加氫站壓縮機(jī)設(shè)計(jì)選型的兩點(diǎn)建議

胥澤文

〔中國(guó)石化重慶石油分公司 重慶 400010〕

隨著氫燃料電池技術(shù)的成熟應(yīng)用，氫燃料電池汽車(chē)的加快發(fā)展，國(guó)家碳達(dá)峰、碳中和總體目標(biāo)要求的提出，以及加氫站發(fā)展建設(shè)受到政策的支持，近年來(lái)加氫站的建設(shè)投資發(fā)展有加快的趨勢(shì)。然而，由于加氫站的工藝技術(shù)水平提高受使用條件的限制，目前投營(yíng)加氫站加氫量較少，問(wèn)題暴露不充分。雖然部分加氫站設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中也出現(xiàn)了一些問(wèn)題，但因數(shù)量較少，未得到有效的重視。

1 加氫站工藝概況

加氫站與加油站、加氣站類(lèi)似，是專(zhuān)門(mén)為氫燃料電池汽車(chē)加注氫氣的車(chē)用能源供應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施。加氫站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與CNG加氣子站較為接近。由于氫氣與天然氣的加注壓力和氣體特性不同，加氫站的壓力設(shè)計(jì)和管材要求與傳統(tǒng)CNG加氣子站存在一定區(qū)別。加氫站的工藝系統(tǒng)如圖1所示。原料氫氣由高壓氫氣拖車(chē)運(yùn)輸?shù)郊託湔荆?jīng)卸氫柱卸氫，氫氣壓縮機(jī)增壓后，存儲(chǔ)于高壓儲(chǔ)氫瓶組中，再經(jīng)加氫機(jī)加注到燃料電池汽車(chē)中使用。氫氣的質(zhì)量由原料氣供氫單位保證，加氫站需保證卸氫、增壓、儲(chǔ)存和加氫過(guò)程中不對(duì)氫氣造成污染。

圖1 加氣站工藝流程示意

加氫站的裝備主要由卸氫柱、氫氣壓縮機(jī)、儲(chǔ)氫裝置(儲(chǔ)氫瓶組、儲(chǔ)氫罐、儲(chǔ)氫井)、加氫機(jī)以及氫氣冷卻所需的水冷機(jī)組等組成。

加氫站工藝設(shè)計(jì)引用已建站工藝的情況較多。由于國(guó)內(nèi)加氫站處于發(fā)展的初期，氫燃料車(chē)輛處于發(fā)展起步階段，車(chē)輛較少，日加氫量低。為減少投資，加氫站工藝主流設(shè)計(jì)為氫氣拖車(chē)運(yùn)輸，隔膜壓縮機(jī)一級(jí)壓縮，壓縮機(jī)進(jìn)氣壓力5～20 MPa，排氣壓力45 MPa，儲(chǔ)氫瓶15 m3，分高、中壓配置，多數(shù)加氫站只配置一臺(tái)加氫機(jī)。

2 氫氣壓縮機(jī)使用情況

氫氣壓縮機(jī)作為加氫站的核心設(shè)備，受氫氣的特性以及燃料電池系統(tǒng)對(duì)氫氣的純度要求高的影響，加氫站氫氣壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)和選擇顯得尤為重要。目前主流壓縮機(jī)主要分為液驅(qū)壓縮機(jī)和隔膜壓縮機(jī)，液驅(qū)壓縮機(jī)和隔膜壓縮機(jī)又有一級(jí)壓縮、二級(jí)壓縮和多級(jí)壓縮之分。

液驅(qū)壓縮機(jī)的缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有十幾種，缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)決定其是否適用于高純氣體壓縮；可用于高純氣體壓縮的缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)共有3種，主要廠家有Hydro-Pac、Haskell、Hofer、麥格思維特、康普銳斯；其中Haskell、Hofer的45 MPa的壓縮機(jī)采用了一級(jí)壓縮設(shè)計(jì)，槽車(chē)卸氣壓力在7～8 MPa，麥格思維特、康普銳斯的45 MPa壓縮機(jī)采用二級(jí)壓縮機(jī)設(shè)計(jì)，槽車(chē)卸氣壓力最低可到2 MPa。麥格思維特采用的是每個(gè)壓縮缸一級(jí)，500 kg加氫站壓縮機(jī)采用三個(gè)一級(jí)缸并聯(lián)再與兩個(gè)并聯(lián)的二級(jí)缸串聯(lián)的形式組成3+2的兩級(jí)壓縮形式，液壓系統(tǒng)及管路系統(tǒng)較復(fù)雜。

隔膜壓縮機(jī)主要使用美國(guó)的PDC壓縮機(jī)，國(guó)產(chǎn)隔膜壓縮機(jī)由于其性能低，使用壽命短，很少用于加氫站。壓縮機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 加氫站壓縮機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)

