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        加氫站核心裝備制造方法與關(guān)鍵技術(shù)研究

        2022-09-02 09:20:40張夢(mèng)儉
        化工機(jī)械 2022年4期
        關(guān)鍵詞:氣態(tài)膜片儲(chǔ)氫

        張夢(mèng)儉

        (天津安派克氫能源裝備有限公司)

        近年來(lái), 為促進(jìn)我國(guó)氫燃料電池行業(yè)的發(fā)展,國(guó)家積極出臺(tái)了一系列政策規(guī)劃,推動(dòng)氫燃料電池基礎(chǔ)設(shè)施加氫站的建設(shè)[1]。相比電動(dòng)汽車,燃料電池汽車克服了充電時(shí)間長(zhǎng)、電池蓄電能力差及電池報(bào)廢處理難等問(wèn)題。 但是,燃料電池汽車的推廣依然不像電動(dòng)汽車那樣順利。 究其原因,除了燃料電池汽車本身生產(chǎn)成本和銷售價(jià)格居高不下外,配套加氫基礎(chǔ)設(shè)施的稀缺也是制約其快速發(fā)展的最大障礙[2]。 加氫站是連接上游氫氣和下游燃料電池汽車用戶的紐帶,是大規(guī)模發(fā)展燃料電池汽車的基本條件[3]。 在加氫站設(shè)計(jì)建設(shè)過(guò)程中,制定符合需要的工藝流程方案、選取合適的工藝設(shè)備,對(duì)加快加氫站建設(shè)進(jìn)度、合理控制建設(shè)成本,具有至關(guān)重要的作用。

        筆者針對(duì)加氫站核心裝備零件,論述相關(guān)加工制造技術(shù)的研究現(xiàn)狀,為構(gòu)造核心裝備加工制造理論、方法和工藝技術(shù)體系,解決高性能核心裝備零件制造難題提供理論支撐。

        1 加氫站分類及典型工藝流程

        從制氫方式上可以將現(xiàn)有的加氫站分為站內(nèi)制氫供氫加氫站和外供氫加氫站,兩者工作流程略有不同。 站內(nèi)制氫供氫加氫站:加氫站內(nèi)有制氫設(shè)備,可自行生產(chǎn)氫氣,經(jīng)過(guò)壓縮后實(shí)現(xiàn)對(duì)外加氣。 外供氫加氫站:借鑒天然氣子母站的工作原理,氫氣從站外工廠(母站)送至加氫站(子站),經(jīng)過(guò)二次加壓完成對(duì)外加氣。

        站內(nèi)制氫供氫加氫站和外供氫加氫站的工作流程如圖1 所示。

        圖1 站內(nèi)制氫供氫加氫站和外供氫加氫站的工作流程

        從輸送氫氣狀態(tài)上可將加氫站分為氣態(tài)加氫站和液氫到站高壓氣氫加注加氫站。 氣態(tài)加氫站和液氫到站高壓氣氫加注加氫站的配置圖如圖2 所示。

        圖2 氣態(tài)加氫站和液氫到站高壓氣氫加注加氫站的配置

        盡管上述加氫站設(shè)計(jì)原理略有不同,但是關(guān)鍵系統(tǒng)和部件大同小異:

        a. 制氫設(shè)備,僅用于具有現(xiàn)場(chǎng)制氫能力的加氫站,主要有電解水制氫、甲醇裂解制氫和天然氣重整制氫3 種;

        b.純化系統(tǒng),主要應(yīng)用在具有現(xiàn)場(chǎng)制氫能力的加氫站,凈化氫以滿足燃料電池汽車的純度要求;

        c. 儲(chǔ)存系統(tǒng), 包括用于以氣態(tài)形式儲(chǔ)存氫的壓力容器和用于儲(chǔ)存液態(tài)氫的低溫容器,以及在液態(tài)氫蒸發(fā)成氣態(tài)氫時(shí)儲(chǔ)存氣態(tài)氫的壓力容器;

        d. 壓縮機(jī)/增壓器/液氫泵, 將氫氣壓縮到所需壓力, 然后直接加注到燃料電池汽車的罐中,或?qū)⒏邏簹錃鈨?chǔ)存在緩沖罐中供將來(lái)使用,在液氫站中,液氫泵負(fù)責(zé)將液態(tài)氫增壓,增壓后的液態(tài)氫進(jìn)行高壓汽化后存儲(chǔ);

        e. 安全和電氣設(shè)備, 如控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、高壓連接件、儀表、壓力傳感器、氫氣泄漏傳感器及紅外火焰探測(cè)器等;

        f. 機(jī)械設(shè)備,如加氫機(jī)、管道、配件和壓力閥。

        2 氫氣壓縮機(jī)制造方法及主要參數(shù)

