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加氫站壓縮機發展現狀與展望

2023-08-28 15:43:58

1 氫能及加氫站

氫是一種清潔的二次能源載體,具有來源豐富、終端零排、易于轉化等特點。作為世界上較大的制氫國,國家已將促進氫能產業高質量發展作為實現“雙碳”戰略目標的重要途徑,以及未來能源變革的重要組成。隨著燃料電池技術在多個領域的突破,燃料電池汽車已成為交通能源轉型發展的必然趨勢。國家在《國家創新驅動發展戰略綱要》、《汽車產業中長期發展規劃》、《氫能產業發展中長期規劃(2021~2035年)》等頂層規劃高度重視燃料電池汽車產業發展和示范應用,財政部等五部委也分別在2021年8月到2022年1月先后兩批批準了“3+2”共5個城市群,包含13個省市、40余座城市的跨市跨地域燃料電池汽車示范應用項目,希望通過加快燃料電池汽車示范應用促進核心關鍵技術創新與產業化、建立完善產業政策體系、探索構建氫能供應體系。

加氫站是氫能供應體系的重要組成部分,也是氫能在交通領域應用的關鍵基礎設施。自2016年以來,投放市場的燃料電池汽車逐年增長,2022年全國燃料電池汽車銷售超過3300輛,累計銷售1.2萬輛。而加氫站數量也快速遞增,截至2023年5月,全國已建成加氫站325座,在全球加氫站中占比超過40%,數量居世界第 一[1]。根據《新能源汽車產業發展規劃(2021~2035年)》、《節能與新能源汽車技術路線圖》(2.0版本),到2025年,我國燃料電池汽車有望達到10萬輛,加氫站達到1000座,2030年,分別達到100萬輛和5000座[2,3]。

2 加氫站壓縮機

加氫站中的氫氣來源主要分為兩類:一是場內電解水制氫提供;二是長管拖車提供。2種途徑提供的氫氣壓力均無法滿足氫燃料電池汽車35MPa或70MPa的加注壓力需求,需要在加氫站將各種來源的氫氣通過增壓系統進一步提升至45MPa或90MPa。根據美國能源部新估算[4],氫氣增壓系統成本占建站總成本的40%以上,而增壓系統運行過程中的非計劃停機次數和時間占加氫站總運維的25%和22%[5]??梢钥闯?,氫氣增壓系統是加氫站安全、高效、低成本運營的關鍵。燃料電池汽車對氫氣的高純度要求(>99.9%),及氫氣自身易燃爆、易泄漏等特點,使得傳統壓縮機無法滿足加氫站的需求,因此,隔膜壓縮機、液驅活塞壓縮機等特殊機型成為加氫站普遍應用的氫氣增壓設備。

2.1 隔膜壓縮機

加氫站所用隔膜壓縮機利用金屬膜片的變形對氣體壓縮,膜片將壓縮介質與外界(特別是潤滑油)隔開,而膜片的變形通過曲柄連桿機構及活塞驅動液壓油來完成。隔膜壓縮機膜頭部分結構如圖1所示,擁有穹形內壁面的氣側膜頭(缸蓋) 和多層金屬膜片圍成的封閉容積為氣體壓縮腔(工作腔),油側膜頭(下支板)、多層金屬膜片以及活塞圍成的封閉容積為油腔。壓縮過程中,活塞向上止點運動,液壓油壓力升高并驅使膜片向上變形運動。膜片與氣側膜頭穹形內壁從邊緣向中心逐漸貼合,工作腔體積隨之減小,實現氣體增壓。隔膜壓縮機一般采用三層膜片,即氣側膜片、油側膜片和中間膜片。氣側膜片、油側膜片分別只與氫氣和液壓油接觸,中間膜片刻有導流槽,以確保兩側膜片破裂時可以及時將壓力引出,并通過壓力開關觸發緊急停機。這種設置使氫氣在增壓過程中幾乎沒有任何泄漏且不被污染,保證其純度可以滿足下游燃料電池汽車的要求。

