何太碧鄒 鋮劉芮言王 艷毛 丹何 彬
(1.西華大學(xué)汽車與交通學(xué)院,四川 成都 610039;2.中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司地質(zhì)勘探開發(fā)研究院,四川 成都 610051;3.成都工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,四川 成都611731;4.成都技師學(xué)院,四川 成都 611743;5.中國(guó)重汽集團(tuán)成都王牌商用車有限公司,四川 成都 610300)
“氫”被譽(yù)為21世紀(jì)的綠色新能源,氫能是一種高效、清潔、安全、可持續(xù)的二次能源[1-2]。加氫站的建造是推動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的奠基石。據(jù)H2Stations對(duì)全球加氫站的統(tǒng)計(jì)報(bào)告可知,2021年全球新增加氫站為142座,累計(jì)達(dá)到了685座。截至2022年3月底,中國(guó)已累計(jì)建成了264座加氫站。已建成的加氫站中有17座為制加氫一體站,其中有16座是水電解制氫加氫一體站[3]。壓縮機(jī)作為加氫站三大核心設(shè)備之一,其設(shè)備選型對(duì)加氫站安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、運(yùn)行至關(guān)重要[4]。
壓縮機(jī)的種類繁多,按照壓縮氣體的方式不同,壓縮機(jī)分為容積式壓縮機(jī)和動(dòng)力式壓縮機(jī)兩大類[5-6]。目前國(guó)內(nèi)外多數(shù)采用的是一級(jí)容積式的隔膜壓縮機(jī)或液驅(qū)壓縮機(jī)。在壓縮機(jī)使用選擇上,國(guó)外加氫站以小排量、單一加注模式、高加注壓力為主要建站模式,因此以液驅(qū)為主[7],而國(guó)內(nèi)加氫站則多以油氫合建站、綜合能源站為主要建站模式,因此以隔膜壓縮機(jī)為主。國(guó)內(nèi)外壓縮機(jī)使用選型分布情況如圖1所示。
圖1 國(guó)內(nèi)外加氫站壓縮機(jī)選型分布圖
為滿足氫能源的普遍使用,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)氫氣壓縮機(jī)做了大量研究。國(guó)外學(xué)者Riofrio設(shè)計(jì)并制作了一種共振自由液體活塞壓縮機(jī),利用進(jìn)氣壓力和油壓進(jìn)行壓縮,大大提高了壓縮效率。對(duì)于排放壓力,Kermani設(shè)計(jì)了一種新型離子液體活塞壓縮機(jī),并在30 MPa排氣壓力條件下進(jìn)行了測(cè)試,測(cè)試結(jié)果證明壓縮機(jī)適用于低排放壓力。國(guó)內(nèi)學(xué)者馬會(huì)娟、袁想春等對(duì)大型氫氣壓縮機(jī)的內(nèi)部流程,及生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題(如回流管徑偏小、工作液流量不足、工作液溫度偏高、回流調(diào)節(jié)不穩(wěn)定,工作液管道泵維修不方便)提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施,確保設(shè)備長(zhǎng)周期、安全、平穩(wěn)運(yùn)行[6-7]。國(guó)內(nèi)學(xué)者高碩對(duì)無油壓縮機(jī)動(dòng)力學(xué)和噪聲預(yù)測(cè)進(jìn)行了研究。主要工作有:①利用有限元分析軟件建立壓縮機(jī)有限元模型,并分別對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析,揭示其固有頻率和振型等振動(dòng)特性;②以多體動(dòng)力學(xué)仿真分析所得激勵(lì)為力邊界條件,利用有限元分析軟件進(jìn)行機(jī)體瞬態(tài)響應(yīng)分析,揭示機(jī)體表面振動(dòng)速度分布規(guī)律并評(píng)價(jià)機(jī)體振動(dòng)水平,為其結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)[8]。