        氫氣壓縮機(jī)是將氫源加壓注入儲(chǔ)氫系統(tǒng)的核心裝置,是加氫站三大核心設(shè)備之一,最重要的性能指標(biāo)是輸出壓力和氣體封閉性能,其制造應(yīng)符合GB 50516—2010《加氫站技術(shù)規(guī)范》(2021年版)的要求。 根據(jù)工作原理及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同,壓縮機(jī)分類如圖3 所示。

        圖3 氫氣壓縮機(jī)分類

        常見(jiàn)的氫氣壓縮機(jī)特點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表1。

        表1 常見(jiàn)的氫氣壓縮機(jī)特點(diǎn)對(duì)比

        隔膜式壓縮機(jī)(圖4)是一種容積式壓縮機(jī),由液壓系統(tǒng)和氫氣壓縮系統(tǒng)組成。 液壓系統(tǒng)采用線性往復(fù)式活塞,由電機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)身曲軸進(jìn)而推動(dòng)活塞在活塞缸體內(nèi)行程往復(fù)運(yùn)動(dòng)。 活塞推動(dòng)油腔內(nèi)液壓油運(yùn)動(dòng),液壓油推動(dòng)金屬膜片給氫氣側(cè)加壓。 氫氣壓縮系統(tǒng)由隔膜蓋、三層金屬膜片組和壓縮機(jī)吸排氣閥組成。 液壓油被泵送到膜片組油側(cè),活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)使得進(jìn)入膜片組油側(cè)的液壓油迫使膜片組往膜片組氣側(cè)位移,進(jìn)而膜片組氣側(cè)的壓縮腔容積發(fā)生變化,氫氣通過(guò)壓縮機(jī)吸排氣閥流入和流出。

        圖4 隔膜式壓縮機(jī)設(shè)計(jì)原理

        隔膜式壓縮機(jī)主要參數(shù)如下:

        吸氣壓力 5~20 MPa(G)

        排氣壓力 8~300 MPa

        泄漏率 10-8~10-4mbar L/s(1 bar=0.1 MPa)

        噪聲水平 小于85 dBA@1 m 距離

        最高壓縮比 15∶1

        排氣溫度(冷卻后) 不大于40 ℃

        曲軸轉(zhuǎn)速 250~720 r/min

        軸功率 不大于45 kW

        根據(jù)隔膜式壓縮機(jī)各部分的功能,設(shè)計(jì)隔膜式壓縮機(jī)零部件的制造工藝路線流程,具體如圖5 所示。

        圖5 隔膜式壓縮機(jī)零部件制造工藝路線流程

        由圖4 可知, 隔膜頭的主要部件有隔膜蓋、隔膜組、穿孔板和法蘭。 其中,隔膜組由3 個(gè)獨(dú)立的金屬隔膜片組成,夾在隔膜蓋和穿孔板之間被氣體密封住,外部通過(guò)金屬O 形環(huán)密封。 與氣體接觸的部件只有:隔膜蓋、隔膜組的氣側(cè)隔膜、帶有推力和密封作用的氣閥以及用于密封隔膜的金屬O 形密封圈。 因此,隔膜式壓縮機(jī)采用靜密封形式可以有效避免泄漏問(wèn)題。

        金屬隔膜未受外部污染時(shí),使用壽命約3 000~5 000 h。 為了保證隔膜式壓縮機(jī)出現(xiàn)泄漏時(shí)能夠被檢測(cè)到,使用三重夾層金屬隔膜(圖6)和連接故障指示器系統(tǒng),中層金屬隔膜帶有中心槽結(jié)構(gòu),當(dāng)有隔膜發(fā)生故障時(shí),該結(jié)構(gòu)可及時(shí)阻止氣體穿透液壓部分,或油進(jìn)入氣體部分。

        圖6 帶有中心槽的三重夾層金屬隔膜

        金屬隔膜制作工藝流程如圖7 所示。

        圖7 金屬膜片制造工藝流程

        為實(shí)現(xiàn)隔膜式壓縮機(jī)壓縮氫氣的高性能,制造高性能膜片、優(yōu)化隔膜頭結(jié)構(gòu)是未來(lái)重要的發(fā)展方向。

        3 儲(chǔ)氫壓力容器制造方法及主要參數(shù)