由表1可知，目前在用加氫站壓縮機(jī)采用一級(jí)壓縮，卸氫余壓最低5 MPa，壓縮機(jī)排氣溫度高達(dá)200 ℃。

3 目前加氫站壓縮機(jī)工藝設(shè)計(jì)存在的主要問(wèn)題

3.1 氫氣拖車(chē)卸氣余壓高，卸氫率低

目前，國(guó)內(nèi)氫氣運(yùn)輸車(chē)充裝壓力為20 MPa，加氫站設(shè)計(jì)卸氣最低壓力為5 MPa，實(shí)際卸氣余壓在6～7 MPa，卸氣率不足70 %。加氫站的原料氫氣成本由氫氣采購(gòu)成本和氫氣運(yùn)輸成本構(gòu)成，氫氣卸氣率低，運(yùn)輸成本大幅增加。卸氣余壓高的原因是加氫站壓縮機(jī)采用一級(jí)壓縮設(shè)計(jì)，卸氣到后期壓縮比較高，壓縮機(jī)的排氣量過(guò)低，排氣溫度過(guò)高，耗電明顯增加，經(jīng)濟(jì)性差，很多加氫站卸氣余壓在6～7 MPa即實(shí)行換車(chē)。如果以后氫能源汽車(chē)發(fā)展得好，加氫量增加，卸氣后期排氣量不能滿(mǎn)足加氫速度，也可能造成提前換車(chē)。

如果壓縮機(jī)進(jìn)氣壓力降低到2 MPa以下，提高氫氣拖車(chē)的卸氫率，可以大幅降低氫氣的運(yùn)輸成本。按氫氣每100 km運(yùn)費(fèi)10元/kg測(cè)算，容積22.5 m3的氫氣拖車(chē)，卸氣余壓由5 MPa降低到2 MPa，每車(chē)卸氣量可由約為290 kg增加到約350 kg，運(yùn)距100 km的加氫站每車(chē)可節(jié)約氫氣運(yùn)費(fèi)600元，經(jīng)濟(jì)效益可觀。

3.2 壓縮機(jī)排氣溫度高

目前加氫站氫氣壓縮機(jī)多采用一級(jí)壓縮，進(jìn)氣壓力5～20 MPa，排氣壓力45 MPa。卸氣后期壓縮比高，卸氣余壓接近5 MPa時(shí)排氣溫度高達(dá)250 ℃。壓縮機(jī)排氣溫度高，造成諸多問(wèn)題，一是壓縮機(jī)易損件在高溫工作下壽命變短，一級(jí)壓縮機(jī)與二級(jí)壓縮機(jī)比較，其維護(hù)周期明顯短很多；二是鐵碳合金在200～300 ℃時(shí)易發(fā)生“氫脆”，金屬與氫反應(yīng)生成甲烷，甲烷氣在晶界空隙內(nèi)引起裂紋，使材料的塑性降低，引起氫腐蝕。已發(fā)現(xiàn)多臺(tái)隔膜壓縮機(jī)膜頭開(kāi)裂的情況，造成安全隱患和較大的經(jīng)濟(jì)損失。為了降低壓縮機(jī)的排氣溫度，部分加氫站采用進(jìn)氣預(yù)冷的工藝，將氫氣在進(jìn)入壓縮機(jī)前預(yù)冷到5 ℃以下，可以一定程度上降低排氣溫度，但無(wú)形中又增加了氫氣壓縮的能耗。

4 加氫站壓縮機(jī)設(shè)計(jì)的建議

4.1 采用兩級(jí)或多級(jí)壓縮，降低各級(jí)壓縮比，保證排氣溫度符合標(biāo)準(zhǔn)

《JB/T 10909—2008小型往復(fù)活塞氫氣壓縮機(jī)》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定壓縮機(jī)的排氣溫度不超過(guò)135 ℃。

氫氣壓縮比與排氣溫度關(guān)系見(jiàn)表2，壓縮機(jī)壓縮比越高，排氣溫度越高。

表2 氫氣壓縮比與排氣溫度關(guān)系

由表2可知，在進(jìn)氣溫度35 ℃的情況下，壓縮比控制在4以?xún)?nèi)，可以控制排氣溫度在151.1 ℃。如果采用進(jìn)氣預(yù)冷，排氣溫度可以控制在135 ℃以?xún)?nèi)。壓縮比超過(guò)4后，即使采用預(yù)冷措施，壓縮機(jī)的排氣溫度也很難降到135 ℃以下。