隔膜壓縮機

隔膜壓縮機目前是加氫站市場應用廣泛的增壓設備類型,在45MPa級別,國內中鼎、恒久、金凱威等都有少量產品在加氫站應用的案例,大部分市場是美國廠商PDC所占據,Howden近幾年在加氫站市場中積極開拓,國內在建加氫站獲得部分訂單。對于90MPa級別的增壓設備,由于國內運營的70MPa加氫站很少,采用隔膜壓縮機的加氫站主要是PDC和Howden兩家的產品,國內廠家尚無站內應用案例,但恒久、金凱威等部分廠家有技術及產品儲備。

隔膜壓縮機大多數是通過曲柄連桿機構驅動油腔內液壓油流動,近年來國內也有開發油泵驅動液壓油的隔膜壓縮機新技術,該技術膜頭內的結構與傳統隔膜壓縮機一樣,也是依靠膜片變形壓縮氣體,并將氣體與液壓油完全隔絕。

雖然隔膜壓縮機具備零污染、零泄漏等獨特優勢,但加氫站復雜的工況條件使其在實際應用中也暴露出一些問題。以典型的長管拖車氫源為35MPa固定站加氫應用場景為例。長管拖車的進站壓力為20MPa,離站壓力為5~6MPa,站內配有高、中、低三級氫氣儲罐,儲罐壓力等級分別為45MPa,35MPa和25MPa。當站內儲罐壓力不足時,啟動壓縮機分別給3個儲罐依次增壓,因此需要壓縮機適應的吸、排氣壓力范圍非常寬,而且還存在頻繁啟停等工況。由于隔膜壓縮機是通過液壓油驅動氣體增壓,排氣壓力的大范圍波動要求油壓必須快速響應這種變化,以形成良好的油氣壓力“動態伴

隨”狀態,保證隔膜壓縮機的高效、可靠運行。但隔膜壓縮機的油壓通過溢油閥控制,溢油壓力固定,一般設置在55MPa以上以適應45MPa的排氣壓力,低排氣壓力工況下固定的溢油壓力導致油氣壓差過大,使膜片與環形油槽或排氣閥孔撞擊時產生大的附加應力,膜片壽命大幅降低。

太寬的吸、排氣壓力范圍還會引起極端工況壓比遠遠偏離設計壓比。加氫站隔膜壓縮機設計壓比一般為3~4,但隨著長管拖車壓力減小,壓縮機實際運行壓比逐漸提高,較高可達到7以上。由于絕大部分抗氫脆金屬材料的導熱性較差,壓縮熱無法及時有效導出,造成大壓比工況下非金屬密封部件受高溫影響容易碳化失效。

此外,隔膜壓縮機的工作特性決定了其必須空載起機,需要設計相對復雜的開機工藝流程,以適應加氫站頻繁啟、停的需求。

2.2 液驅活塞壓縮機

液驅活塞壓縮機是目前加氫站另外一種廣泛使用的增壓設備。如圖2所示,液驅活塞壓縮機通過液壓泵向液壓系統提供壓力油,壓力油由液壓換向閥控制其進入液壓缸的左、右兩腔,從而推動液壓缸內的活塞作往復運動,而液壓缸活塞與兩端的氣缸活塞通過活塞桿連接,因此兩端的氣缸活塞也隨著液壓缸活塞一起做往復運動,從而實現氣體的壓縮。

液驅活塞壓縮機

目前國內采用液驅活塞壓縮機的加氫站大約占30%左右,絕大多數設計壓力為45MPa。國外產品以美國Haskel為主,國內則除了較早進入市場的康普瑞斯外,四川大川、三一氫能也在近幾年成功研發了相應產品。因國內70MPa加氫站數量很少,90MPa液驅活塞壓縮機僅有德國的Maximator和Hofer兩家產品在加氫站有應用,國內部分廠家有一定技術儲備,但尚無應用案例。

相比較隔膜壓縮機,液驅活塞壓縮機首先具有空間緊湊的特點,相同設計條件下,其占地體積大約是隔膜壓縮機的2/3左右;其次,液驅活塞壓縮機機頭部分的結構簡單,制造成本也低于隔膜壓縮機,相同工況下更容易通過設計成多級壓縮,降低增壓過程能耗;再次,液驅活塞壓縮機易損件活塞環的更換更加簡單方便,相比更換一次膜片需要的2人1工日,更換一次活塞環一般僅需1人0.5工日,有效降低了加氫站的二次運維成本;此外,液驅活塞壓縮機能夠直接帶載啟、停,非常適應加氫站對增壓設備頻繁啟、停的需求,極大簡化了其在加氫站應用時的工藝流程。

