肖 強(qiáng)，張 樂(lè)，張建軍，鐘曾根，曾 勝，王玲子

（1.中國(guó)石油集團(tuán)濟(jì)柴動(dòng)力有限公司 成都?jí)嚎s機(jī)分公司，成都 610100；2.中國(guó)石油集團(tuán) 長(zhǎng)慶油田分公司第三采氣廠(chǎng)，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017300；3. 西安交通大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，西安 710049）

0 引言

隨著人類(lèi)社會(huì)的快速發(fā)展，對(duì)能源的需求也逐漸增大，這導(dǎo)致了化石能源的消耗和二氧化碳排放量的進(jìn)一步上升，因此人們需要尋找更加環(huán)保清潔、安全高效的新能源來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)化石能源體系［1］。氫是一種來(lái)源廣泛、污染小的二次能源載體，能夠方便且高效地轉(zhuǎn)化為電能與熱能，應(yīng)用廣泛［2］。作為氫能“制”與“用”之間的橋梁，科學(xué)合理的儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)是高效發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)的重要前提條件。目前常用的氫氣儲(chǔ)存方式主要有4 種［3］：地上高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、低溫液態(tài)儲(chǔ)氫、固態(tài)儲(chǔ)氫以及地下儲(chǔ)氫。

作為能量載體，氫氣的密度較低，常溫常壓（25 ℃，0.1 MPa）下僅為0.089 kg/m3，因此通常將氫氣壓縮到較高的壓力再進(jìn)行存儲(chǔ)［4］。為了滿(mǎn)足高峰時(shí)期的消費(fèi)需求，氫氣的儲(chǔ)存需要達(dá)到GWh 至TWh 的規(guī)模［5］，如此大規(guī)模的氫氣存儲(chǔ)嚴(yán)重超出了地表可儲(chǔ)存設(shè)施的范圍。地表以下具有巨大的可利用空間，并且不影響人類(lèi)的地上活動(dòng)，可通過(guò)構(gòu)造/地層、殘余/毛細(xì)力、礦物和溶解圈閉或吸附捕集等氣體固定機(jī)制，實(shí)現(xiàn)G-TWh級(jí)規(guī)模氫氣的存儲(chǔ)，從而獲得更高的能量密度，因此地下儲(chǔ)氫具有儲(chǔ)量大、成本低、密封好等優(yōu)點(diǎn)［6］。常用的儲(chǔ)氣地質(zhì)構(gòu)造有鹽穴、含水層、枯竭的油氣田和煤層等［7］，如圖1 所示。

圖1 采用地下儲(chǔ)氫的能源系統(tǒng)方案Fig.1 Energy system scheme of underground hydrogen storage

利用鹽穴等地下構(gòu)造作為儲(chǔ)氣空間時(shí)，氫氣的存儲(chǔ)壓力約為20 MPa［8］，而上游電解水制氫所得的氫氣壓力通常為0.4～2.0 MPa［9］，因此大規(guī)模氫氣存儲(chǔ)過(guò)程中氫氣壓縮機(jī)是不可或缺的關(guān)鍵設(shè)備。通常，在地下儲(chǔ)氣工程中，壓縮機(jī)占據(jù)工程項(xiàng)目中最主要的設(shè)備成本［10］，因此氫氣壓縮機(jī)的效率影響著整個(gè)儲(chǔ)氫系統(tǒng)的能量利用效率，要想構(gòu)建高效環(huán)保的地下儲(chǔ)氫系統(tǒng)，必須研發(fā)或選取具有更高綜合性能的氫氣壓縮機(jī)。