        目前,世界上超過(guò)90%的加氫站均采用高壓儲(chǔ)氫方式,主要使用鋼帶錯(cuò)繞式儲(chǔ)氫罐(圖8)和大直徑儲(chǔ)氫長(zhǎng)管(圖9)。儲(chǔ)氫裝置設(shè)計(jì)、制造應(yīng)符合TSG R0004—2009、JB 4732—1995(2005 年確認(rèn))和GB/T 34583—2017《加氫站用儲(chǔ)氫裝置安全技術(shù)要求》的有關(guān)規(guī)定[4]。

        圖8 罐式儲(chǔ)氫裝置

        圖9 長(zhǎng)管式儲(chǔ)氫裝置

        加氫站儲(chǔ)氫裝置應(yīng)該具備以下基本特點(diǎn)[5,6]:能夠承受高壓;裝置具備在線檢測(cè)功能,一旦氫氣發(fā)生泄漏,可以第一時(shí)間知道;具有發(fā)生危險(xiǎn)自動(dòng)報(bào)警功能;具有良好的經(jīng)濟(jì)性,制造簡(jiǎn)便。

        大直徑儲(chǔ)氫長(zhǎng)管技術(shù)參數(shù)如下:

        公稱工作壓力 45 MPa

        充裝介質(zhì) 氫氣

        公稱容積 3.12 m3

        水壓試驗(yàn)壓力 75 MPa

        工作環(huán)境溫度 -40~65 ℃

        充裝介質(zhì)體積 1 070 Nm3

        充裝介質(zhì)質(zhì)量 96 kg

        氣密性試驗(yàn)壓力 45 MPa

        高壓儲(chǔ)氫罐設(shè)計(jì)參數(shù)如下:

        工作介質(zhì) 氫氣

        介質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)容積 1 000/2 000/3 000/4 000 m3

        容器工作壓力 25 MPa

        容器水容積 4/8/12/16 m3

        設(shè)計(jì)壓力 27.5 MPa

        設(shè)計(jì)溫度 -20~80 ℃

        容器所用主要材料 S31603、Q345R、16MnⅢ

        容器類別 Ⅲ型

        儲(chǔ)氫容器使用拋丸工藝進(jìn)行清潔和拋光后進(jìn)行涂層噴漆,然后通過(guò)質(zhì)量測(cè)試,最后運(yùn)往加氫站。 圖10 為無(wú)縫金屬壓力容器制造工藝流程。

        圖10 無(wú)縫金屬壓力容器制造工藝流程

        儲(chǔ)氫容器的制造向著輕量化、高效能的方向發(fā)展,但由于儲(chǔ)氫標(biāo)準(zhǔn)單一,因此后續(xù)有待完善。

        4 加氫機(jī)制造方法及主要參數(shù)

        加氫系統(tǒng)是為燃料電池汽車加注氫燃料的核心設(shè)備,主要技術(shù)指標(biāo)是加注壓力。 氫氣加注機(jī)的主要結(jié)構(gòu)和工作原理與天然氣加注機(jī)相似,相較于氫氣壓縮機(jī)和高壓儲(chǔ)氫罐而言技術(shù)難度較小。 加氫機(jī)主要參數(shù)如下:

        加注氣體 壓縮氣態(tài)氫

        c. 分離式聯(lián)軸器;

        d. 流量計(jì)和壓力表以及兩個(gè)不同的加氫槍,用于70 MPa 加氫和35 MPa 加氫;

        e. 帶有車載通信單元的插座;

        f. 帶鍵盤的讀卡器;

        g. 急停按鈕及操作說(shuō)明;

        h. H70 和H35 壓力選擇按鈕;

        i. H70 和H35 單價(jià)顯示;

        j. 帶保護(hù)套的H70 和H35 軟管。

        目前,我國(guó)加氫機(jī)核心零部件多為常用高壓涉氫管閥件,其中部分零部件仍需要進(jìn)口,故后續(xù)需要進(jìn)一步進(jìn)行低成本國(guó)產(chǎn)化開(kāi)發(fā)[7]。

        5 結(jié)束語(yǔ)

        通過(guò)對(duì)加氫站核心裝備制造方法及技術(shù)參數(shù)進(jìn)行分析, 結(jié)合相關(guān)加工工藝流程的研究現(xiàn)狀,為構(gòu)造核心裝備加工制造理論、方法和工藝技術(shù)體系, 解決高性能核心裝備零件制造難題,提供參考和依據(jù)。 筆者建議從制造高性能膜片,優(yōu)化隔膜頭結(jié)構(gòu)、 制造輕量化且高效能儲(chǔ)氫瓶,開(kāi)發(fā)低成本國(guó)產(chǎn)化加氫機(jī)三方面對(duì)氫燃料電池汽車加氫站進(jìn)行開(kāi)發(fā)建設(shè)。

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