科技日報記者 何亮
解纜、離泊、啟航……
伴隨著悠揚(yáng)的汽笛聲,在三峽大壩下游江面上,一艘藍(lán)白相間的輪船緩緩馳離碼頭。這艘名為“三峽氫舟1”號(以下簡稱“氫舟”)的船舶,是我國首艘入級中國船級社的氫燃料電池動力船。
氫從水中來,回到水中去。利用三峽電站發(fā)出的綠電制氫,供氫舟使用,產(chǎn)生水再流入江中……為實現(xiàn)這一目標(biāo),中國長江三峽集團(tuán)有限公司(以下簡稱“三峽集團(tuán)”)聯(lián)合多家單位組建研發(fā)團(tuán)隊,經(jīng)數(shù)載攻關(guān),終獲成功。
“氫舟的投用,標(biāo)志著‘氫化長江’邁出實質(zhì)性步伐,對推動長江經(jīng)濟(jì)帶堅持生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展,具有重要示范意義。”日前,在接受科技日報記者采訪時,三峽集團(tuán)長江電力副總經(jīng)理兼總工程師冉毅川表示。
匹配“大心臟”
“靜!”說起氫舟的最大特點,船長李章用一個字來形容。
如此友好的性能,源自研發(fā)團(tuán)隊給氫舟配置的氫燃料電池。
“氫燃料電池在車輛交通領(lǐng)域應(yīng)用有成熟方案,但在船舶交通上,卻無經(jīng)驗可循。”團(tuán)隊成員、中國船舶集團(tuán)有限公司第七一二研究所燃料電池事業(yè)部系統(tǒng)研究室主任王振告訴記者。
首次上船測試,氫燃料電池就出現(xiàn)原因不明的功率波動,引發(fā)停機(jī)檢查。大家逐一排查氫氣、空氣、電池、水熱管理等子系統(tǒng),結(jié)果發(fā)現(xiàn)狀態(tài)一切正常。
如果找不到原因,船在航行中遇到特殊情況,就會像汽車在超車時失去動力一樣,極易造成事故。
“究竟是哪里出了問題?”團(tuán)隊拆了裝、裝了拆,反復(fù)分析研究各個系統(tǒng),始終不得其解。直到有一天,王振腦海中忽然閃現(xiàn)心臟移植手術(shù)——“一定是系統(tǒng)間匹配出了問題。就好似心臟移植后,各個器官自身都是好的,卻會出現(xiàn)‘排異反應(yīng)’?!?/p>
“癥結(jié)”最終被鎖定在動力系統(tǒng)的能源管理策略上。船行江上,自主形成小型電網(wǎng)。氫燃料電池首次入網(wǎng),需要制定專門的管理策略。但這沒有先例,團(tuán)隊只能參照此前柴油發(fā)動機(jī)和鋰電池組網(wǎng)工況設(shè)置參數(shù)。
“我們發(fā)現(xiàn)氫燃料電池發(fā)電反應(yīng)迅捷,但氫氣供給卻略有延遲。這一時間差會造成電網(wǎng)電壓高頻波動,觸發(fā)應(yīng)急保護(hù),導(dǎo)致停機(jī)。”王振介紹。
團(tuán)隊立即著手優(yōu)化能源管理策略,協(xié)調(diào)氫燃料電池與應(yīng)急電源之間的能量輸出,讓應(yīng)急電源在電網(wǎng)需要時及時頂上;同時,調(diào)整動力系統(tǒng)輸出電壓保護(hù)閾值,使其適應(yīng)環(huán)境變化,避免發(fā)生停機(jī)故障。
后續(xù)測試中,李章明顯感覺到,氫燃料電池這顆“大心臟”與其他系統(tǒng)實現(xiàn)了高效匹配、協(xié)同運(yùn)轉(zhuǎn),讓氫舟操控起來更加得心應(yīng)手。
闖過“壓力關(guān)”
按下葫蘆浮起瓢。2023年6月,就在氫舟即將首航測試時,一個意想不到的問題出現(xiàn)了。
船艙內(nèi),蜂鳴器突然警報迭起,提示燃料電池供氫管道入口壓力過高,電池模塊無法啟動。這意味著,氫舟不僅沒了動力來源,用氫安全也面臨挑戰(zhàn)。
氫舟儲氫艙室有32個儲氫罐,罐內(nèi)氫氣最高壓力可達(dá)35兆帕;而燃料電池入口的供氫壓力須保持在0.6至0.8兆帕。只有通過減壓裝置,才能把二者連接起來。
“一定是減壓閥出了故障?!眻F(tuán)隊成員、三峽集團(tuán)長江電力檢修廠水工檢修部船舶潛水分部主任許家銘判斷。
果然,更換減壓閥后,電池模塊順利啟動。
然而,沒幾天,系統(tǒng)再次報警——供氫壓力仍然過高!