現(xiàn)有加氫站排氣壓力45 MPa，若進(jìn)氣壓力5 MPa，總壓縮比為9，采用一級(jí)壓縮的壓縮比為9，排氣溫度238 ℃；采用兩級(jí)壓縮的單級(jí)壓縮比為3，排氣溫度123.9 ℃，排氣溫度大幅降低。若將進(jìn)氣壓力降到2 MPa，總壓縮比為22.5，采用一級(jí)壓縮無(wú)法實(shí)現(xiàn)，采用兩級(jí)壓縮的單級(jí)壓縮比約為4.65 ，排氣溫度約為160 ℃，采用三級(jí)壓縮，第一級(jí)壓縮比2.5，排氣溫度約為92 ℃，第二、三級(jí)單級(jí)壓縮比仍為3，排氣溫度123.9 ℃。可見(jiàn)，不論液驅(qū)壓縮機(jī)還是隔膜壓縮機(jī)，增加壓縮級(jí)數(shù)可有效控制排氣溫度，也可降低進(jìn)氣余壓到2 MPa。另外，在相同功率，進(jìn)排氣壓力相同的情況下，多級(jí)壓縮能耗遠(yuǎn)小于單級(jí)壓縮。相同功率工況下，多級(jí)壓縮排量遠(yuǎn)大于單級(jí)排量。

液驅(qū)壓縮機(jī)容易實(shí)現(xiàn)多級(jí)壓縮設(shè)計(jì)，采用三級(jí)壓縮較優(yōu)；隔膜壓縮機(jī)采用多級(jí)壓縮投資可能增加較多，但采用兩級(jí)壓縮加進(jìn)氣預(yù)冷，壓縮比控制在4以?xún)?nèi)，卸氣余壓降到3 MPa以下，也同樣可以有效地控制排氣溫度在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的135 ℃以?xún)?nèi)。

4.2 分進(jìn)氣壓力段設(shè)計(jì)壓縮機(jī)級(jí)數(shù)

由于氫氣運(yùn)輸車(chē)內(nèi)的氫氣壓力在20～2 MPa范圍內(nèi)變化，幅度較大，固定的壓縮機(jī)級(jí)數(shù)設(shè)計(jì)無(wú)法全壓力段滿(mǎn)足較優(yōu)的工況性能。

壓縮機(jī)的排氣量隨進(jìn)氣壓力的下降而大幅下降，進(jìn)氣壓力低于8 MPa時(shí)，排氣量標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下不足400 m3/h，氫氣壓縮的單位能耗會(huì)大幅增加。

氫氣壓縮機(jī)按進(jìn)氣壓力采用兩級(jí)壓縮和三級(jí)壓縮組合設(shè)計(jì)，即進(jìn)氣壓力8～20 MPa范圍時(shí)采用兩級(jí)壓縮，可以與現(xiàn)在運(yùn)行的兩級(jí)壓縮機(jī)相同，壓縮比為3，此段由于進(jìn)氣壓力高，平均排氣量高。進(jìn)氣壓力2～8 MPa時(shí)，采用三級(jí)壓縮，增加的一級(jí)壓縮，壓縮比設(shè)計(jì)在4以下，進(jìn)氣壓力2～8 MPa，排氣壓力12.5 MPa，平均排氣量比照兩級(jí)壓縮機(jī)進(jìn)氣壓力為12.5 MPa時(shí)的排氣量，這樣就將排氣量較低的壓力段替換成高排氣量段，提升壓縮機(jī)全過(guò)程的平均排氣量，有效縮短了卸氣時(shí)間，降低卸氣余壓的同時(shí)也降低綜合能耗。各級(jí)壓縮比合適，各級(jí)排氣溫度都能控制在135 ℃以下。

此法在液驅(qū)壓縮機(jī)中容易實(shí)現(xiàn)，增加一級(jí)壓縮缸即可。液壓源方面將單泵單電機(jī)改為雙泵雙電機(jī)，高壓段單泵單電機(jī)互為備用工作，低壓段雙泵同時(shí)啟用，既滿(mǎn)足了三級(jí)壓縮的能源保證，也提高了液壓源的容錯(cuò)率。隔膜壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)三級(jí)壓縮投資可能大幅增加，解決難度略大。

分進(jìn)氣壓力段設(shè)計(jì)壓縮機(jī)級(jí)數(shù)，高進(jìn)氣壓力段功率與兩級(jí)壓縮機(jī)相同，在低壓力段增加一級(jí)壓縮，配備功率有所增加，但因增加一級(jí)壓縮替換了兩級(jí)壓力的低排氣量工作段，卸氣速度提高，卸氣運(yùn)行時(shí)間縮短，電耗增加有限。并可以實(shí)現(xiàn)較低的卸氣余壓，有較好的經(jīng)濟(jì)效益。兩級(jí)壓縮機(jī)進(jìn)氣壓力與排氣量的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表3。

表3 某兩級(jí)壓縮機(jī)進(jìn)氣壓力與排氣量的關(guān)系

5 結(jié)束語(yǔ)

氫氣壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)、選型對(duì)加氫站的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行起著重要的作用。多級(jí)壓縮更有利加氫站的工況條件，分進(jìn)氣壓力段設(shè)計(jì)壓縮機(jī)級(jí)數(shù)更能提高壓縮機(jī)工作效率和經(jīng)濟(jì)性。