氫液化調(diào)節(jié)閥研發(fā)現(xiàn)狀與思考

郝加封， 滕磊軍， 王 濤， 曲偉強， 孫擁軍

（北京航天試驗技術(shù)研究所， 北京 100074）

0 引言

隨著全世界汽車保有量的日益增多， 能源緊缺和環(huán)境污染問題愈發(fā)凸顯， 已成為人類生存和發(fā)展面臨的兩大挑戰(zhàn)[1]。氫能和氫燃料電池技術(shù)是世界能源轉(zhuǎn)型和動力轉(zhuǎn)型的重大戰(zhàn)略方向[2]。氫燃料電池汽車具有環(huán)保性能佳、轉(zhuǎn)化效率高、加注時間短、續(xù)航里程長等優(yōu)勢，是未來汽車工業(yè)可持續(xù)化發(fā)展的重要方向之一[1]。隨著世界各國均積極布局氫能產(chǎn)業(yè)，我國也先后在“十三五”規(guī)劃的多個政策文件中，明確提出了將“氫能與燃料電池”作為戰(zhàn)略任務(wù)和重點任務(wù)來大力發(fā)展， 指出了我國氫能標準化發(fā)展戰(zhàn)略和技術(shù)路線圖的方向[3]。

氫能的有效利用必須要首先解決制取、 儲運和應用等一系列問題，而制取和儲運則是氫能應用的關(guān)鍵，也是目前氫能用戶端價格高昂的主要原因[4]。氫能儲運一般分為高壓氫氣儲運和低壓液氫儲運。 相對于高壓氫氣，液氫體積能量密度高、儲運成本低、儲存壓力低，更安全，應用前景更為廣闊，有望成為大規(guī)模運輸?shù)闹饕问健?為了采用高能高效的液氫儲運，必須擴大液氫生產(chǎn)規(guī)模，大規(guī)模布局建設(shè)氫液化生產(chǎn)線，研發(fā)氫液化生產(chǎn)設(shè)備。 其中，作為液氫生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備， 氫液化調(diào)節(jié)閥單體設(shè)備的研發(fā)就顯得尤為重要。

1 國內(nèi)外氫液化調(diào)節(jié)閥研發(fā)現(xiàn)狀

1.1 國外氫液化調(diào)節(jié)閥研發(fā)現(xiàn)狀

半個多世紀以來， 世界各國圍繞氫液化開展了大量的研究，技術(shù)逐漸成熟，初具規(guī)模。

20 世紀60 年代， 由于美國阿波羅登月計劃的需求，液氫開始工業(yè)化生產(chǎn)。 隨著美國太空計劃的發(fā)展，1965～1970 年，液氫的生產(chǎn)達到了歷史最高水平，日產(chǎn)液氫約220t。20 世紀70 年代開始，液氫的應用推廣到金屬加工、浮法玻璃生產(chǎn)、化學合成和油脂處理；80 年代后推廣到航天飛機、粉末冶金和電子技術(shù)行業(yè)[5]。 到目前為止，美洲有15座正在運行使用的氫液化裝置， 每座氫液化裝置液氫日產(chǎn)量為5～34t， 其中9 座位于美國，5 座位于加拿大，1 座位于圭亞那。北美對液氫的需求和生產(chǎn)最大，占全球液氫產(chǎn)品總量的84%。 在美國，33.5%的液氫用于石油工業(yè)，18.6%用于航空航天，僅0.1%用于燃料電池[5]。 歐洲有4座，總生產(chǎn)能力為5～10t/d，1 座位于法國，2 座位于德國，1 座位于芬蘭；亞洲有11 座，總生產(chǎn)能力為0.3～11.3t/d，其中7 座位于日本，3 座位于印度，1 座位于中國北京[5]。

在液氫生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備——氫液化調(diào)節(jié)閥的研發(fā)方面，國外現(xiàn)在已經(jīng)達到先進水平[6]。目前，國外氫液化低溫調(diào)節(jié)閥生產(chǎn)公司主要有美國的EDEN 和PHPK 公司，法國的VELAN 公司、 瑞士的WEKA 公司以及日本的東工公司。 這幾家公司所提供的低溫調(diào)節(jié)閥按低溫系統(tǒng)中的常用規(guī)格，公稱尺寸從DN6 到DN150，公稱壓力一般分為PN10、PN16、PN25 和PN32 等規(guī)格[7]。

世界上只有“法液空”、“林德”及“深冷”三家公司提供商業(yè)化的大型低溫制冷設(shè)備產(chǎn)品與配件， 其中 “法液空”與“林德”公司在低溫系統(tǒng)中也主要采用WEKA 和VELAN 公司的低溫調(diào)節(jié)閥產(chǎn)品[7]，如圖1 所示。