本文首先介紹了氫氣壓縮機(jī)的主要類(lèi)型，其次針對(duì)大規(guī)模地下儲(chǔ)氫過(guò)程中氫氣壓縮的需求，指出了往復(fù)與離心是較為適用的2 種壓縮機(jī)形式，然后從設(shè)計(jì)與配置、容量與壓比、潤(rùn)滑特性、排氣溫度限制、安全與泄漏等方面，進(jìn)一步對(duì)2 種壓縮機(jī)進(jìn)行了對(duì)比，最后分析了這2 種大型氫氣壓縮機(jī)所面臨的問(wèn)題及挑戰(zhàn)。

1 大規(guī)模地下儲(chǔ)氫壓縮機(jī)概述

氫氣的壓縮方式多種多樣，根據(jù)不同的場(chǎng)景有不同的壓縮類(lèi)型，各種氫氣壓縮機(jī)的特點(diǎn)以及優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表1［11-12］。其中，往復(fù)、隔膜等容積式壓縮機(jī)更適用于氫氣壓縮，其工作原理是通過(guò)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)或膜片交替變形來(lái)減少氫氣的容積，使氣態(tài)氫氣被壓縮到更小的空間中，這樣氫氣分子之間與壁面的碰撞概率就會(huì)增加，從而產(chǎn)生更高的氣體壓力［13］。容積式壓縮機(jī)中，隔膜壓縮機(jī)和往復(fù)壓縮機(jī)在氫氣壓縮領(lǐng)域得到了最廣泛的利用，且適用于大流量的應(yīng)用場(chǎng)景。

表1 不同氫氣壓縮機(jī)對(duì)比Tab.1 Comparison of different hydrogen compressors

地下儲(chǔ)氣庫(kù)的特點(diǎn)之一在于其不斷變化的吸氣壓力和排氣壓力，尤其是在實(shí)現(xiàn)調(diào)峰或利用可再生能源等不穩(wěn)定的發(fā)電方式時(shí)，其容積流量具有高度不穩(wěn)定性［14］，這對(duì)氫氣壓縮機(jī)的變流量適應(yīng)性提出了較高的要求。根據(jù)電解水制氫研究結(jié)論，百兆瓦時(shí)規(guī)模氫氣產(chǎn)量可以歸類(lèi)為大規(guī)模儲(chǔ)能，在這種情況下，一個(gè)大型制氫裝置在標(biāo)準(zhǔn)條件下的輸出流量約為200 000 Nm3/h，也即大規(guī)模儲(chǔ)氫流量在200 000 Nm3/h 以上［8］，因此，需要大流量壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模氫氣增壓存儲(chǔ)。目前國(guó)際上已有的4 座地下儲(chǔ)氫，其壓力范圍為4.5～20.0 MPa，儲(chǔ)氣量約為210 000～906 000 m3［15］。因此，從氣體壓力及流量等方面考量，往復(fù)壓縮機(jī)與離心壓縮機(jī)是目前較為可行的能實(shí)現(xiàn)大流量氣體壓縮的壓縮機(jī)，機(jī)型均較為成熟，且在過(guò)程工業(yè)中應(yīng)用廣泛［16］，本文將對(duì)這2 種壓縮機(jī)應(yīng)用于大規(guī)模氫氣壓縮時(shí)的特點(diǎn)進(jìn)行比較。

2 往復(fù)壓縮機(jī)與離心壓縮機(jī)壓縮氫氣特性對(duì)比

從宏觀(guān)角度比較，往復(fù)壓縮機(jī)與離心壓縮機(jī)的不同特點(diǎn)見(jiàn)表2。本文將從設(shè)計(jì)與配置方式、容量和壓比、潤(rùn)滑特性、排氣溫度限制、安全與泄漏等方面進(jìn)一步對(duì)比往復(fù)壓縮機(jī)與離心壓縮機(jī)的不同特點(diǎn)。

表2 離心和往復(fù)壓縮機(jī)特點(diǎn)對(duì)比Tab.2 Comparison of characteristics of centrifugal and reciprocating compressors

