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加氢站主要工艺设备选型分析

发布时间:2020-03-09 09:02内容来源:网络整理 点击:

张彦纯

上海燃气工程设计研究有限公司

  近两年来,各类充电式电动汽车补贴政策逐渐退坡,但同样作为新能源汽车,燃料电池汽车及其配套设施的政府补贴力度一直有增无减。燃料电池汽车克服了充电式电动汽车具有充能时间长、电池蓄电性能衰减快、电池报废难处理的几个问题。但是,燃料电池汽车的推广依然不像充电式电动汽车那么顺利。究其原因,除了燃料电池汽车本身生产成本和销售价格依然居高不下外,其配套加氢设施的稀缺是制约燃料电池汽车快速发展的最大障碍。

  在加氢站设计建设过程中,制定符合需要的工艺流程方案和选取合适的工艺设备,对加快加氢站建设进度、合理控制建设成本,能起到至关重要的作用。

  1加氢站工艺流程

  目前国内加氢站主要采用的工艺流程是基于高压气态氢的储运方式,主要以站外长管拖车供氢为主。站外长管拖车供氢的高压气态储氢加氢站工艺流程,如图1所示。


图1 加氢站工艺流程示意

  长管拖车将20MPa的压缩氢气从氢气生产单位运送进固定站,通过加氢站内压缩机将氢气卸载至站内高压储氢罐,车辆加氢时,长管拖车或储氢罐中输出的氢气,通过加氢机充装到燃料电池汽车的车载储氢瓶中。

  目前国际上应用比较广泛的车载储氢瓶压力等级主要有35MPa和70MPa两种。加氢站的最高设计压力等级也需要与其加注车辆车载储氢的压力等级相匹配,除了利用长管拖车作为20MPa移动储氢设施外,35MPa氢燃料电池车的加氢站站内最高固定储氢压力一般为45MPa,70MPa氢燃料电池车的加氢站站内最高固定储氢压力一般为90MPa。

  2加氢站设备选型

  加氢站设备中的“三大件”包括压缩机、固定储氢设施、加氢机。这三大设备的性能参数决定了加氢站的整体加注能力和储氢能力。在建站规模确定的情况下,通过设备参数和设备数量的匹配,以达到加氢站最优和最经济的设备配置。

  2.1压缩机

  压缩机作为加氢站内的核心设备,承担了氢气增压的重要作用。目前国内加氢站常用的氢气压缩机主要有隔膜式压缩机、液驱式压缩机和离子液压缩机等。其中隔膜式压缩机和液驱式压缩机主要应用于储氢压力不大于45MPa的加氢站,多个国内生产厂家的相关技术也已日趋成熟;离子液压缩机主要应用于储氢压力90MPa的加氢站,国内该压力等级的压缩机尚在研制过程中,目前主要还是依赖于进口。

  2.1.1隔膜压缩机

  隔膜式压缩机具有特设的膜片,将被压缩的气体与外界隔开。隔膜式压缩机中,气缸的职能由一个膜腔来完成,膜腔是由具有穹形型面的盖板和弹性膜片组成的空腔,膜片周边被紧固在盖板与机体之间,当膜片上下挠曲变形时,膜腔中的容积随之变化,从而完成气体的压缩及排气。金属膜片式隔膜压缩机采用液力驱动膜片,膜片可紧贴盖板穹形表面,因此相对余隙很小,而且气体与液体之间的膜片极薄,压缩过程中散热情况较好。目前金属隔膜压缩机的最高排气压力可达70MPa,但是由于膜片的变形量有限,处理的气体量一般较小。


图2隔膜式压缩机工作原理示意

  2.1.2液驱式压缩机

  液驱式压缩机的动力缸与往复泵的工作腔直接相通,往复泵的活塞通过液体(大多为油)驱动压缩机活塞完成气体的压缩。液驱式压缩机中部为对置式的两个气缸,柱塞为活塞,用来压缩氢气,上部为控制滑阀,用于释放动力液缸中的油。这种结构可以做成多列,因此功率较大。


图3液驱式压缩机工作原理示意

  2.1.3离子液压缩机

  离子液体通常用于自动化、航空航天、电子电器或能源领域,作为工程流体或新材料使用。离子液体本身几乎不可压缩,几乎没有蒸气压,可以替代金属在等温条件下产生高压,并且能长期运行而无需维护,节省能耗。离子液压缩机的构造简单,相比普通压缩机的零件大大减少,因此维护方便。目前在国外已用于部分天然气加气站和氢能供应站,最高排气压力可达到90MPa以上。

  2.1.4各类型压缩机对比分析

  隔膜式压缩机、液驱式压缩机和离子液压缩机三者的性能对比见下表1。

表1隔膜式压缩机、液驱压缩机和离子液压缩机三者的性能对比

  国内多个压缩机制造企业在隔膜式压缩机和液驱式压缩机的技术研发方面已日趋成熟,有相当一部分加氢站已开始应用完全国产化的氢气压缩机。但相对而言,国产压缩机在稳定性可靠性方面还有待提高。目前,国内有相当一部分加氢站设备供应商,采购进口的压缩机机头作为核心部件,配套辅助部件采用国内采购和组装的方式。这样,对于建设单位而言,不仅提高了设备的可靠性,同时也降低了设备采购成本。目前国内已建成或在建的35MPa加氢站较多采用隔膜式压缩机或液驱式压缩机。离子压缩机由于价格较高,更适用于加注压力较高的70MPa加氢站。

  2.2固定储氢设施

  国内近期建成或在建的加氢站主要采用高压储氢瓶组和高压储氢罐作为站内的固定储氢设施。

  高压储氢设施具有氢气储存和压力缓冲作用,通过压力、温度等传感器对储存介质参数、安全状态等进行监测。加氢站氢气储存系统的工作压力越高或该工作压力与氢能汽车充氢压力差越大,将使氢能汽车充氢时间缩短;氢气储存系统工作压力的提高也会使氢气压缩机开启频繁度降低。

  (1)储氢压力不大于20MPa时,一般可选用高压储氢瓶组作为储氢设施。目前主要应用于通过低压管道氢气作为气源的加氢站,作为第一级储氢。该类储氢瓶组参照ASME(American Society of Mechanical Engineers,美国机械工程师协会)标准及TSG21-2016《固定式压力容器安全技术监察规程》的要求进行设计制造,主体材质为4130X高强度结构钢,瓶身为单层厚壁结构。

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