压缩机技术在氢能领域中的关键应用与创新
压缩机技术在氢能领域中的关键应用与创新
氢能作为未来能源体系的重要组成部分，其高效、清洁的特点使其成为构建低碳能源系统的关键。然而，氢能的制备、储存、运输和利用过程中仍面临诸多技术挑战。本文将深入探讨压缩机技术在氢能领域的关键应用，分析其在解决氢能产业技术难点中的重要作用。
氢气具有来源广泛、燃烧热值高、清洁无污染、利用形式多、可高效储能等优势,已成为构建未来低碳、清洁能源为主的多元能源供给系统的重要能源载体。
利用化石能源制取氢气,通过燃料电池技术可以将氢气的化学能高效地转化为电能,将电网、动力燃料供应网络和热力管网有机结合,使化石能源应用更清洁、更低碳,使可再生能源应用更高效、更便捷。
未来30年甚至更长的时间,化石能源仍将是能源消费结构中的主体能源,特别是中国,煤炭作为主体能源的地位难以动摇,氢能作为化石能源与可再生能源之间的纽带,有助于实现由化石能源过渡到可再生能源的可持续循环,构建清洁低碳、安全高效的能源体系。
目前我国正处于能源结构调整的历史性过渡时期,能源市场正由以“碳经济”为代表的“节流”模式向以“氢经济”为代表的“开源”模式转变。
根据预测,到2060年,我国氢的年需求量为1.3亿吨,约是目前水平的4倍;根据规划,到2025年可再生能源制氢量达到10万吨/年~20万吨/年,到2030年,形成较为完备的氢能产业技术创新体系、清洁能源制氢及供应体系。
目前我国的氢能产业仍处于起步阶段,氢的制备、储存、运输、加注以及电堆等环节都存在技术难点,成本偏高,且核心技术自主化程度低。压缩机作为一种通用机械,在氢能产业各环节中均扮演了重要角色,如图1所示,包括氢液化用氦气螺杆式压缩机、工艺流程用氢气输送压缩机、加氢站用高压加氢隔膜压缩机、燃料电池空气压缩机等。
研究者就这几种典型氢能领域压缩机的应用进行分析。
氢液化用氦气螺杆式压缩机
在对氢能的利用过程中,氢的储运是关键环节之一。相比气氢,由于液氢密度大、纯度高、运输成本低、适合于长距离运输且加注方便等特点,是行业内公认的高效储运形式,氢气的液化成为亟待解决的关键技术。
目前我国的氢液化技术相比国外先进水平还有待提高。就液氢产能看,北美占全球85%以上,其中美国本土占大多数,液氢产能达到326吨/天。亚洲液氢总产能在38.3吨/天,其中日本占据2/3。中国液氢总产能仅为4吨/天。另外,中国液氢生产成本高达500元/千克,是美国的20倍以上。
国内某企业已经开发出氦制冷机和氢液化机,打破了国外的技术垄断,提供了氢液化、液氢储运及加氢站的全套解决方案。燃料电池对氢气的纯度提出了极高要求,按照标准,只有超纯氢才能满足使用要求。
利用氦透平膨胀机可以满足深低温(20K 以下)的大冷量需求,例如在液化装置中液化沸点极低的气体。在氢液化系统中,先通过氦螺杆式压缩机获取高压氦气,通过氦气膨胀制冷,使氢气 液化,同时大多数杂质(如氮气、氧气、二氧化碳、水等)先于氢气低温分离,进一步提高了氢气的纯度。
伴随氢能产业的发展,未来我国的氢气产出要从目前的化石能源产氢逐步转变为可再生能源产氢,利用可再生能源(如太阳能、风能等)发电后进行电解水工序获取氢气,从而减少碳排放。
我国大部分弃风、弃光资源在华北、东北、西北地区,高纯氢气的使用地在华东、华南地区,氢的高效运输是氢能利用的重要影响因素。结合液氢运输的优势,可以预测氢气液化用氦气压缩机的市场前景巨大。