2.1 設(shè)計(jì)與配置

往復(fù)壓縮機(jī)壓縮過(guò)程中單級(jí)壓比有限，因此須采用多級(jí)壓縮才能達(dá)到高壓比。十字頭的壓縮機(jī)在壓縮、密封和潤(rùn)滑方面比無(wú)十字頭壓縮機(jī)有更大的優(yōu)勢(shì)，立式和角度式的機(jī)型則可以較好地節(jié)省空間，主要用于300 kW 以下的小型應(yīng)用場(chǎng)合，而帶中間冷卻的多級(jí)雙作用多路臥式壓縮機(jī)則多用于大型應(yīng)用場(chǎng)合。

離心壓縮機(jī)的葉輪與蝸殼間隙及擴(kuò)壓器等均可根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)［17-18］，其在壓縮氫氣時(shí)結(jié)構(gòu)上可相應(yīng)性改善的有：用于高壓或小分子量氣體壓縮的直筒機(jī)殼通常采用雙層夾套結(jié)構(gòu)，能有效減小泄漏，并有利于氫氣的富集；在低入口壓力與大體積流量的場(chǎng)合通常使用雙流道結(jié)構(gòu)；從便于維護(hù)的角度，軸向可拆分結(jié)構(gòu)更具優(yōu)勢(shì)，可在不干擾工藝管道的情況下拆卸上半缸以進(jìn)行維護(hù)，而徑向可拆分結(jié)構(gòu)則需要從壓縮機(jī)非驅(qū)動(dòng)端拆卸壓縮機(jī)內(nèi)部組件，且需要足夠的維護(hù)空間。根據(jù)API 617 標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)殼體內(nèi)氫氣分壓超過(guò)1.4 MPa 時(shí)，應(yīng)使用徑向可拆分殼體。除單級(jí)整體齒輪傳動(dòng)高速壓縮機(jī)外，其他類(lèi)型的離心壓縮機(jī)大多采用臥式布置［8］。

2.2 流量和壓力比

流量和壓比是壓縮機(jī)選擇過(guò)程中重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)，如果體積流量和排氣壓力都滿(mǎn)足需要，還需對(duì)壓縮機(jī)的類(lèi)型進(jìn)行比較。往復(fù)壓縮機(jī)和離心壓縮機(jī)適用的流量與壓比如圖2 所示。可以看出，離心壓縮機(jī)適用于大流量的場(chǎng)合，而往復(fù)壓縮機(jī)適用于小流量的應(yīng)用場(chǎng)合。

圖2 往復(fù)與離心壓縮機(jī)壓比與流量的適用范圍Fig.2 Application range of pressure ratio and flowrate of reciprocating and centrifugal compressors

往復(fù)壓縮機(jī)的最小和最大流量取決于氣缸中活塞的尺寸和運(yùn)行速度，最大單級(jí)壓比主要受限于排氣溫度和活塞桿綜合載荷，給定壓力下桿載荷隨著進(jìn)口壓力增加而增加。通常，單級(jí)壓比在4.5～5.0 之間；進(jìn)口壓力高于7 MPa 時(shí)，單級(jí)壓比在2.0～2.5 之間［19］。

離心壓縮機(jī)的最小和最大流量則取決于阻塞和喘振現(xiàn)象的限制，氣體壓力的上升主要依賴(lài)于葉輪對(duì)其的加速以及在擴(kuò)散器中的減速過(guò)程。單個(gè)壓縮腔中所得的壓差取決于葉輪的速度和氣體的密度，而氫氣的密度很小，因此壓縮氫氣時(shí)單段壓比在1.05～1.20 之間［20］，若想實(shí)現(xiàn)較高的排出壓力，離心壓縮機(jī)的葉輪轉(zhuǎn)速必須提高，或者增加額外的壓縮機(jī)級(jí)，由于最大允許軸長(zhǎng)可能無(wú)法提供足夠空間來(lái)容納所需數(shù)量的級(jí)，因此需要提高葉輪的運(yùn)行速度，并且需配備中間冷卻器，這些都會(huì)使得離心壓縮機(jī)變得昂貴和復(fù)雜。因此，相對(duì)而言，往復(fù)壓縮機(jī)具有更加靈活的流量調(diào)節(jié)機(jī)制和更高的單級(jí)壓力比。