隨著國(guó)內(nèi)加氫站壓縮機(jī)市場(chǎng)發(fā)展,部件國(guó)產(chǎn)化需求日益迫切,因?yàn)閲?guó)外進(jìn)口成本高以及后期需求供應(yīng)周期長(zhǎng),國(guó)內(nèi)許多企業(yè)都在自主研究壓縮機(jī)。如海德利森公司已具備國(guó)產(chǎn)化能力,該公司的壓縮機(jī)有十大特點(diǎn):耐氫材料全球領(lǐng)先、無潤(rùn)滑油安全可靠、結(jié)構(gòu)經(jīng)典設(shè)計(jì)合理、維護(hù)簡(jiǎn)單成本低、雙缸設(shè)計(jì)綜合能耗低、散熱效果好安全性高、頻繁啟停適合綜合工況、一機(jī)多用模式靈活、活塞壽命長(zhǎng)無污染、排氣量可調(diào)節(jié)能環(huán)保。國(guó)內(nèi)企業(yè)康普銳斯對(duì)壓縮機(jī)的研究?jī)?nèi)容包括:①密封、檢測(cè)、防護(hù)設(shè)計(jì)—杜絕液壓油污染氫氣;②獨(dú)有的檢測(cè)系統(tǒng),降級(jí)容積余隙;③二級(jí)、多級(jí)壓縮降低能耗;④整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,降低故障。
加氫站可分為站內(nèi)制氫和站外制氫。國(guó)內(nèi)目前以站外制氫加氫站為主,因此筆者重點(diǎn)關(guān)注站外制氫加氫站的工藝流程。
氫氣長(zhǎng)管拖車將5~20 MPa的低壓氫氣運(yùn)輸?shù)郊託湔緝?nèi),然后通過卸氣柱,將氫氣輸送到壓縮機(jī),經(jīng)壓縮機(jī)將氫氣增壓到45 MPa、70 MPa或者更高壓力,接著經(jīng)順序控制盤將高壓氫氣按照高、中、低分級(jí)儲(chǔ)存的方式存儲(chǔ)在氫氣瓶?jī)?nèi)[9]。此時(shí)如有車輛需要加注時(shí),加氫機(jī)可以直接從氫氣長(zhǎng)管拖車取氣或者從低壓儲(chǔ)氫罐、中壓儲(chǔ)氫罐、高壓儲(chǔ)氫罐按順序取氣進(jìn)行加注[10-11],完成整個(gè)加氫過程(圖2)。
圖2 氫氣長(zhǎng)管拖車供氫加氫站工藝流程示意圖
加氫站對(duì)壓縮機(jī)的選型要從技術(shù)性、適用性、安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性五個(gè)維度出發(fā)進(jìn)行深度考量。
壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)需達(dá)到《汽車加油加氣加氫站技術(shù)標(biāo)準(zhǔn):GB 50156》和《壓縮機(jī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》。
氫氣壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)應(yīng)和使用條件達(dá)到一致性,首先要滿足供氣量與壓力的要求[12]。壓縮機(jī)的進(jìn)、排壓力,容積流量,排氣溫度,功率和效率應(yīng)該滿足相應(yīng)加氫站使用要求[13]。
3.1.1 排氣壓力
壓縮機(jī)的排氣壓力通常指最終排出壓縮機(jī)的氣體壓力,排氣壓力一般在氣體最終排出處。
3.1.2 容積流量