圖1 進口氫液化低溫調(diào)節(jié)閥Fig.1 Imported hydrogen liquefaction cryogenic control valve

此外， 國際上主要采用 《BS6364 低溫閥門》和《MSSSP-134 對低溫閥門及其閥體/閥蓋加長體的要求》兩個標準， 這兩個標準比較全面地規(guī)定了低溫閥門設(shè)計和制造的關(guān)鍵和規(guī)則。

1.2 國內(nèi)氫液化調(diào)節(jié)閥研發(fā)現(xiàn)狀

國內(nèi)液氫生產(chǎn)發(fā)展較晚，工程實例較少。 1956 年，洪朝生院士等人首次在低溫實驗室使用Linde-Hampson 循環(huán)獲得液氫。 1961 年，在錢學森同志的倡導下，北京航天試驗技術(shù)研究所建立了低溫技術(shù)研究室， 開始研制氫液化設(shè)備，并開展相關(guān)系列研究工作，以滿足未來航天工業(yè)需求，并于1966 年，第一套工業(yè)規(guī)模液氫生產(chǎn)裝置在投產(chǎn)。 1972 年陜西興平化肥廠氫液化設(shè)備投產(chǎn)， 同樣采取Linde-Hampson 循環(huán)，僅供航天發(fā)射和氫氧發(fā)動機研制試驗用。 1996 年北京航天試驗技術(shù)研究所引進德國“林德”公司氫液化循環(huán)設(shè)備， 采用改進的預冷型Claude 循環(huán)；2008 年北京航天試驗技術(shù)研究所、2012 年西昌衛(wèi)星發(fā)射中心、2013 年海南文昌發(fā)射中心先后引進“法液空”氫液化設(shè)備并投產(chǎn)， 采用改進的預冷型Claude 氦膨脹循環(huán)。截止到目前， 我國在用的氫液化設(shè)備仍以進口的 “法液空”、“林德”的氦膨脹循環(huán)為主。

從目前的情況來看，在氫液化設(shè)備國產(chǎn)化方面，國內(nèi)競爭對手主要是中科富海和富瑞氫能。 中科院理化所近年來做了大量工作， 研制出了工業(yè)規(guī)模的氫液化工程樣機，并連續(xù)成功運行，通過鑒定試驗，具備了市場推廣的基礎(chǔ)。為此，理化所聯(lián)合社會資本成立了成果轉(zhuǎn)化公司中科富海， 研發(fā)推出了全國首臺產(chǎn)業(yè)化氦透平制冷氫液化器。該系統(tǒng)氫液化能力達到1000L/h，如圖2 所示，可連續(xù)運行8000h， 氦循環(huán)工作壓力4～20bar， 透平轉(zhuǎn)速達到80000r/min。目前，該氫液化器已完成整體工藝包，進入生產(chǎn)建造階段，整個系統(tǒng)在能耗、氫安全性設(shè)計等方面都進行了充分的考慮和研究，并具有全套知識產(chǎn)權(quán)。 富瑞氫能成立于2016 年，是富瑞特裝集團專門成立的氫能產(chǎn)品公司，富瑞特裝是一家從事低溫深冷設(shè)備的公司，該公司產(chǎn)品在LNG 領(lǐng)域應用非常廣泛。 富瑞氫能主要從事氫液化裝置、液氫儲運和車載供氫系統(tǒng)裝備的研發(fā)，富瑞氫能在未來將重點布局液氫產(chǎn)業(yè)鏈， 其液氫設(shè)備產(chǎn)品也將很有競爭力。

圖2 中科富海1000L/h 氫液化器Fig.2 1000L/h hydrogen liquefier produced by FULLCRYO

低溫調(diào)節(jié)閥在大型低溫系統(tǒng)中擁有著不可替代的作用，通過接受調(diào)節(jié)控制器輸出的控制信號，借助動力操作改變低溫介質(zhì)流量、壓力、溫度、液位等參數(shù)，從而實現(xiàn)對大型低溫制冷系統(tǒng)整體運行工況的調(diào)節(jié)[7]。 依據(jù)Claude循環(huán)， 氫液化生產(chǎn)大致可分為80k、80k～30k、30k～20k 三個溫區(qū)， 每個溫區(qū)所需的低溫調(diào)節(jié)閥要求精度高， 耐低溫，壽命長。 現(xiàn)階段國內(nèi)針對氫液化的各溫區(qū)的調(diào)節(jié)閥幾乎全部依賴進口，成本較高，且自主研發(fā)經(jīng)驗不足，嚴重阻礙了我國氫液化生產(chǎn)設(shè)備的發(fā)展與液氫生產(chǎn)。