2.3 潤(rùn)滑限制

無(wú)論是往復(fù)還是離心氫氣壓縮機(jī)，如何實(shí)現(xiàn)合理的潤(rùn)滑都是一項(xiàng)有難度的挑戰(zhàn)，其原因在于大部分礦物潤(rùn)滑油的本質(zhì)是碳?xì)浠衔铮c氫氣接觸易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，降低氫氣的純凈度和壓縮效率。

目前，通常采用無(wú)油往復(fù)壓縮機(jī)［8，11］和離心壓縮機(jī)作為氫氣壓縮設(shè)備。對(duì)于無(wú)油往復(fù)壓縮機(jī)，活塞環(huán)承受的載荷不均勻，自潤(rùn)滑材料不耐磨，使得活塞環(huán)需頻繁更換［21］，且其最高排氣壓力僅能達(dá)到20 MPa，要想實(shí)現(xiàn)更高壓力的壓縮仍然存在挑戰(zhàn)。WANG 等［22］在2010 年開(kāi)展了對(duì)高壓無(wú)油往復(fù)氫氣壓縮機(jī)密封性能和氣閥可靠性的研究。通過(guò)模擬和測(cè)量壓縮過(guò)程中活塞環(huán)壓力分布，指出提高第一活塞環(huán)切割尺寸有利于提高壓縮機(jī)的可靠性。

離心壓縮機(jī)通常本身為無(wú)油壓縮機(jī)，對(duì)于低壓比小流量的離心氫氣壓縮機(jī)，壓縮過(guò)程中可采用箔片軸承以改善其在高速運(yùn)行下的工作效率。HESHMAT 等［23］在2013 年通過(guò)準(zhǔn)三維無(wú)黏內(nèi)部流動(dòng)分析和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析，提出了1 種完全無(wú)油且高速高效的離心氫氣壓縮機(jī)的概念設(shè)計(jì)，其采用第四代動(dòng)壓箔片軸承和密封，驅(qū)動(dòng)器可達(dá)到12 MW，運(yùn)行速度達(dá)到56 000 r/min，葉尖速度為600 m/s，流量為20 833 kg/h。其中，采用氫氣作為箔片軸承的潤(rùn)滑劑，不但達(dá)到了完全無(wú)油的工作環(huán)境，消除了輔助供應(yīng)和清除系統(tǒng)，還顯著降低了功率損耗。適用于大規(guī)模氫氣壓縮的高壓比、大流量的離心壓縮機(jī)通常采用有油潤(rùn)滑的滑動(dòng)軸承。

2.4 排氣溫度限制

對(duì)于往復(fù)壓縮機(jī)，過(guò)高的排氣溫度會(huì)損害密封、潤(rùn)滑和氣閥組件。根據(jù)API 618 的要求，在富氫環(huán)境中壓縮機(jī)最高排氣溫度不應(yīng)超過(guò)135 ℃，目前一般會(huì)將往復(fù)氫氣壓縮機(jī)的排氣溫度控制在120 ℃以下［24］。

離心壓縮機(jī)的最高排氣溫度取決于其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其最高排氣溫度一般保持在200～230 ℃［25］，如果提高最高排氣溫度，需要對(duì)壓縮機(jī)的中心支撐隔膜、密封設(shè)計(jì)和O 形環(huán)進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化。

2.5 安全與泄漏

由于氫分子獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，相比于空氣和天然氣，氫氣在壓縮過(guò)程中更容易產(chǎn)生泄漏現(xiàn)象。如果壓縮機(jī)的工作環(huán)境是不易通風(fēng)的室內(nèi)，泄漏的氫氣會(huì)迅速上升并聚集在天花板處，可能會(huì)造成爆炸、窒息和低溫灼傷。