氦气特殊的热物理性质使得氦气螺杆式压缩机的设计较难。氦气分子量小、密度小、运动黏度小、渗透性强,在压缩过程中易泄漏,设计中要减小泄漏通道以保证容积效率和绝热效率。
另外,氦气作为稀有气体,价格很高,对整机的密封性要求极高;氦气绝热指数高(1.667),在压缩过程中温升高,需要预留足够的间隙,防止热膨胀造成的转子和机壳擦伤;在膨胀制冷阶段,润滑油会使得换热器发生冻堵故障,必须实现严苛的油气分离。
为替代进口产品,国内有企业在氦气螺杆式压缩机关键技术方面取得了重大突破,重新设计和优化转子的型线,开展组合式多点喷油冷却密封技术,借鉴发动机行业的气缸高温密封技术,研发螺杆式压缩机专用的金属涂胶橡胶板,发明 OGS(旋风重力滤芯组合式)高效油分,达到10-7级别的排气含油量水平。
工艺流程用氢气输送压缩机
目前国内采用氦膨胀制冷的氢液化装置产量较小,中大型氢液化装置(≥5t/d)多采用液氮预冷循环,在美国、德国等都已经投入运营。
氢气输送压缩机广泛应用于丙烷脱氢、清洁冶金等工艺流程,以丙烷脱氢为例,工艺要求压缩的氢气量为65000m3/h,入口温度为40 ℃,入口压力 为 0.105 MPa(G),出口压力为0.22 MPa(G),出口温度不超过 97 ℃。
氢气是一种易燃易爆气体,由表1可以看出,氢气的爆炸极限很宽,点火能量很小,危险系数较高,氢气压缩机轴伸端的密封技术非常关键。
国内某企业在喷油螺杆式氦气输送压缩机的基础上研制了氢气输送压缩机,解决了稳定性、可靠性方面的问题。目前,该螺杆式压缩机已经服务于东营、杭州以及东华等众多客户。图2所示为该企业设计的一套双级压缩的氢气输送压缩机组。
加氢站用隔膜压缩机
按照氢的不同形态,将对应工艺的加氢站分为高压气态加氢站和低温液态加氢站。我国目前主要以35MPa高压气态加氢站为主,占总加氢站的89%。加氢站的主要设备包括储氢设备、压缩设备、加注设备、站控系统等。
加氢站工作流程如图3所示,氢气由槽车输运至加氢站后通过压缩机加压,达到目标压力后送入储氢设备存放。当燃料电池车驶入加氢站进行加氢时再通过压缩机将氢气从储氢设备中取出,由加注设备注入车中,完成全部工作过程。
在隔膜压缩机运行中压缩气体与润滑油完全隔离,可以保证气体纯度;膜腔的表面积与容积的比值大,被压缩气体散热好,可以实现较高的单级压比;与传统的活塞式压缩机相比,隔膜压缩机没有类似于活塞的结构向外界泄漏,具有极好的密封性,适合用于对氢气进行压缩,成为加氢站的主要加压设备类型。
目前隔膜压缩机的设计存在很多难点:膜腔型线膜片受力不均,容易疲劳破损;膜头结构设计不合理,冷却不充分,导致膜头在工作中受交变应力而开裂;油活塞及油缸设计与加工工艺不完善,引发活塞环提前磨损、油活塞拉缸及抱缸等问题;压缩机外置管路过于复杂,导致运行中出现接头渗漏现象,频繁维护;材料选取困难等。
国内也有公司使用抗氢脆材料,解决了材料寿命问题;自主研发密封沟槽,解决高压密封问题;开发高膜片寿命及输气效率的膜腔型线,解决膜片寿命以及压缩机效率问题;采用环抱式气盘冷却设计,解决排气温度高问题。
发明自动找正、抗干摩擦动密封,减少易损件;采用仿形配合的 活塞、油缸制作方法,解决加工精度高、难的问题;通过膜头集成仿真,解决环境适应性问题;搭建智能物联云监控和预警平台,解决控制联接问题。
45MPa加氢隔膜压缩机、90 MPa高压加氢隔膜压缩机(见图4)、22 MPa大流量充装压缩机均已通过测试进入批量生产。表2所示为该公司隔膜压缩机的主要技术参数。
