者带您一起探访位于内蒙古自治区鄂尔多斯市新朔铁路海勒斯壕南站西侧的我国首个重载铁路加氢站。

  没有污染物排放、不用重新架设取电网,氢能被首次运用于我国铁路运输行业

  “喝”的是氢气,排的是水蒸气。氢具有燃烧热值高的特点,约是同质量汽油的3倍、酒精的3.9倍、焦炭的4.5倍。通过燃料电池可实现综合转化效率90%以上,具有很高的经济性。此外,氢燃烧的产物只有水,没有污染物及碳排放,是世界上最干净的能源,能够有效缓解温室效应和环境污染。

  随着全球对绿色能源需求的不断增长,氢能逐渐成为替代传统化石能源的重要选项,我国在这一领域的探索与投资也愈加深入。今年的政府工作报告提出“加快前沿新兴氢能、新材料、创新药等产业发展”,这是氢能首次作为前沿新兴产业被着重提及。

  “加氢站是指专门为氢能源汽车、铁路机车等交通工具提供加氢服务的基础设施,通过将氢气注入氢能源汽车、铁路机车中,使其产生电能来推动汽车、机车运行,实现零排放。”巴图塔加氢站氢能专业工程师田翔宇介绍,按建设形式的不同,加氢站可分为固定式加氢站、撬装式加氢站和移动式加氢站;按氢气来源的不同,加氢站可分为站外制氢加氢站和制氢加氢合建站;按氢气存储状态的不同,加氢站可分为高压气氢加氢站和液氢存储型加氢站;按加注压力的不同,可分为35兆帕加氢站和70兆帕加氢站。

  截至2023年底,全球已建成998座加氢站,其中,我国以428座加氢站处于领先地位。加氢站可以为小型汽车、货车、重卡、客车、轮船等交通工具加氢,而氢能在铁路领域的应用,巴图塔加氢站在国内尚属首次。

  氢能+重载铁路,两者为何结合?“国家能源集团有两千多公里的自营重载铁路,主要用于运输煤矿、化工产品等大型原材料货物。一直以来,我们使用的轨道车和大型养路机械主要采用大功率柴油发动机作为动力源,存在能耗高、尾气污染大、噪音大等问题。”田翔宇说,氢能是高效清洁环保型能源,其能量利用的最终产物为水,由于没有任何污染物的排放,不用重新架设取电网,因此有了重载铁路加氢站这样的实践尝试。

  田翔宇介绍,巴图塔加氢站的主要工作原理是通过加氢站压缩机把外购的氢气最高增压至43.5兆帕,注入储罐储存;当重载铁路作业机车需要加氢时,通过自主开发的智慧站控系统和自动加氢机器人实现对作业车辆的自动加氢。从配置来看,加氢站共有1台长管拖车、1台45兆帕撬装压缩机、1台大流量加氢机、1台冷水机组、1台15立方米氢气储气瓶组,配套设站控系统、火气系统、防爆墙、氮气系统及放散系统等。

  从外观上看,加氢站和加油站非常相似,但有一点显著的区别——加油站的油罐埋在地下,没有压力;而加氢站的储罐是位于地面上、带压力的储氢容器。

  为什么要给储罐加压?“一是为了储氢,二是为了加氢。”田翔宇解释道,“氢气的分子量很小,在常压下储量会很低。此外,加氢站给火车加氢的过程,就是高压力容器往低压力容器注气以平衡压力的过程,所以只有当储罐的压力高于火车氢燃料储存容器的压力,才能顺利实现加氢。”

  耐低温型自动加氢机器人助力,20分钟可加注完成一辆65千克储氢量机车

  “咔”的一声,随着氢能源动力机车停止轰鸣,耐低温型自动加氢机器人伸出摇臂、取出加氢枪、插入机车加氢口开始加注。20分钟后,机车加氢完毕,加氢机器人自动返回加氢机……这是耐低温型自动加氢机器人给重载铁路氢能源动力机车加氢的场景。

  根据不同制取方式,氢能可分为绿氢、灰氢、蓝氢、紫氢、金氢等,该加氢站目前使用的是绿氢。所谓绿氢,是指通过风能或太阳能等可再生清洁能源发电,再利用这些清洁电能,以电解水方式制取氢气。绿氢在制取过程中基本不产生温室气体,是目前氢能发展的主要趋势。

  与加油站不同,有了加氢机器人的助力,铁路机车的整套加氢流程不需要依靠人工即可完成。

  田翔宇介绍,耐低温型自动加氢机器人系统由防爆小屋、防爆机器人系统、防爆视觉系统、电控系统和气动系统构成。在室外光照条件下,能够自动完成防爆小屋开门、夹取加氢枪、视觉系统识别、插入加氢口、自动锁紧加氢枪、拔枪、系统复位的加氢全过程。同时,机器人还具备高级别的氢气防爆,嵌入的主动识别风险功能可在加注过程中实时监测车辆及环境情况,能最大程度保证系统及人员安全。