在往復(fù)壓縮機(jī)中，需要填料堵塞住氣體通過(guò)氣缸端蓋與曲柄后并穿過(guò)連桿的泄漏。填料可以由幾個(gè)環(huán)組成，其中通常包括一個(gè)空套環(huán)，該環(huán)提供了一個(gè)空間，可以將氣體或液體注入該空間以輔助密封。除了密封作用外，該距離也是一個(gè)可分離的外殼，其連通氣缸和機(jī)體框架，有助于收集和控制填料泄漏。在這種情況下，泄漏可以指向明火或其他泄漏處置點(diǎn)。

離心壓縮機(jī)大多采用干氣密封，以防止軸泄漏。針對(duì)氫氣壓縮機(jī)的密封問(wèn)題，目前國(guó)內(nèi)外已開(kāi)展了多項(xiàng)關(guān)于O 形圈，以及間隙密封形式的研究［8，26］。對(duì)于所有氫氣壓縮機(jī)，建議使用防漏組件。對(duì)于那些安裝在密閉空間的，需要傳感器來(lái)測(cè)量環(huán)境中的氫濃度。

綜合以上的分析，可知在進(jìn)行氫氣壓縮時(shí)，離心與往復(fù)壓縮機(jī)各有利弊?？傮w來(lái)講，由于往復(fù)壓縮機(jī)固有的容積式壓縮的特點(diǎn)，使得氣體分子量對(duì)壓縮效率的影響較小，從而相比離心壓縮機(jī)，往復(fù)壓縮機(jī)可以通過(guò)更少的壓縮級(jí)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)整體更高的壓比。如同樣實(shí)現(xiàn)4 倍壓比時(shí)，離心壓縮機(jī)通常需要6 級(jí)，而往復(fù)壓縮機(jī)只需要2 級(jí)即可實(shí)現(xiàn)。

WITKOWSKI 等［27］在2017 年針對(duì)質(zhì)量流量為720～10 080 kg/h 的氫氣壓縮過(guò)程，給出了幾種不同往復(fù)壓縮機(jī)和離心壓縮機(jī)的壓縮方案，分別為：在720～1 800 kg/h 較低流量時(shí)，采用3 級(jí)往復(fù)壓縮機(jī)；在3 600～7 200 kg/h 中等流量下，可使用2 段多級(jí)離心壓縮機(jī)串聯(lián)2 級(jí)往復(fù)壓縮機(jī)的壓縮方案。同時(shí)，在10 080 kg/h 的高流量下，WITKOWSKI 提出了一種8 級(jí)整體齒輪式離心壓縮機(jī)，其葉尖速度接近600 m/s。

3 大型氫氣壓縮機(jī)所面臨的問(wèn)題及挑戰(zhàn)

壓縮機(jī)的氣缸通常由金屬材料制成，有鑄鐵、球墨鑄鐵、鑄鋼和鍛鋼等［28］，而氫氣會(huì)對(duì)金屬材料造成腐蝕，因此壓縮氫氣過(guò)程中機(jī)體發(fā)生的脆性現(xiàn)象是氫氣壓縮機(jī)中的共性問(wèn)題［29］。一方面，研發(fā)并選用具有良好力學(xué)性能，同時(shí)能抗氫腐蝕的材料十分關(guān)鍵；另一方面，可在氣缸內(nèi)壁面覆蓋可拆卸的內(nèi)襯并施加涂層，可拆卸的內(nèi)襯在降低后續(xù)維護(hù)成本的同時(shí)，也有利于根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景調(diào)節(jié)氣缸內(nèi)徑，能大大拓寬其應(yīng)用范圍［30］。