燃料电池空气压缩机
燃料电池系统主要由燃料电池堆、空气供应、氢气供应、热管理及水管理等5个子系统组成。其中,空气供应子系统总成本约占燃料电池系统成本的20%,能耗约占燃料电池输出功率的20%左右,占辅助系统总能耗的80%。
螺杆式压缩机作为燃料电池用空气压缩机的一种,因其结构简单、可运行工况范围广、动力平衡性好、维护周期长等特点,被世界各国广泛研究并作为燃料电池系统空气压缩机的主要选择机型之一。
国内也有公司开发的燃料电池空气压缩机,压缩腔无油设计,转子采用优化设计的高精度同步齿轮传动,定位精度高,传动性能优,可靠性高;冷、热态综合优化间隙设计,减少内部气体泄漏,提升压缩机容积效率;滚动轴承采用油、脂润滑组合,简化了系统。
自主研发了多功能集成密封技术,有效避免压缩气体的油污染;采用高效型线,运转平稳,密封性好。
燃料电池空气压缩机的开发,不仅给企业带来了良好的经济效益,而且促进了氢能储运技术的突破,实现了核心部件的国产化批量生产,提高了燃料电池系统总体技术水平,为氢能和燃料电池产业发展提供坚实的技术支撑。
氢能分布式发电及热电联产展望
分布式发电指在用电现场或者靠近用电现场配置较小的发电机组(一般不超过30 MW),满足用户特定需求,且支持现存配电网的经济运行。
分布式发电由用户自行控制,不会发生大规模停电事故,可靠性较高;分布式发电与集中供电系统配合使用,可以弥补大电网安全稳定性的不足,在发生意外时继续供电;分布式发电的输配电损耗低,甚至可以不设置配电站,适合于向农村、牧区、山区、小型商业区的居民供电,减少了基建和安装成本。
氢能分布式发电采用氢燃料电池代替传统火电、水电等发电机组,减少碳排放。质子交换膜燃料电池 (PEMFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)都可以用于分布式发电技术,由于PEMFC需要用铂作为催化剂,成本较高,主要用于家用分布式发电和应急电源;SOFC更适合于大型商用分布式发电。
分布式热电联供系统直接针对终端用户,相较于传统的集中式生产、运输、终端消费的用能模式,分布式能源供给系统直接向用户提供不同的能源品类,能够最大程度地减少运输消耗,并有效利用发电过程产生的余热,从而提高能源利用效率。
燃料电池分布式发电具有效率高、噪声低、体积小、排放低的优势,适用于用户侧的千瓦至兆瓦级的分布式发电系统。
目前日本是最大的微型分布式热电联供系统市场,美国、韩国等致力于开发大型燃料电池分布式热电联供系统。质子交换膜燃料电池和固体氧化物燃料电池技术,均已成功应用于家用分布式热电联供系统。
我国燃料电池用于分布式能源系统仍处于示范阶段,从长远看,按照规划,以及五大氢燃料电池汽车示范城市相继落地,氢燃料电池将迎来发展新机遇,分布式氢储能技术具有可观的发展前景。
研究者分析了压缩机技术在氢能领域的四大关键应用:氢液化用氦气螺杆式压缩机、工艺流程用氢气输送压缩机、加氢站用隔膜压缩机以及燃料电池空气压缩机。通过对每种压缩机的工艺流程及实际应用进行分析,阐明压缩机在氢能生产、储存、运输和利用中的核心作用。此外,研究者还提出了一些技术改进和创新方向,解决了氢能利用过程中效率低、成本高、可靠性差等关键问题,为氢能的大规模应用提供了坚实的技术保障。
展望未来,随着技术的不断创新和应用的深入,压缩机技术将在氢能分布式应用中发挥更为重要的作用。