減壓閥前后壓力相差50多倍,是氫氣出罐時的瞬間高壓損傷了減壓閥?還是減壓閥前后的保護(hù)措施不力?只能逐一排查疑點。
許家銘在減壓閥前后端增設(shè)保護(hù)閥,并對改進(jìn)后的設(shè)備進(jìn)行了150多次高壓沖擊測試。結(jié)果顯示,減壓閥完好無損。但安裝使用后不久,壓力過高問題依然存在。
首航迫在眉睫,沮喪、困惑、焦慮,寫滿了大家的臉龐。設(shè)計方、造船廠、設(shè)備商……許家銘逐個探尋良方。
“能否跳出減壓閥‘框框’,從管道系統(tǒng)上找答案?”王振提出。這一想法讓團(tuán)隊豁然開朗,很快判明故障原因。
“此前,電池即將啟動時,我們是在減壓閥低壓端對供氫管道進(jìn)行吹掃,確??諝?、泥沙等雜物不進(jìn)入電池模塊。”許家銘解釋,“吹掃過程中的大流量管路放空,造成減壓閥兩端壓力差急劇上升,使閥門密閉件受損,導(dǎo)致電池端供氫壓力過高?!?/p>
團(tuán)隊迅速開出“藥方”——將吹掃流程前置至減壓閥高壓端,改低壓放空為高壓放空。經(jīng)過再三驗證,故障消除,供氫系統(tǒng)安全可靠,氫舟平穩(wěn)啟動。
定制“加氫臂”
氫舟已動,氫從何來?
“給船舶加注氫氣,我們是‘第一次吃螃蟹’?!眻F(tuán)隊成員、三峽集團(tuán)長江電力科學(xué)技術(shù)研究中心主管研究員關(guān)蘇敏告訴記者,氫氣的制取、壓縮、存儲都有成熟方案,但如何實現(xiàn)船舶氫氣加注,是個全新課題。
與氫能汽車加氫相比,船舶的氫氣加注量大、持續(xù)時間長,還要考慮在突發(fā)狀況下,具備緊急切斷船岸連接的功能。
此外,氫舟泊岸時,船岸距離不固定。不同季節(jié),垂直方向會有10余米的落差;受強(qiáng)風(fēng)、水流等因素影響,水平方向也會產(chǎn)生數(shù)米誤差。關(guān)蘇敏介紹:“三峽庫區(qū)汛前調(diào)水騰庫容,汛末蓄水促發(fā)電,季節(jié)性調(diào)整讓大壩下游水位隨之漲落。惡劣天氣下,船體更會劇烈晃動,無法精準(zhǔn)系泊。”
船舶充氫口位置變化莫測,且加氫管道內(nèi)氣壓高,難以人為控制走向。顯然,陸上靜位加氫方案無法照搬?!拔覀儽仨氄业揭环N能長能短、能上能下、剛?cè)岵?jì)的解決方案?!标P(guān)蘇敏說。
“三節(jié)棍?”有團(tuán)隊成員突發(fā)奇想。“對,把三節(jié)棍第一節(jié)改為垂直可俯仰,另外兩節(jié)依托其移動、伸縮不就行了?!逼渌麍F(tuán)隊成員跟著展開想象。
思路一旦打開,靈感猶如泉涌,“折疊機(jī)械臂牽引高壓軟管”方案應(yīng)運(yùn)而生。不久后,一座為氫舟量身定制的“加氫臂”矗立在楊家灣碼頭綠電綠氫示范站前。它能在水平距離10米內(nèi)、垂直落差5至13米內(nèi)靈活加氫。
如今,氫舟已成功越過能源管理、安全運(yùn)轉(zhuǎn)、氫氣加注“三重大山”,穿梭于三峽大壩和葛洲壩之間,在一江碧水中開展運(yùn)輸、巡查、應(yīng)急等工作。
黨的二十屆三中全會提出,聚焦建設(shè)美麗中國,加快經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展全面綠色轉(zhuǎn)型,健全生態(tài)環(huán)境治理體系,推進(jìn)生態(tài)優(yōu)先、節(jié)約集約、綠色低碳發(fā)展,促進(jìn)人與自然和諧共生。
展望未來,冉毅川信心滿滿:“我們將在‘制氫、加氫、儲氫、用氫’等方面全程發(fā)力,探索氫能多元應(yīng)用,為推動長江大保護(hù)和踐行‘雙碳’目標(biāo)貢獻(xiàn)力量!”