中科院理化所為了配套其氫液化器設(shè)備， 自行研制的可應用于20K 以下的低溫調(diào)節(jié)閥，如圖3 所示。該閥門采用長桿型結(jié)構(gòu)，桿長度650mm，使用波紋管密封，單座柱塞閥芯，采用多彈簧氣動薄膜執(zhí)行機構(gòu)，裝配智能閥門定位器，可以全部實現(xiàn)國產(chǎn)化[7]。 雖然該設(shè)備還為未實現(xiàn)量產(chǎn)，卻為我國氫液化調(diào)節(jié)閥的自主研發(fā)積累了經(jīng)驗。

氫液化低溫調(diào)節(jié)閥歸結(jié)到底仍屬于調(diào)節(jié)閥的范疇， 我國自主研發(fā)的調(diào)節(jié)閥，品種多但使用問題也多， 不能適應復雜工況，調(diào)節(jié)精度小，易泄漏與堵塞、 壽命短，“笨手笨腳”， 遠不能適應發(fā)展需要。 現(xiàn)行的調(diào)節(jié)閥主要有老式的單座閥、雙座閥、套筒閥，此為60 年代產(chǎn)物，以及CV3000、精小型閥等70 年代產(chǎn)物。 究其原因，主要有結(jié)構(gòu)缺陷導致的太過笨重，功能不全導致的品種繁多， 可靠性差導致的泄漏大、 閥堵卡、不適應復雜工況。 所以，氫液化低溫調(diào)節(jié)閥的研究起步晚，底子薄，經(jīng)驗少。

此外，國內(nèi)關(guān)于低溫閥門的相關(guān)標準只有《JBT7749-1995 低溫閥門技術(shù)條件》來指導氫液化低溫調(diào)節(jié)閥的設(shè)計、制造，但其適用溫區(qū)-40℃～-196℃，難以為20k 溫區(qū)的使用條件提供指導[7]。

綜上所述， 我國液氫的生產(chǎn)水平與發(fā)達國家還具有一定差距，作為液氫生產(chǎn)的前提與基礎(chǔ)，氫液化生產(chǎn)設(shè)備的研制也相對滯后，整體性能比較低，加工技術(shù)和工藝比較落后，氫液化低溫調(diào)節(jié)閥的研發(fā)進度比較緩慢。 因此，有必要對氫液化調(diào)節(jié)閥開展進一步自主研發(fā)。

圖3 自主研制的氣動薄膜低溫調(diào)節(jié)閥Fig.3 Self-developed pneumatic membrane cryogenic control valve

2 氫液化調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)特點與技術(shù)難點

2.1 氫液化調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)特點

調(diào)節(jié)閥是一種壓力管道元件， 主要用來改變管路斷面和介質(zhì)流動方向、控制輸送介質(zhì)的流量、壓力等參數(shù)[7]。以氫液化過程中常用的氣動薄膜低溫調(diào)節(jié)閥為例， 主要包括閥門定位器、閥門執(zhí)行機構(gòu)、閥門本體以及一些附件組成。 執(zhí)行機構(gòu)種類繁多，按動力源分為：氣動、電動、液動等幾種形式[8]。 閥門本體由上閥蓋、填料、閥芯組件組成，上閥蓋位于執(zhí)行機構(gòu)與閥體之間，內(nèi)設(shè)填料函，其作用是使填料在可接受的溫度范圍內(nèi)工作； 填料裝于填料函，主要防止介質(zhì)內(nèi)閥桿移動產(chǎn)生泄漏，常用的材料有聚四氟乙烯、柔性石墨等。閥芯組件是調(diào)節(jié)閥變阻力特性的核心部件，按閥芯動作型式分為：直行程、角行程；按閥芯結(jié)構(gòu)功能分為：普通型、抗氣蝕型、低噪聲型等；按密封面材料分為：普通不銹鋼、硬質(zhì)合金、聚四氟乙烯等，其中，硬質(zhì)合金強度高，耐侵蝕力強，適用于工作壓差大、溫度高的場合，聚四氟乙烯密封性能好，可達氣密級，適用于要求有切斷功能的系統(tǒng)[8]。低溫調(diào)節(jié)閥主要應用于低溫環(huán)境下， 是控制低溫系統(tǒng)中介質(zhì)輸送流量與壓力的重要基礎(chǔ)元件，具備控制精度高，密封性能好，壽命長，具有良好的耐低溫性能等特點，廣泛應用于各種低溫、深冷場合[7]。