氫氣的長(zhǎng)距離管道運(yùn)輸所需要的輸送壓力與天然氣類(lèi)似，但由于氫氣密度和分子量遠(yuǎn)小于天然氣，使得壓縮機(jī)的密封性面臨巨大的挑戰(zhàn)，從而用于壓縮天然氣的往復(fù)圧縮機(jī)與離心壓縮機(jī)難以直接用于氫氣壓縮。

往復(fù)與離心壓縮機(jī)在壓縮氫氣過(guò)程中，因其各自的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)而面臨不同的問(wèn)題及挑戰(zhàn)，下面分別進(jìn)行具體的論述。

3.1 往復(fù)壓縮機(jī)問(wèn)題與挑戰(zhàn)

往復(fù)壓縮機(jī)尤其是無(wú)油壓縮機(jī)，通常用于中等流量且儲(chǔ)存壓力高于3 MPa 的氫氣壓縮［31］。往復(fù)圧縮機(jī)尤其適用于中等流量的高壓壓縮，所需的功耗可高達(dá)11.2 MW，由此產(chǎn)生的氫氣流量高達(dá)890 kg/h，排放壓力為25 MPa［32］。

往復(fù)壓縮機(jī)的流量由其氣缸尺寸和單位時(shí)間內(nèi)的循環(huán)次數(shù)決定，應(yīng)用于高壓比大流量的大規(guī)模地下儲(chǔ)氫場(chǎng)景時(shí)，單臺(tái)往復(fù)壓縮機(jī)運(yùn)動(dòng)部件增多，內(nèi)部零件的尺寸也隨之增大。多個(gè)運(yùn)動(dòng)部件的存在增加了壓縮機(jī)設(shè)計(jì)制造的復(fù)雜性和日常維護(hù)的難度，令使用成本顯著上升，并且由于固體活塞的運(yùn)動(dòng)，使得壓縮過(guò)程中缺乏內(nèi)部冷卻的可能性，增大了熱管理的難度［33］。運(yùn)動(dòng)部件尺寸增加時(shí)，運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量亦增大，故壓縮機(jī)工作時(shí)的慣性力顯著提高。為了限制慣性力提高對(duì)壓縮機(jī)機(jī)械應(yīng)力的負(fù)面影響，降低活塞速度是十分有效的方法，但無(wú)疑會(huì)導(dǎo)致往復(fù)壓縮機(jī)流量的降低。為解決該問(wèn)題，已有設(shè)計(jì)采用非金屬材料制造密封環(huán)和氣閥、使用碳化鎢涂層改善活塞桿性能等。

往復(fù)圧縮機(jī)中，因?yàn)闅忾y的周期性吸排氣，使得壓縮腔及管路內(nèi)的壓力產(chǎn)生脈動(dòng)，并進(jìn)一步引起振動(dòng)而嚴(yán)重影響壓縮機(jī)的可靠性［34］。因此采用往復(fù)圧縮機(jī)時(shí)需要對(duì)壓縮機(jī)氣流脈動(dòng)與管道振動(dòng)進(jìn)行分析與控制，目前現(xiàn)場(chǎng)常用增加孔板等方式減小脈動(dòng)，同時(shí)還需對(duì)壓縮機(jī)實(shí)施連續(xù)監(jiān)測(cè)以預(yù)測(cè)可能發(fā)生的故障。

圖3 示出幾種典型大型往復(fù)氫氣壓縮機(jī)，Ariel 生產(chǎn)的大型中速往復(fù)壓縮機(jī)適用于儲(chǔ)氫場(chǎng)合，其排氣壓力可達(dá)到42 MPa，如圖3（a）所示；Burckhardt Compression 生產(chǎn)的大型立式往復(fù)圧縮機(jī)最大壓力可達(dá)到55 MPa，最大流量可達(dá)到550 kg/h，其為無(wú)油高壓壓縮，可以實(shí)現(xiàn)較高的氫氣純度，如圖3（b）所示；Neuman ＆ Esser 生產(chǎn)的大型往復(fù)壓縮機(jī)，其壓比可達(dá)到35 MPa，流量最高可達(dá)到4 800 m3/h，適用于氫氣的壓縮，如圖3（c）所示。

