氫液化調節閥研發現狀與思考

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， 能源緊缺和環境污染問題愈發凸顯， 已成為人類生存和發展面臨的兩大挑戰[1]。氫能和氫燃料電池技術是世界能源轉型和動力轉型的重大戰略方向[2]。氫燃料電池汽車具有環保性能佳、轉化效率高、加注時間短、續航里程長等優勢，是未來汽車工業可持續化發展的重要方向之一[1]。隨著世界各國均積極布局氫能產業，我國也先后在“十三五”規劃的多個政策文件中，明確提出了將“氫能與燃料電池”作為戰略任務和重點任務來大力發展， 指出了我國氫能標準化發展戰略和技術路線圖的方向[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，有望成為大規模運輸的主要形式。 為了采用高能高效的液氫儲運，必須擴大液氫生產規模，大規模布局建設氫液化生產線，研發氫液化生產設備。 其中，作為液氫生產的關鍵設備， 氫液化調節閥單體設備的研發就顯得尤為重要。

1 國內外氫液化調節閥研發現狀

1.1 國外氫液化調節閥研發現狀

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

20 世紀60 年代， 由于美國阿波羅登月計劃的需求，液氫開始工業化生產。 隨著美國太空計劃的發展，1965～1970 年，液氫的生產達到了歷史最高水平，日產液氫約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、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行業[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最大，占全球液氫產品總量的84%。 在美國，33.5%的液氫用于石油工業，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]。

在液氫生產中的關鍵設備——氫液化調節閥的研發方面，國外現在已經達到先進水平[6]。目前，國外氫液化低溫調節閥生產公司主要有美國的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節閥按低溫系統中的常用規格，公稱尺寸從DN6 到DN150，公稱壓力一般分為PN10、PN16、PN25 和PN32 等規格[7]。

世界上只有“法液空”、“林德”及“深冷”三家公司提供商業化的大型低溫制冷設備產品與配件， 其中 “法液空”與“林德”公司在低溫系統中也主要采用WEKA 和VELAN 公司的低溫調節閥產品[7]，如圖1 所示。

圖1 進口氫液化低溫調節閥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定了低溫閥門設計和制造的關鍵和規則。

1.2 國內氫液化調節閥研發現狀

國內液氫生產發展較晚，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 循環獲得液氫。 1961 年，在錢學森同志的倡導下，北京航天試驗技術研究所建立了低溫技術研究室， 開始研制氫液化設備，并開展相關系列研究工作，以滿足未來航天工業需求，并于1966 年，第一套工業規模液氫生產裝置在投產。 1972 年陜西興平化肥廠氫液化設備投產， 同樣采取Linde-Hampson 循環，僅供航天發射和氫氧發動機研制試驗用。 1996 年北京航天試驗技術研究所引進德國“林德”公司氫液化循環設備， 采用改進的預冷型Claude 循環；2008 年北京航天試驗技術研究所、2012 年西昌衛星發射中心、2013 年海南文昌發射中心先后引進“法液空”氫液化設備并投產， 采用改進的預冷型Claude 氦膨脹循環。截止到目前， 我國在用的氫液化設備仍以進口的 “法液空”、“林德”的氦膨脹循環為主。

從目前的情況來看，在氫液化設備國產化方面，國內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， 研制出了工業規模的氫液化工程樣機，并連續成功運行，通過鑒定試驗，具備了市場推廣的基礎。為此，理化所聯合社會資本成立了成果轉化公司中科富海， 研發推出了全國首臺產業化氦透平制冷氫液化器。該系統氫液化能力達到1000L/h，如圖2 所示，可連續運行8000h， 氦循環工作壓力4～20bar， 透平轉速達到80000r/min。目前，該氫液化器已完成整體工藝包，進入生產建造階段，整個系統在能耗、氫安全性設計等方面都進行了充分的考慮和研究，并具有全套知識產權。 富瑞氫能成立于2016 年，是富瑞特裝集團專門成立的氫能產品公司，富瑞特裝是一家從事低溫深冷設備的公司，該公司產品在LNG 領域應用非常廣泛。 富瑞氫能主要從事氫液化裝置、液氫儲運和車載供氫系統裝備的研發，富瑞氫能在未來將重點布局液氫產業鏈， 其液氫設備產品也將很有競爭力。

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

低溫調節閥在大型低溫系統中擁有著不可替代的作用，通過接受調節控制器輸出的控制信號，借助動力操作改變低溫介質流量、壓力、溫度、液位等參數，從而實現對大型低溫制冷系統整體運行工況的調節[7]。 依據Claude循環， 氫液化生產大致可分為80k、80k～30k、30k～20k 三個溫區， 每個溫區所需的低溫調節閥要求精度高， 耐低溫，壽命長。 現階段國內針對氫液化的各溫區的調節閥幾乎全部依賴進口，成本較高，且自主研發經驗不足，嚴重阻礙了我國氫液化生產設備的發展與液氫生產。

中科院理化所為了配套其氫液化器設備， 自行研制的可應用于20K 以下的低溫調節閥，如圖3 所示。該閥門采用長桿型結構，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行機構，裝配智能閥門定位器，可以全部實現國產化[7]。 雖然該設備還為未實現量產，卻為我國氫液化調節閥的自主研發積累了經驗。