壓縮機(jī)容積流量,通常是指單位時(shí)間內(nèi),將壓縮機(jī)最后一級(jí)排出的氣體量換算到第一級(jí)進(jìn)口狀態(tài)的壓力和溫度時(shí)的氣體容積值。定義為:
式中,qv為壓縮機(jī)容積流量,m3/min;qv,d為末級(jí)測(cè)得的單位時(shí)間氣體排出的容積,m3/min;Pd為qv,d所對(duì)應(yīng)的氣體壓力,Pa;Td為qv,d所對(duì)應(yīng)的氣體溫度,K;P1為第一級(jí)進(jìn)口狀態(tài)下的氣體壓力,Pa;T1為第一級(jí)進(jìn)口狀態(tài)下的氣體溫度,K;Z1為相對(duì)應(yīng)于P1、T1時(shí)的氣體壓縮系數(shù),無因次;Zd為相對(duì)應(yīng)于Pd、Td時(shí)的氣體壓縮系數(shù),無因次;qφ為單位時(shí)間內(nèi)分離出的水分換算到第一級(jí)進(jìn)口狀態(tài)時(shí)的容積,其中,mw為單位時(shí)間內(nèi)分離出的水的質(zhì)量,kg/min;ps1為相對(duì)于溫度T1時(shí)的水蒸氣飽和壓力,Pa;ρs1為相對(duì)于溫度T1時(shí)的飽和水蒸氣密度,m3/kg;qc為中途清除掉的氣體換算到第一級(jí)進(jìn)口狀態(tài)的容積,m3/min。
加氫站可通過日加注能力和服務(wù)車輛數(shù)量來確定合適的容積流量,進(jìn)而選擇相應(yīng)的壓縮機(jī)。
3.1.3 排氣溫度
壓縮機(jī)的排氣溫度Td是指每一級(jí)排出氣體的溫度。
式中,Td為排氣溫度,K;Ts為進(jìn)氣溫度,K;ε為名義壓力比,無因次;n為壓縮過程指數(shù),無因次。
3.1.4 功率和效率
壓縮機(jī)單位時(shí)間內(nèi)所消耗的功稱為功率,是用來衡量壓縮機(jī)消耗動(dòng)力的大小。
指示功率:
式中,pi為指示功率,W;p′sj為實(shí)際進(jìn)氣壓力,Pa;λvj為級(jí)間析水系數(shù),無因次;Vhj為工作容積,L;nTj為級(jí)的溫度過程指數(shù),無因次;εj為名義壓力比,無因次;δ0j為級(jí)的進(jìn)、排氣相對(duì)壓力損失之和,Pa;Zsj為進(jìn)氣狀態(tài)下的壓縮因子,無因次;Zdj為排氣狀態(tài)下的壓縮因子,無因次。
壓縮機(jī)的效率表示壓縮機(jī)工作的完善程度,用理想壓縮機(jī)所需功率和實(shí)際壓縮機(jī)所需功率之比來表示,以此評(píng)價(jià)壓縮機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。
式中,ηi-is為等溫指示效率,無因次;pis為壓縮機(jī)所需功率,W;pi為實(shí)際壓縮機(jī)功率,W。
壓縮機(jī)整撬設(shè)計(jì)應(yīng)滿足《加氫站安全技術(shù)規(guī)范:GB/T 34584-2017》和《壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)、泵安裝工程施工及驗(yàn)收規(guī)范:GB 50275-2010》。
壓縮機(jī)整撬的安全性由各模塊元件所要求的安全性來保障。主要有泄壓閥、進(jìn)出口的自動(dòng)切斷閥、主管道的安全閥、振動(dòng)保護(hù)裝置、膜片破裂和膜片泄露檢測(cè)裝置、壓縮機(jī)連鎖報(bào)警停機(jī)裝置、異常泄露自動(dòng)報(bào)警停機(jī)裝置等。
可靠性可從壓縮機(jī)零部件的耐久性、設(shè)計(jì)壽命和壓縮機(jī)平均無故障運(yùn)營(yíng)間隔時(shí)間(MTBF)來考量[14]。
零部件主要包括:底座、曲軸箱、曲軸連桿運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、缸體部件、儀表、儀器、安全閥、調(diào)壓閥、管道和各溫度傳感器、電機(jī)。