圖3 幾種典型大型往復(fù)氫氣壓縮機(jī)Fig.3 Several typical large reciprocating hydrogen compressors

如何平衡往復(fù)氫氣壓縮機(jī)的可靠性與經(jīng)濟(jì)性也是值得思考的問(wèn)題。降低每級(jí)工作溫度和級(jí)間壓比能有效提高壓縮機(jī)的可靠性，比如可以將兩級(jí)壓縮轉(zhuǎn)變?yōu)槿?jí)壓縮，此時(shí)壓縮機(jī)可靠性得到了提高，但代價(jià)是增大了20%～30%的資金成本［27］。

3.2 離心壓縮機(jī)問(wèn)題與挑戰(zhàn)

離心壓縮機(jī)廣泛應(yīng)用于天然氣運(yùn)輸領(lǐng)域，理論上，適用于大流量、低壓比的離心壓縮機(jī)也能用于氫氣的壓縮和運(yùn)輸。但氫氣分子質(zhì)量小，因此離心壓縮機(jī)壓縮氫氣時(shí)，需要采用更多的壓縮級(jí)數(shù)，這大大增加了離心壓縮機(jī)壓縮氫氣的難度和成本［35］。

與往復(fù)氫氣壓縮機(jī)類(lèi)似，改進(jìn)離心氫氣壓縮機(jī)必須考慮到氫氣的特殊性質(zhì)，由于氫氣的密度較小，氫氣在壓縮過(guò)程中泄漏到進(jìn)氣入口的趨勢(shì)更加明顯，這無(wú)疑降低了離心壓縮機(jī)的壓縮效率。氫氣的小氣體分子質(zhì)量要求離心氫氣壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速至少高出離心天然氣壓縮機(jī)的3 倍。伴隨著轉(zhuǎn)速的急劇增大，以及對(duì)排氣純度的較高要求，研究人員需要從密封設(shè)計(jì)、抗污染、振動(dòng)、零件材料和轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)等多方面入手，全方位對(duì)離心壓縮機(jī)進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)。

離心壓縮機(jī)通常有前掠、后掠以及直葉片3種葉片形式，使用前掠型葉片時(shí)，壓比相對(duì)較高，但是由于流動(dòng)過(guò)程中會(huì)形成渦，因此壓縮過(guò)程的不穩(wěn)定性增加，較少應(yīng)用于小分子量氣體的壓縮場(chǎng)合；采用后掠型葉片時(shí)，離心壓縮機(jī)的效率較高，但是壓縮過(guò)程中的壓比較小，若要達(dá)到同樣的壓比，其葉尖速度會(huì)顯著提高，因此對(duì)葉片材料性能提出較高要求或需對(duì)葉片進(jìn)行涂層處理［28］；直葉片形式的壓縮機(jī)則是兼具前掠與后掠型葉片壓縮機(jī)兩者的特點(diǎn)，其能達(dá)到的壓比也介于前掠葉片與后掠葉片壓縮機(jī)之間。應(yīng)用于氫氣壓縮時(shí)，可通過(guò)采用直葉片以及葉片密布的方式來(lái)提升壓比。然而，要想實(shí)現(xiàn)較高的排氣壓力，離心壓縮機(jī)的軸封及蝸殼的承壓能力也面臨挑戰(zhàn)。圖4 示出了Howden 生產(chǎn)的大型離心氫氣壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)形式。

