胥澤文

〔中國石化重慶石油分公司 重慶 400010〕

隨著氫燃料電池技術的成熟應用，氫燃料電池汽車的加快發(fā)展，國家碳達峰、碳中和總體目標要求的提出，以及加氫站發(fā)展建設受到政策的支持，近年來加氫站的建設投資發(fā)展有加快的趨勢。然而，由于加氫站的工藝技術水平提高受使用條件的限制，目前投營加氫站加氫量較少，問題暴露不充分。雖然部分加氫站設備運行過程中也出現(xiàn)了一些問題，但因數(shù)量較少，未得到有效的重視。

1 加氫站工藝概況

加氫站與加油站、加氣站類似，是專門為氫燃料電池汽車加注氫氣的車用能源供應基礎設施。加氫站系統(tǒng)結構與CNG加氣子站較為接近。由于氫氣與天然氣的加注壓力和氣體特性不同，加氫站的壓力設計和管材要求與傳統(tǒng)CNG加氣子站存在一定區(qū)別。加氫站的工藝系統(tǒng)如圖1所示。原料氫氣由高壓氫氣拖車運輸?shù)郊託湔荆?jīng)卸氫柱卸氫，氫氣壓縮機增壓后，存儲于高壓儲氫瓶組中，再經(jīng)加氫機加注到燃料電池汽車中使用。氫氣的質量由原料氣供氫單位保證，加氫站需保證卸氫、增壓、儲存和加氫過程中不對氫氣造成污染。

圖1 加氣站工藝流程示意

加氫站的裝備主要由卸氫柱、氫氣壓縮機、儲氫裝置(儲氫瓶組、儲氫罐、儲氫井)、加氫機以及氫氣冷卻所需的水冷機組等組成。

加氫站工藝設計引用已建站工藝的情況較多。由于國內(nèi)加氫站處于發(fā)展的初期，氫燃料車輛處于發(fā)展起步階段，車輛較少，日加氫量低。為減少投資，加氫站工藝主流設計為氫氣拖車運輸，隔膜壓縮機一級壓縮，壓縮機進氣壓力5～20 MPa，排氣壓力45 MPa，儲氫瓶15 m3，分高、中壓配置，多數(shù)加氫站只配置一臺加氫機。

2 氫氣壓縮機使用情況

氫氣壓縮機作為加氫站的核心設備，受氫氣的特性以及燃料電池系統(tǒng)對氫氣的純度要求高的影響，加氫站氫氣壓縮機的設計和選擇顯得尤為重要。目前主流壓縮機主要分為液驅壓縮機和隔膜壓縮機，液驅壓縮機和隔膜壓縮機又有一級壓縮、二級壓縮和多級壓縮之分。

液驅壓縮機的缸結構設計有十幾種，缸結構設計決定其是否適用于高純氣體壓縮；可用于高純氣體壓縮的缸結構設計共有3種，主要廠家有Hydro-Pac、Haskell、Hofer、麥格思維特、康普銳斯；其中Haskell、Hofer的45 MPa的壓縮機采用了一級壓縮設計，槽車卸氣壓力在7～8 MPa，麥格思維特、康普銳斯的45 MPa壓縮機采用二級壓縮機設計，槽車卸氣壓力最低可到2 MPa。麥格思維特采用的是每個壓縮缸一級，500 kg加氫站壓縮機采用三個一級缸并聯(lián)再與兩個并聯(lián)的二級缸串聯(lián)的形式組成3+2的兩級壓縮形式，液壓系統(tǒng)及管路系統(tǒng)較復雜。

隔膜壓縮機主要使用美國的PDC壓縮機，國產(chǎn)隔膜壓縮機由于其性能低，使用壽命短，很少用于加氫站。壓縮機主要技術參數(shù)見表1。

表1 加氫站壓縮機的主要技術參數(shù)

由表1可知，目前在用加氫站壓縮機采用一級壓縮，卸氫余壓最低5 MPa，壓縮機排氣溫度高達200 ℃。

3 目前加氫站壓縮機工藝設計存在的主要問題

3.1 氫氣拖車卸氣余壓高，卸氫率低

目前，國內(nèi)氫氣運輸車充裝壓力為20 MPa，加氫站設計卸氣最低壓力為5 MPa，實際卸氣余壓在6～7 MPa，卸氣率不足70 %。加氫站的原料氫氣成本由氫氣采購成本和氫氣運輸成本構成，氫氣卸氣率低，運輸成本大幅增加。卸氣余壓高的原因是加氫站壓縮機采用一級壓縮設計，卸氣到后期壓縮比較高，壓縮機的排氣量過低，排氣溫度過高，耗電明顯增加，經(jīng)濟性差，很多加氫站卸氣余壓在6～7 MPa即實行換車。如果以后氫能源汽車發(fā)展得好，加氫量增加，卸氣后期排氣量不能滿足加氫速度，也可能造成提前換車。

如果壓縮機進氣壓力降低到2 MPa以下，提高氫氣拖車的卸氫率，可以大幅降低氫氣的運輸成本。按氫氣每100 km運費10元/kg測算，容積22.5 m3的氫氣拖車，卸氣余壓由5 MPa降低到2 MPa，每車卸氣量可由約為290 kg增加到約350 kg，運距100 km的加氫站每車可節(jié)約氫氣運費600元，經(jīng)濟效益可觀。