氫液化低溫調節閥歸結到底仍屬于調節閥的范疇， 我國自主研發的調節閥，品種多但使用問題也多， 不能適應復雜工況，調節精度小，易泄漏與堵塞、 壽命短，“笨手笨腳”， 遠不能適應發展需要。 現行的調節閥主要有老式的單座閥、雙座閥、套筒閥，此為60 年代產物，以及CV3000、精小型閥等70 年代產物。 究其原因，主要有結構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，氫液化低溫調節閥的研究起步晚，底子薄，經驗少。

此外，國內關于低溫閥門的相關標準只有《JBT7749-1995 低溫閥門技術條件》來指導氫液化低溫調節閥的設計、制造，但其適用溫區-40℃～-196℃，難以為20k 溫區的使用條件提供指導[7]。

綜上所述， 我國液氫的生產水平與發達國家還具有一定差距，作為液氫生產的前提與基礎，氫液化生產設備的研制也相對滯后，整體性能比較低，加工技術和工藝比較落后，氫液化低溫調節閥的研發進度比較緩慢。 因此，有必要對氫液化調節閥開展進一步自主研發。

圖3 自主研制的氣動薄膜低溫調節閥Fig.3 Self-developed pneumatic membrane cryogenic control valve

2 氫液化調節閥結構特點與技術難點

2.1 氫液化調節閥結構特點

調節閥是一種壓力管道元件， 主要用來改變管路斷面和介質流動方向、控制輸送介質的流量、壓力等參數[7]。以氫液化過程中常用的氣動薄膜低溫調節閥為例， 主要包括閥門定位器、閥門執行機構、閥門本體以及一些附件組成。 執行機構種類繁多，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，上閥蓋位于執行機構與閥體之間，內設填料函，其作用是使填料在可接受的溫度范圍內工作； 填料裝于填料函，主要防止介質內閥桿移動產生泄漏，常用的材料有聚四氟乙烯、柔性石墨等。閥芯組件是調節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；按閥芯結構功能分為：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、硬質合金、聚四氟乙烯等，其中，硬質合金強度高，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[8]。低溫調節閥主要應用于低溫環境下， 是控制低溫系統中介質輸送流量與壓力的重要基礎元件，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 氫液化調節閥技術難點

2.2.1 低溫狀態下的密封問題

低溫調節閥的密封需要考慮多方面的問題， 如低溫條件下的調節精度、泄露率、加工、裝配性以及維修性等都是需要研究的。 對調節閥的不同位置需要考慮不同的密封結構。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 執行機構的復雜結構

調節閥執行機構需要將開關控制、 壓力自動檢測以及自動調節等功能集成其中， 所以系統需要的集成度非常高，涉及的結構非常復雜。 一般而言，氫液化調節閥采用氣動薄膜式執行機構。

2.2.3 調節精度問題

氫液化氣動調節閥在工作時需要定位器、執行機構、閥體共同配合，涉及部件多，精度要求高。 調節精度是衡量調節閥質量的關鍵性和整體性指標， 需要整體校準并驗證精度是否達標。

2.2.4 安全性問題

調節閥在工作時需要執行機構參與，部件多，精度要求高，安全性要求高。 氫液化調節閥在液氫生產過程中，一旦發生泄漏，將會使氫氣泄漏，易引發爆炸，對于膨脹機前的調節閥，更是決定了膨脹機內部的工作狀態，所以調節閥的可靠性需要著重考慮， 包括關鍵部位低溫下的結構強度、壽命以及防爆裝置等。

3 對氫液化調節閥研發的建議

對于氫液化調節閥低溫狀態下的密封問題， 不同位置采用不同的密封形式，O 型圈、墊片、填料這種常規的密封結構在調節閥中也可以應用。 也可以考慮泛塞封的密封方法，該密封的特點是結構簡單，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。

為了解決調節閥執行機構復雜性的問題， 可以參考壓力傳感器的設計構造， 將各個功能整合到調節閥執行機構中。

為了滿足低溫條件下足夠的調節精度， 可以采用試驗研究的方式，搭建調節閥試驗系統平臺，采用“五點調校法”對調節閥進行調校；密封材料和結構的選擇需要綜合分析，并進行相關的試驗驗證；通過測量不同開度時的流量形成數據曲線， 與調節閥有關標準規定的靜特性曲線進行對比， 通過多次優化閥門結構尺寸， 逐漸減小誤差，提高精度。

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

4 結語

氫液化低溫調節閥單體設備的研發是液氫生產基礎設施建設的排頭兵，在結合實際情況，合理規劃研發路線的基礎上，穩妥有序地進行低溫調節閥設備的研發，才能在技術上少走彎路，提升產品可靠性。新產品開發需要時間，需要研發人員結合使用實際需求，不斷創新，不斷優化產品性能，不斷提高產品使用的調節精度、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。 這就要求研發人員對產品開發的整個路徑有一個清晰明確的規劃，才能創造出適用于市場的成熟產品。