若加氫站的運(yùn)行日志完整,可將各無故障間隔時(shí)間t1,t2……tn相加,除以無故障次數(shù)n即可得到平均無故障時(shí)間間隔(MTBF),用t表示。即
系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性可以通過以下指標(biāo)進(jìn)行考量:①壓縮機(jī)的能耗來自于電力、冷卻水、潤(rùn)滑油。選擇時(shí)可以采用相同進(jìn)氣壓力的情況下,不同型號(hào)壓縮機(jī)所產(chǎn)生的能耗的的方法來對(duì)比分析。②初投資,包括:機(jī)器設(shè)備購(gòu)置、安裝調(diào)試等費(fèi)用。③壓縮機(jī)日常維護(hù)及保養(yǎng)費(fèi)用[15]。日常適當(dāng)?shù)鼐S護(hù)有利于整個(gè)加氫站的工作效率,然而過多的維護(hù)和保養(yǎng)會(huì)浪費(fèi)人力和財(cái)力資源。維修費(fèi)用包括備品配件、維修人員費(fèi)用等。通常,完全因維修壓縮機(jī)帶來的生產(chǎn)損失費(fèi)用,可用平均年消耗費(fèi)用來評(píng)估,即
式中,F(xiàn)a為平均年消耗費(fèi)用,元;Mpa為每年初投資折舊費(fèi),元;N為機(jī)器設(shè)備使用年限,一般為15~30年;Fa按年復(fù)利i計(jì)算的提成因子,無因次(圖3);Mm為機(jī)器設(shè)備安置費(fèi),萬元;Mp為廠房建造費(fèi),萬元;Mi為機(jī)器設(shè)備安裝費(fèi),元;MO為年操作運(yùn)行費(fèi),元;me為每小時(shí)動(dòng)力費(fèi),元;mw為每小時(shí)水費(fèi),元;mo為每小時(shí)潤(rùn)滑費(fèi),元;h為年運(yùn)行小時(shí)數(shù),個(gè);Ml為運(yùn)行人員年工資數(shù),萬元;Mr為每年修理費(fèi),萬元;Ms為配件更換費(fèi),元;M2為修理人員費(fèi)用,元。
圖3 年復(fù)提成因子圖
在加氫站規(guī)模和服務(wù)車輛確定的情況下,通過技術(shù)性、適用性、安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性綜合分析來確定最佳配套的壓縮機(jī)。
隔膜壓縮機(jī)的氣缸由膜腔來構(gòu)成,通過曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)連桿擺動(dòng)形成活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng),使得液壓油壓力升降,從而推動(dòng)膜片往復(fù)擺動(dòng),實(shí)現(xiàn)吸氣、壓縮、排氣循環(huán)往復(fù)的過程[16]。隔膜壓縮機(jī)在工作中氣體不與任何潤(rùn)滑油接觸,與外界是完全隔絕的狀態(tài),適用于壓縮純度極高的氣體。隔膜壓縮機(jī)原理圖如圖4所示。
圖4 隔膜壓縮機(jī)原理示意圖
液驅(qū)式壓縮機(jī)為雙頭,是由液壓油作為驅(qū)動(dòng)介質(zhì),通過驅(qū)動(dòng)側(cè)活塞帶動(dòng)氣體加壓活塞運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)氣體的吸入和推出,活塞一個(gè)往復(fù)循環(huán)可以實(shí)現(xiàn)兩次加壓,加壓效率高[17]。液驅(qū)壓縮機(jī)原理圖如圖5所示。
圖5 液驅(qū)壓縮機(jī)原理示意圖