3.2 壓縮機排氣溫度高

目前加氫站氫氣壓縮機多采用一級壓縮，進氣壓力5～20 MPa，排氣壓力45 MPa。卸氣后期壓縮比高，卸氣余壓接近5 MPa時排氣溫度高達250 ℃。壓縮機排氣溫度高，造成諸多問題，一是壓縮機易損件在高溫工作下壽命變短，一級壓縮機與二級壓縮機比較，其維護周期明顯短很多；二是鐵碳合金在200～300 ℃時易發(fā)生“氫脆”，金屬與氫反應生成甲烷，甲烷氣在晶界空隙內(nèi)引起裂紋，使材料的塑性降低，引起氫腐蝕。已發(fā)現(xiàn)多臺隔膜壓縮機膜頭開裂的情況，造成安全隱患和較大的經(jīng)濟損失。為了降低壓縮機的排氣溫度，部分加氫站采用進氣預冷的工藝，將氫氣在進入壓縮機前預冷到5 ℃以下，可以一定程度上降低排氣溫度，但無形中又增加了氫氣壓縮的能耗。

4 加氫站壓縮機設計的建議

4.1 采用兩級或多級壓縮，降低各級壓縮比，保證排氣溫度符合標準

《JB/T 10909—2008小型往復活塞氫氣壓縮機》標準中規(guī)定壓縮機的排氣溫度不超過135 ℃。

氫氣壓縮比與排氣溫度關系見表2，壓縮機壓縮比越高，排氣溫度越高。

表2 氫氣壓縮比與排氣溫度關系

由表2可知，在進氣溫度35 ℃的情況下，壓縮比控制在4以內(nèi)，可以控制排氣溫度在151.1 ℃。如果采用進氣預冷，排氣溫度可以控制在135 ℃以內(nèi)。壓縮比超過4后，即使采用預冷措施，壓縮機的排氣溫度也很難降到135 ℃以下。

現(xiàn)有加氫站排氣壓力45 MPa，若進氣壓力5 MPa，總壓縮比為9，采用一級壓縮的壓縮比為9，排氣溫度238 ℃；采用兩級壓縮的單級壓縮比為3，排氣溫度123.9 ℃，排氣溫度大幅降低。若將進氣壓力降到2 MPa，總壓縮比為22.5，采用一級壓縮無法實現(xiàn)，采用兩級壓縮的單級壓縮比約為4.65 ，排氣溫度約為160 ℃，采用三級壓縮，第一級壓縮比2.5，排氣溫度約為92 ℃，第二、三級單級壓縮比仍為3，排氣溫度123.9 ℃?？梢?，不論液驅壓縮機還是隔膜壓縮機，增加壓縮級數(shù)可有效控制排氣溫度，也可降低進氣余壓到2 MPa。另外，在相同功率，進排氣壓力相同的情況下，多級壓縮能耗遠小于單級壓縮。相同功率工況下，多級壓縮排量遠大于單級排量。

液驅壓縮機容易實現(xiàn)多級壓縮設計，采用三級壓縮較優(yōu)；隔膜壓縮機采用多級壓縮投資可能增加較多，但采用兩級壓縮加進氣預冷，壓縮比控制在4以內(nèi)，卸氣余壓降到3 MPa以下，也同樣可以有效地控制排氣溫度在標準規(guī)定的135 ℃以內(nèi)。

4.2 分進氣壓力段設計壓縮機級數(shù)

由于氫氣運輸車內(nèi)的氫氣壓力在20～2 MPa范圍內(nèi)變化，幅度較大，固定的壓縮機級數(shù)設計無法全壓力段滿足較優(yōu)的工況性能。

壓縮機的排氣量隨進氣壓力的下降而大幅下降，進氣壓力低于8 MPa時，排氣量標準狀態(tài)下不足400 m3/h，氫氣壓縮的單位能耗會大幅增加。

氫氣壓縮機按進氣壓力采用兩級壓縮和三級壓縮組合設計，即進氣壓力8～20 MPa范圍時采用兩級壓縮，可以與現(xiàn)在運行的兩級壓縮機相同，壓縮比為3，此段由于進氣壓力高，平均排氣量高。進氣壓力2～8 MPa時，采用三級壓縮，增加的一級壓縮，壓縮比設計在4以下，進氣壓力2～8 MPa，排氣壓力12.5 MPa，平均排氣量比照兩級壓縮機進氣壓力為12.5 MPa時的排氣量，這樣就將排氣量較低的壓力段替換成高排氣量段，提升壓縮機全過程的平均排氣量，有效縮短了卸氣時間，降低卸氣余壓的同時也降低綜合能耗。各級壓縮比合適，各級排氣溫度都能控制在135 ℃以下。

此法在液驅壓縮機中容易實現(xiàn)，增加一級壓縮缸即可。液壓源方面將單泵單電機改為雙泵雙電機，高壓段單泵單電機互為備用工作，低壓段雙泵同時啟用，既滿足了三級壓縮的能源保證，也提高了液壓源的容錯率。隔膜壓縮機實現(xiàn)三級壓縮投資可能大幅增加，解決難度略大。

分進氣壓力段設計壓縮機級數(shù)，高進氣壓力段功率與兩級壓縮機相同，在低壓力段增加一級壓縮，配備功率有所增加，但因增加一級壓縮替換了兩級壓力的低排氣量工作段，卸氣速度提高，卸氣運行時間縮短，電耗增加有限。并可以實現(xiàn)較低的卸氣余壓，有較好的經(jīng)濟效益。兩級壓縮機進氣壓力與排氣量的對應關系見表3。

表3 某兩級壓縮機進氣壓力與排氣量的關系

5 結束語

氫氣壓縮機的設計、選型對加氫站的安全、經(jīng)濟運行起著重要的作用。多級壓縮更有利加氫站的工況條件，分進氣壓力段設計壓縮機級數(shù)更能提高壓縮機工作效率和經(jīng)濟性。