但液驅活塞壓縮機也存在著兩方面的不足:一是泄漏問題:由于采用動密封,因此無法實現零泄漏,雖然液壓油和氫氣不會相互串通,但氫氣向隔離腔的泄漏還是難以避免,根據已有數據,加氫站液驅活塞壓縮機的泄漏量大約在3% ~6%左右。盡管泄漏的氫氣可以通過回收系統再次返回增壓設備避免氫氣浪費,但由于回收系統復雜,成本高等原因,一般站內會選擇直接將泄漏氫氣排空,變相造成加氫站運營成本增加。二是動密封部件磨損問題?;钊h作為液驅活塞壓縮機關鍵易損件,短壽命是目前面臨的較大問題。應用于加氫站的液驅活塞壓縮機具有大壓比,高排氣壓力的特點,加之缸壁厚,材料導熱性差等因素,造成壓縮熱無法從工作腔有效導出,缸內壁面溫度高,使非金屬活塞環的工作環境極端惡劣,壽命也隨之大幅下降。據統計,目前服役于國內加氫站的液驅活塞壓縮機活塞環壽命一般超過1000h,泄漏就會超過6%,必須進行更換。如果通過多級壓縮降低單級壓比或解決工作腔內壓縮熱的傳導問題,改善活塞環的工作環境,那么液驅活塞壓縮機將與隔膜壓縮機形成有力競爭。

2.3 其他形式壓縮機

(1)離子液體壓縮機

離子液體壓縮機是一種新型加氫站用增壓設備,其利用低熔鹽離子液體本身幾乎不可壓縮性且沒有蒸汽壓的特點,替代傳統金屬活塞對氫氣進行近等溫壓縮的技術。目前全球僅有德國林德集團擁有較為成熟的產品且在加氫站應用,國內尚處在研發階段。離子壓縮機機頭結構簡單,零部件少,無易損部件,所以可靠性相對隔膜壓縮機和液驅活塞壓縮機都有明顯優勢。同時,簡單的結構也使其易設計成多級壓縮形式,林德集團90MPa級的離子液體壓縮機IC90為五級結構,多級壓縮可以大幅度增加壓比,從而降低進氣壓力,IC90具備從0.2MPa增壓至90MPa的能力,這是隔膜壓縮機和液驅活塞壓縮機完全不具備的。

離子液體壓縮機主要的技術難點在兩方面,一方面,離子液體本身的熱物性,以及離子液體與氫氣混合增壓過程、高壓分離過程、與氫氣之間相互作用等諸多方面的機理、特性及規律缺乏足夠的研究和認知,缺乏對核心技術的理解和掌握。另一方面,離子液體壓縮機的是靠多級徑向柱塞泵來提供驅動力,加之壓縮機級數多,級間壓力和相位控制嚴格,整個系統的復雜程度遠超過隔膜壓縮機和液驅活塞壓縮機,整體流程設計難度大。

(2)往復活塞壓縮機

往復活塞壓縮機是較早應用于氫氣壓縮的設備,在石化行業應用廣泛。與上述3種類型壓縮機相比,大流量是其為突出的優勢,但傳統往復活塞壓縮機因為摩擦副耗損、泄漏,特別是氫氣含油等問題一直無法有效解決,使其無法在加氫站應用。美國Ariel公司于2022年發布了應用于加氫站的立式往復活塞壓縮機,其排氣壓力高50MPa,在2.5MPa進氣工況下,流量可高達2700Nm3/h-1。該壓縮機通過采用氮氣隔離腔方式,避免運動部件潤滑油污染氫氣。往復活塞壓縮機面臨的大挑戰就是密封件的壽命,其易損件主要是活塞環和填料函兩部分,填料函的更換需要將活塞與氣缸完全拆下才能完成,因此維護的時間成本和人力成本將會遠高于隔膜壓縮機和液驅活塞壓縮機,但如果填料函的壽命可以超過3000h,則立式活塞壓縮機至少在35MPa加氫站壓縮機市場擁有一席之地。