1)隔膜壓縮機(jī)。①優(yōu)點(diǎn):工作中不與氫氣接觸,密封效果好[18];安全系數(shù)高,膜片中設(shè)置安全報(bào)警傳感器可在毫秒級(jí)響應(yīng);對(duì)比500 kg壓縮機(jī),能耗低;氫氣泄漏量低;加氫站首選類型,客戶認(rèn)可度高。②缺點(diǎn):基礎(chǔ)理論儲(chǔ)備差,“先天基因”決定流量小;進(jìn)口膜片費(fèi)用高,關(guān)鍵設(shè)備可靠性低;不適應(yīng)頻繁啟停,設(shè)備笨重且安裝維護(hù)復(fù)雜。
2)液驅(qū)壓縮機(jī)。①優(yōu)點(diǎn):模塊化設(shè)計(jì),通過靈活選擇不同壓縮比的泵,來實(shí)現(xiàn)不同壓力等級(jí)和流量;可帶載啟停,頻繁啟停;成本低,可靠性高,易損部件少,維護(hù)成本低。②缺點(diǎn):密封性要求高,氫氣可能泄露,單級(jí)壓縮比較低,單臺(tái)增壓量小,活塞機(jī)構(gòu)噪音大[19-20]。
日前,國(guó)內(nèi)加氫站主要依據(jù)氫氣氣源穩(wěn)定性和加注車輛穩(wěn)定性來確定壓縮機(jī)。對(duì)于設(shè)備配置方面國(guó)內(nèi)35 MPa加氫站的壓縮機(jī)技術(shù)參數(shù)多數(shù)采用表2的形式。
表2 加氫站技術(shù)參數(shù)表
國(guó)內(nèi)已建成的加氫站中多以示范點(diǎn)為主,多為小型或微型壓縮機(jī),隨著我國(guó)對(duì)氫能產(chǎn)業(yè)鏈的布局規(guī)劃,相關(guān)公司開發(fā)了排氣量大于10 m3/min以上的大型隔膜壓縮機(jī)[21]。選取上海和浙江兩座加氫站大型壓縮機(jī)為例,來分析選取壓縮機(jī)的條件。
西上海加氫站選擇的是1 000 kg/12 h排量45 MPa進(jìn)氣壓力的液驅(qū)壓縮機(jī),日加注量能達(dá)到1 100 kg左右[22]。該站主要通過以下兩種工況來選擇液驅(qū)壓縮機(jī):①充分利用管束車余壓,正常管束車余壓一般會(huì)達(dá)到7 MPa左右,實(shí)際希望管束車余壓降到2~3 MPa;②加注車輛不穩(wěn)定性,設(shè)計(jì)初期加注車輛實(shí)際數(shù)量和實(shí)際加注時(shí)間等不確定。
基于兩點(diǎn)原因選取液驅(qū)壓縮機(jī)有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn):①壓縮機(jī)可串并聯(lián)靈活切換。2臺(tái)1 000 kg/12 h液驅(qū)壓縮機(jī)在正常使用的前提下,進(jìn)口壓力在7~20 MPa時(shí)選擇兩臺(tái)壓縮機(jī)并聯(lián)使用,提高壓縮機(jī)排量;而在管束車壓力較低時(shí)(2~7 MPa),則將壓縮機(jī)從并聯(lián)模式切換為串聯(lián)模式,充分利用管束車余壓。壓縮機(jī)的串并切換可以保證在不同工況下充分使用,填補(bǔ)加注車輛不穩(wěn)定的空缺。②新增較多的安全模塊和功能。利用壓力差或者壓縮機(jī)對(duì)儲(chǔ)氫容器實(shí)現(xiàn)倒罐功能;壓縮機(jī)及瓶組的緊急放散功能;采用安全PLC和邏輯PLC雙PLC模式安全控制模式;實(shí)現(xiàn)對(duì)整站泄露檢測(cè)功能等。
浙江嘉善加氫站采用的是隔膜壓縮機(jī),在建站初期計(jì)劃滿足50輛氫燃料電池客車的加注要求,日實(shí)際加注量為800~1 000 kg。嘉善加氫站選擇隔膜壓縮機(jī)有兩點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):①加注量較為穩(wěn)定,減少隔膜壓縮機(jī)頻繁啟停,易損件和膜片的壽命相對(duì)較長(zhǎng)。根據(jù)目前站內(nèi)數(shù)據(jù),壓縮機(jī)膜片壽命最長(zhǎng)已達(dá)1年零3個(gè)月(膜片更換周期一般為6~8個(gè)月)。②控制流程上對(duì)壓縮機(jī)高低壓輸出上做了控制,更大地利用瓶組余壓,實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行。