圖4 典型大型離心氫氣壓縮機(jī)Fig.4 Several typical large centrifuge hydrogen compressors

SCHUSTER 等［36］在2020 年通過(guò)熱力學(xué)分析和三維CFD 計(jì)算，對(duì)離心壓縮機(jī)在管道中輸送氫氣進(jìn)行了深入研究。研究表明，相比于運(yùn)輸甲烷，離心氫氣壓縮機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度需要增加2.8 倍，更高的周向速度也對(duì)制造壓縮機(jī)的材料提出了更嚴(yán)格的要求，比如采用纖維增強(qiáng)材料進(jìn)行零件的制造加工。TIAINEN 等［37］在2022 年采用一維方法設(shè)計(jì)出了3 種不同出口葉片角度的離心壓縮機(jī)，試圖找到減小葉尖轉(zhuǎn)速以降低機(jī)械應(yīng)力的方法。研究表明在效率相同的情況下，采用-15°的前掠型葉輪可以使葉尖速度降低5%。HONG 等［38］在2022 年分析了離心壓縮機(jī)復(fù)雜通道內(nèi)的三維渦流結(jié)構(gòu)，分別研究了設(shè)計(jì)流量和低流量時(shí)復(fù)雜三維渦行為，并提出了4 種葉輪的優(yōu)化方案，有效減薄了回流區(qū)域且減小了熵升幅度，提高了壓升幅度和絕熱效率。Concepts NREC（CN）［39］在2015 年研制出了當(dāng)時(shí)最大規(guī)模的離心氫氣壓縮機(jī)，重點(diǎn)對(duì)軸密封、流體動(dòng)力軸承、級(jí)間冷卻器、驅(qū)動(dòng)器和變速箱進(jìn)行了優(yōu)化，采用當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的材料進(jìn)行制造與加工，每級(jí)壓比可達(dá)1.26：1，其葉尖速度可達(dá)到701 m/s，流量可達(dá)4 536 kg/h，功率為1 100 kW。

4 結(jié)論與建議

進(jìn)行大規(guī)模的氫氣儲(chǔ)存有利于緩解可再生能源發(fā)電伴隨的間斷性、季節(jié)性以及空間限制等問(wèn)題，進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)氫能經(jīng)濟(jì)的建設(shè)，早日實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。對(duì)比其他儲(chǔ)氫方式，地下鹽穴儲(chǔ)氫具有儲(chǔ)量大、儲(chǔ)存周期長(zhǎng)、密封性好、成本低等優(yōu)點(diǎn)［1］。

壓縮機(jī)作為大規(guī)模地下儲(chǔ)氫項(xiàng)目中的核心設(shè)備，其結(jié)構(gòu)形式及能效特性直接關(guān)系著系統(tǒng)整體的經(jīng)濟(jì)性。對(duì)于地下大規(guī)模儲(chǔ)氫，較適用的壓縮機(jī)類(lèi)型是離心壓縮機(jī)和往復(fù)壓縮機(jī)，其有望實(shí)現(xiàn)大流量、高壓比的氫氣壓縮。

當(dāng)離心壓縮機(jī)和往復(fù)壓縮機(jī)實(shí)際應(yīng)用于氫氣壓縮時(shí)，均需加強(qiáng)氫泄漏和氫腐蝕的防范。其中往復(fù)壓縮機(jī)的維護(hù)成本較高，并且需克服機(jī)組振動(dòng)與氣流脈動(dòng)的影響；離心壓縮機(jī)壓縮氫氣時(shí)，級(jí)數(shù)較多，機(jī)體結(jié)構(gòu)龐大，成本較高。由于2 種壓縮機(jī)分別單獨(dú)使用時(shí)各有優(yōu)劣，因此可考慮采用將兩種壓縮機(jī)聯(lián)合使用的方式，即先用離心壓縮機(jī)吸入大量氫氣并提供一定壓比后再利用往復(fù)壓縮機(jī)壓縮至目標(biāo)儲(chǔ)氣壓力，在此過(guò)程中，需關(guān)注氫泄漏防范、耦合機(jī)組控制系統(tǒng)和變工況運(yùn)行等關(guān)鍵問(wèn)題。