3 加氫站壓縮機技術發展趨勢

現階段國內加氫站大部分為示范站,隨著商業化進程的加速,加氫站要形成盈利模式除了降低氫氣成本外,對站內壓縮機也提出全新要求。應用端的需求牽引,將決定加氫站壓縮機的發展趨勢。商業化加氫站的盈利基礎是加氫能力,現階段我國以燃料電池商用車為發展主賽道,一臺燃料電池重卡的單加注量大約在40~60kg之間,如加氫站每天加注50輛車,則日均加氫量至少要達到2~3t,國內新建加氫站已有達到4.8t/d的加氫能力。

加氫量提高對站內壓縮機首先提出了流量要求,現有45MPa壓縮機以500Nm3/h或1000Nm3/h為主,按業內默認一天運行10h計算,每天多能提供不到1t的壓縮氫氣,與商業化需求量有較大差距。雖然通過多臺壓縮機并聯可以達到要求,但隨之也帶來了高昂的采購成本和維護成本。因此,通過大直徑、多膜頭、高轉速等技術途徑,實現隔膜壓縮機的大流量(2000Nm3/h及以上) 將是加氫站壓縮機發展的重要方向之一,而Howden、恒久機械等部分國內外廠商已經有類似產品,形成較好的技術儲備。

加氫站在商業化運行中對非計劃停機是難以接受的,目前壓縮機占到整站運行過程非計劃停機的1/4。相對站內其他靜設備,壓縮機維護時間長、成本高,特別是當壓縮機發生故障造成氫氣污染時,下游儲氫罐、管路系統、加注機等設備都需要返廠清洗,將造成巨額的經濟損失?,F階段無論是隔膜壓縮機或液驅活塞壓縮機,維護周期均在1000h左右,商業化運行下意味著約一季度就需要維護一次。相比CNG加氣站壓縮機設備一年維護一次的頻率,提高壓縮機可靠性,避免非計劃性停機,增加易損件壽命,延長計劃維保周期是加氫站壓縮機發展的關鍵。

壓縮機作為加氫站的核心動設備,能耗占比超過加氫站總能耗的60%以上[8]。依照美國能源部的規劃,加氫站壓縮機的比功率目標為1.4kWh/kg(進氣壓力12MPa,排氣壓力95MPa)[9],而目前技術水平大約在2.0~2.3kWh/kg,與預期目標存在一定差距。所以通過技術不斷升級與革新,提高壓縮機效率,降低壓縮過程耗功,實現加氫站運營成本的大幅降低,是加氫站商業化道路上的重要環節。

4 加氫站壓縮機發展建議

按我國燃料電池汽車發展規劃預測,全國商用加氫站到2030年將超過5000座,加氫站用壓縮機市場也將超過100億。為了更好應對市場的快速增長,加氫站壓縮機企業應做好以下幾方面:

(1)加強研發投入,確保核心技術快速迭代升級。由于燃料電池技術近十年才有了快速的發展,因此加氫站壓縮機國內技術與國外相比并無明顯差距,在充足研發投入的基礎上,形成對產品應用過程的快速反饋,實現核心技術不斷迭代升級,從而在與國外競爭中逐步占據優勢。

(2)統籌產品規劃,根據市場需求提早布局研發。加氫站壓縮機的設計工況受站內氫源壓力、車載儲罐壓力、加氫站規模等諸多方面的影響。隨著氫能產業各個環節不斷發展,加氫站壓縮機設計條件也會隨之變化,壓縮機企業在緊盯上下游技術革新的基礎上,通過提前布局對應產品的研發與測試,形成市場需求變化的快速響應能力。

(3) 加強標準制定,支撐技術進步與行業發展。加氫站壓縮機廠家應在現有行標、團標的基礎上,進一步完善生產制造技術和檢驗檢測標準。細化壓縮機生產制造過程中工藝、流程、檢測、測試等各個環節的相關技術標準,這不僅可以推動加氫站壓縮機行業的規范發展,更對氫能基礎設施建設起到保障作用。


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