2.2 氫液化調(diào)節(jié)閥技術(shù)難點

2.2.1 低溫狀態(tài)下的密封問題

低溫調(diào)節(jié)閥的密封需要考慮多方面的問題， 如低溫條件下的調(diào)節(jié)精度、泄露率、加工、裝配性以及維修性等都是需要研究的。 對調(diào)節(jié)閥的不同位置需要考慮不同的密封結(jié)構(gòu)。并且對于氫氣這種易燃氣體，過量的泄露導致的后果將會非常嚴重。

2.2.2 執(zhí)行機構(gòu)的復雜結(jié)構(gòu)

調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機構(gòu)需要將開關(guān)控制、 壓力自動檢測以及自動調(diào)節(jié)等功能集成其中， 所以系統(tǒng)需要的集成度非常高，涉及的結(jié)構(gòu)非常復雜。 一般而言，氫液化調(diào)節(jié)閥采用氣動薄膜式執(zhí)行機構(gòu)。

2.2.3 調(diào)節(jié)精度問題

氫液化氣動調(diào)節(jié)閥在工作時需要定位器、執(zhí)行機構(gòu)、閥體共同配合，涉及部件多，精度要求高。 調(diào)節(jié)精度是衡量調(diào)節(jié)閥質(zhì)量的關(guān)鍵性和整體性指標， 需要整體校準并驗證精度是否達標。

2.2.4 安全性問題

調(diào)節(jié)閥在工作時需要執(zhí)行機構(gòu)參與，部件多，精度要求高，安全性要求高。 氫液化調(diào)節(jié)閥在液氫生產(chǎn)過程中，一旦發(fā)生泄漏，將會使氫氣泄漏，易引發(fā)爆炸，對于膨脹機前的調(diào)節(jié)閥，更是決定了膨脹機內(nèi)部的工作狀態(tài)，所以調(diào)節(jié)閥的可靠性需要著重考慮， 包括關(guān)鍵部位低溫下的結(jié)構(gòu)強度、壽命以及防爆裝置等。

3 對氫液化調(diào)節(jié)閥研發(fā)的建議

對于氫液化調(diào)節(jié)閥低溫狀態(tài)下的密封問題， 不同位置采用不同的密封形式，O 型圈、墊片、填料這種常規(guī)的密封結(jié)構(gòu)在調(diào)節(jié)閥中也可以應用。 也可以考慮泛塞封的密封方法，該密封的特點是結(jié)構(gòu)簡單，可以選用抗腐蝕的材料，具有自密封的特點，當壓力提高時，泛塞封的密封壓力也將提高，因而可以提高密封效果。

為了解決調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機構(gòu)復雜性的問題， 可以參考壓力傳感器的設(shè)計構(gòu)造， 將各個功能整合到調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機構(gòu)中。

為了滿足低溫條件下足夠的調(diào)節(jié)精度， 可以采用試驗研究的方式，搭建調(diào)節(jié)閥試驗系統(tǒng)平臺，采用“五點調(diào)校法”對調(diào)節(jié)閥進行調(diào)校；密封材料和結(jié)構(gòu)的選擇需要綜合分析，并進行相關(guān)的試驗驗證；通過測量不同開度時的流量形成數(shù)據(jù)曲線， 與調(diào)節(jié)閥有關(guān)標準規(guī)定的靜特性曲線進行對比， 通過多次優(yōu)化閥門結(jié)構(gòu)尺寸， 逐漸減小誤差，提高精度。

對于調(diào)節(jié)閥可靠性問題， 可以采用有限元模擬和試驗研究相結(jié)合的方式，進一步保證調(diào)節(jié)閥的安全性。有限元模擬包括力學結(jié)構(gòu)強度校核和流場分析兩個方面，以此保證調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)強度以及流場的合理性。 通過壽命試驗來進一步驗證調(diào)節(jié)閥的使用壽命。

4 結(jié)語

氫液化低溫調(diào)節(jié)閥單體設(shè)備的研發(fā)是液氫生產(chǎn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的排頭兵，在結(jié)合實際情況，合理規(guī)劃研發(fā)路線的基礎(chǔ)上，穩(wěn)妥有序地進行低溫調(diào)節(jié)閥設(shè)備的研發(fā)，才能在技術(shù)上少走彎路，提升產(chǎn)品可靠性。新產(chǎn)品開發(fā)需要時間，需要研發(fā)人員結(jié)合使用實際需求，不斷創(chuàng)新，不斷優(yōu)化產(chǎn)品性能，不斷提高產(chǎn)品使用的調(diào)節(jié)精度、安全性、實用性和可維修性。 此外，還需要考慮成本與市場因素。 這就要求研發(fā)人員對產(chǎn)品開發(fā)的整個路徑有一個清晰明確的規(guī)劃，才能創(chuàng)造出適用于市場的成熟產(chǎn)品。