從上述兩座加氫站的實(shí)際運(yùn)行工況來講,加注量較大而設(shè)計(jì)工況不同的情況下,隔膜壓縮機(jī)和液驅(qū)壓縮機(jī)的運(yùn)行效果都是比較好的。這兩座加氫站在選擇壓縮機(jī)前,不僅考慮了本站的自身因素,還考慮了相應(yīng)的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。
選型建議。①根據(jù)氣源壓力:固定站氣源充足且氣源壓力主要為5~20 MPa,可選擇隔膜壓縮機(jī)。②根據(jù)加氫站的服務(wù)半徑以及服務(wù)車輛的類型及數(shù)量來確定加注量是否穩(wěn)定。若加注量較為穩(wěn)定建議采用隔膜壓縮機(jī),在一定程度上能夠節(jié)約運(yùn)行能耗和建設(shè)成本。③如遇特殊的工況:頻繁啟停、不同壓力等級(jí)加注等情況??蓛?yōu)先考慮液驅(qū)壓縮機(jī)。
選型關(guān)鍵點(diǎn)。①是看壓縮機(jī)的排量,不論哪種形式首先要滿足供氣量要求,主要包括有進(jìn)氣最低壓力、排氣最高壓力等。②是從整個(gè)壓縮機(jī)撬的設(shè)計(jì)上,主要包括三個(gè)方面:結(jié)構(gòu)形式(包括液驅(qū)和隔膜);整個(gè)壓縮機(jī)撬是整體成撬的方式,還是開放式或集裝箱式的方式;需考慮周邊環(huán)境,若是存在噪音問題則需考慮隔音情況。同時(shí),在設(shè)計(jì)封裝的時(shí)候會(huì)設(shè)置相應(yīng)安全措施,比如氫氣探頭、氧氣探頭等,保證整個(gè)壓縮機(jī)撬的安全。③是從選型注意事項(xiàng)方面考慮,壓縮機(jī)壓縮比及級(jí)數(shù)作為選型過程中比較重要的一個(gè)關(guān)注點(diǎn)。在兩種不同模式(管束車供氫和制氫供氫)下,壓縮機(jī)級(jí)數(shù)存在差異:以1.6 MPa為例,采用兩級(jí)壓縮的方式才能將氫氣壓力提高到45 MPa的出口壓力;冷態(tài)啟動(dòng)和頻繁啟動(dòng),這是在設(shè)計(jì)工況時(shí)需重點(diǎn)考慮的因素;由于壓縮機(jī)需要提供外部冷源,因此需要對(duì)壓縮機(jī)設(shè)備的冷卻狀態(tài)和模式做重點(diǎn)考量。
氫能被視為低碳終極能源,車用加氫站是應(yīng)用推廣氫能的重要場(chǎng)景,而在加氫站建設(shè)中至關(guān)重要的就是設(shè)備的選型。壓縮機(jī)作為加氫站核心部件,不論是在自身價(jià)值還是使用價(jià)值上都舉重若輕。目前對(duì)于加氫站壓縮機(jī)的型號(hào)、參數(shù)等因素沒有具體的選型標(biāo)準(zhǔn),并且國(guó)內(nèi)加氫站多以示范點(diǎn)為主且服務(wù)于指定公交車、物流輕卡、重卡等車輛,還不能達(dá)到正常運(yùn)營(yíng)的效果。鑒于此,筆者認(rèn)為:首先應(yīng)確定加氫站服務(wù)的對(duì)象,繼而通過車輛數(shù)量確定一個(gè)日加氫量的大小,從而來確定壓縮機(jī)的流量;其次是車輛每天加氫時(shí)間、加注量,以此來確定壓縮機(jī)的工作軌線,是否頻繁啟停,長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行,超負(fù)荷運(yùn)行等,從而來確定壓縮機(jī)結(jié)構(gòu);接著是創(chuàng)新性的選擇優(yōu)化,應(yīng)用可行的新技術(shù),進(jìn)行創(chuàng)新構(gòu)思,提出新的選配方案;最后可以通過咨詢加氫站運(yùn)行、調(diào)試人員來了解不同壓縮機(jī)日常工作概況,對(duì)以后建站時(shí)選取具體類型的壓縮機(jī)提供建議。