  谈及加氢站的工作效率,田翔宇给记者列举了一组数据:项目投入运行后,加氢能力为500千克/天,储氢能力为800千克,最大加氢流量达7.2千克/分钟。对于铁路机车来说,氢气被储存于车辆储氢罐,一般来说一辆氢能调车机车的储氢罐能储存140千克氢气,当储氢量小于15千克时需要进行加注。由此推算,500千克/天的加氢能力意味着巴图塔加氢站一天最多可满足4辆调车机车的加氢需求。

  加氢流量越大,效率越高。本项目开始前,国家能源集团北京低碳清洁能源研究院(以下简称“低碳院”)已经研制了35兆帕和70兆帕快速加氢机,并已在佛山、张家口等16座加氢站商业化应用,连续无故障加注超过9万次,累计加氢量超过840吨。在此基础上,对大流量加氢过程进行充分理论分析、模拟计算、反复试验,最终完成大流量加氢机研制,最大加氢流量可达7.2千克/分钟。

  “巴图塔加氢站的加注速率约是普通加氢站的两倍。实际操作中,考虑到前后流量变化等因素,加注完成一组150千克储氢量的机车约需50分钟,而对于65千克储氢量的机车来说,加注时间甚至短于20分钟。”田翔宇说。

  “未来,大流量加氢机将会在铁路、轮船等大容量车(船)载储氢场景推广应用。”低碳院氢能(氨能)技术研究中心氢能储运加技术部经理赵文静表示,将以当前35兆帕压力等级、7.2千克/分钟加注速率为起点,逐步向70兆帕压力等级、20千克/分钟加注速率目标延伸探索,实现更为高效、安全和快速的氢气加注。

  氢气微泄漏风险管控系统保障加氢站安全运行,普通机车经过改造即可加氢

  储存和运输,始终是能源利用的技术难题。氢气是世界上最轻的气体,密度小、易燃烧,储运成本高,需要采取严格的运输标准和管控措施。

  为了保证加氢站的储氢安全,国华投资(氢能公司)针对氢能设施的安全管控开展了一系列技术攻关,开发了氢气微泄漏风险管控系统,包含感氢胶带+AI视频识别技术+智能巡检系统,用于监测氢气泄漏问题。

  “我们会在易发泄漏的位置粘贴感氢胶带,布设AI智能监测摄像头,对重点位置进行监控。如果出现部件受损或密封失效,感氢胶带与氢气接触,会产生不可逆的颜色变化,由原来的浅色变成深黑色。同时,智能预警系统也会进行预警提示,巡检人员可依据胶带颜色精确辨识泄漏的位置与严重程度,及时采取应对措施,以提升巡检效率,提高加氢站的安全性。”田翔宇说。

  在正式投入商业运行前,巴图塔加氢站工作人员重点对站内氢探、火探、紧急停车等应急设备进行了调试,并对专用工具、防护用品、应急物资等进行检查,开展了现场操作模拟演练20余次,充分做好安全保障工作。

  目前,巴图塔加氢站的服务对象是国内首台大功率氢能源动力调车机车和国内首台以“氢燃料电池+锂电动力电池”为动力的“零排放”接触网作业车,这两辆氢能机车正式运营后,每年可减少800吨二氧化碳排放。

  “未来该站亦可为其他类型的氢能机车进行加氢作业,普通机车仅需将机车的动力系统改造为氢燃料电池系统,设置储氢装置即可在该站进行加氢。”田翔宇表示,随着该加氢站的建成和作业车辆的示范运行,国家能源集团运输板块将逐步采用氢燃料电池机车代替传统内燃机车,充分发挥氢能的清洁特性,极大降低机车燃油消耗,有效改善机车作业人员的工作环境。

  交通领域是氢能示范应用的首要阵地,也被视为氢能产业成长的蓝海。《氢能产业发展中长期规划(2021-2035年)》提出,有序推进氢能在交通领域的示范应用,不断提升交通领域氢能应用市场规模。

  低碳院氢能(氨能)技术研究中心氢能储运加技术部高级工程师董辉认为,氢能在交通领域的应用具有独特的经济优势。“尽管目前氢能的使用成本相对较高,但随着技术进步、生产规模扩大等,氢能技术的成本将逐渐降低。此外,与传统燃油车辆相比,氢燃料电池车辆的使用寿命更长,维护成本更低。随着可再生能源的逐渐普及和氢能技术的成熟,交通运输行业可以减少对有限资源的依赖,实现更加可持续的能源供应。”

  我国发展氢能具有良好基础,也面临诸多挑战。绿氢供应、氢储运路径和基础设施建设、氢燃料电池核心技术装备、氢燃料电池汽车技术装备等均有待逐一攻破,未来还需要不断探索新技术、取得新进展,开创氢能技术突破和产业化新局面。

中国企业新闻网摘编亓淦玉

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