氢液化调节阀研发现状与思考

郝加封， 滕磊军， 王 涛， 曲伟强， 孙拥军

（北京航天试验技术研究所， 北京 100074）

0 引言

随着全世界汽车保有量的日益增多， 能源紧缺和环境污染问题愈发凸显， 已成为人类生存和发展面临的两大挑战[1]。氢能和氢燃料电池技术是世界能源转型和动力转型的重大战略方向[2]。氢燃料电池汽车具有环保性能佳、转化效率高、加注时间短、续航里程长等优势，是未来汽车工业可持续化发展的重要方向之一[1]。随着世界各国均积极布局氢能产业，我国也先后在“十三五”规划的多个政策文件中，明确提出了将“氢能与燃料电池”作为战略任务和重点任务来大力发展， 指出了我国氢能标准化发展战略和技术路线图的方向[3]。

氢能的有效利用必须要首先解决制取、 储运和应用等一系列问题，而制取和储运则是氢能应用的关键，也是目前氢能用户端价格高昂的主要原因[4]。氢能储运一般分为高压氢气储运和低压液氢储运。 相对于高压氢气，液氢体积能量密度高、储运成本低、储存压力低，更安全，应用前景更为广阔，有望成为大规模运输的主要形式。 为了采用高能高效的液氢储运，必须扩大液氢生产规模，大规模布局建设氢液化生产线，研发氢液化生产设备。 其中，作为液氢生产的关键设备， 氢液化调节阀单体设备的研发就显得尤为重要。

1 国内外氢液化调节阀研发现状

1.1 国外氢液化调节阀研发现状

半个多世纪以来， 世界各国围绕氢液化开展了大量的研究，技术逐渐成熟，初具规模。

20 世纪60 年代， 由于美国阿波罗登月计划的需求，液氢开始工业化生产。 随着美国太空计划的发展，1965～1970 年，液氢的生产达到了历史最高水平，日产液氢约220t。20 世纪70 年代开始，液氢的应用推广到金属加工、浮法玻璃生产、化学合成和油脂处理；80 年代后推广到航天飞机、粉末冶金和电子技术行业[5]。 到目前为止，美洲有15座正在运行使用的氢液化装置， 每座氢液化装置液氢日产量为5～34t， 其中9 座位于美国，5 座位于加拿大，1 座位于圭亚那。北美对液氢的需求和生产最大，占全球液氢产品总量的84%。 在美国，33.5%的液氢用于石油工业，18.6%用于航空航天，仅0.1%用于燃料电池[5]。 欧洲有4座，总生产能力为5～10t/d，1 座位于法国，2 座位于德国，1 座位于芬兰；亚洲有11 座，总生产能力为0.3～11.3t/d，其中7 座位于日本，3 座位于印度，1 座位于中国北京[5]。

在液氢生产中的关键设备——氢液化调节阀的研发方面，国外现在已经达到先进水平[6]。目前，国外氢液化低温调节阀生产公司主要有美国的EDEN 和PHPK 公司，法国的VELAN 公司、 瑞士的WEKA 公司以及日本的东工公司。 这几家公司所提供的低温调节阀按低温系统中的常用规格，公称尺寸从DN6 到DN150，公称压力一般分为PN10、PN16、PN25 和PN32 等规格[7]。

世界上只有“法液空”、“林德”及“深冷”三家公司提供商业化的大型低温制冷设备产品与配件， 其中 “法液空”与“林德”公司在低温系统中也主要采用WEKA 和VELAN 公司的低温调节阀产品[7]，如图1 所示。

图1 进口氢液化低温调节阀Fig.1 Imported hydrogen liquefaction cryogenic control valve

此外， 国际上主要采用 《BS6364 低温阀门》和《MSSSP-134 对低温阀门及其阀体/阀盖加长体的要求》两个标准， 这两个标准比较全面地规定了低温阀门设计和制造的关键和规则。

1.2 国内氢液化调节阀研发现状

国内液氢生产发展较晚，工程实例较少。 1956 年，洪朝生院士等人首次在低温实验室使用Linde-Hampson 循环获得液氢。 1961 年，在钱学森同志的倡导下，北京航天试验技术研究所建立了低温技术研究室， 开始研制氢液化设备，并开展相关系列研究工作，以满足未来航天工业需求，并于1966 年，第一套工业规模液氢生产装置在投产。 1972 年陕西兴平化肥厂氢液化设备投产， 同样采取Linde-Hampson 循环，仅供航天发射和氢氧发动机研制试验用。 1996 年北京航天试验技术研究所引进德国“林德”公司氢液化循环设备， 采用改进的预冷型Claude 循环；2008 年北京航天试验技术研究所、2012 年西昌卫星发射中心、2013 年海南文昌发射中心先后引进“法液空”氢液化设备并投产， 采用改进的预冷型Claude 氦膨胀循环。截止到目前， 我国在用的氢液化设备仍以进口的 “法液空”、“林德”的氦膨胀循环为主。

从目前的情况来看，在氢液化设备国产化方面，国内竞争对手主要是中科富海和富瑞氢能。 中科院理化所近年来做了大量工作， 研制出了工业规模的氢液化工程样机，并连续成功运行，通过鉴定试验，具备了市场推广的基础。为此，理化所联合社会资本成立了成果转化公司中科富海， 研发推出了全国首台产业化氦透平制冷氢液化器。该系统氢液化能力达到1000L/h，如图2 所示，可连续运行8000h， 氦循环工作压力4～20bar， 透平转速达到80000r/min。目前，该氢液化器已完成整体工艺包，进入生产建造阶段，整个系统在能耗、氢安全性设计等方面都进行了充分的考虑和研究，并具有全套知识产权。 富瑞氢能成立于2016 年，是富瑞特装集团专门成立的氢能产品公司，富瑞特装是一家从事低温深冷设备的公司，该公司产品在LNG 领域应用非常广泛。 富瑞氢能主要从事氢液化装置、液氢储运和车载供氢系统装备的研发，富瑞氢能在未来将重点布局液氢产业链， 其液氢设备产品也将很有竞争力。

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

低温调节阀在大型低温系统中拥有着不可替代的作用，通过接受调节控制器输出的控制信号，借助动力操作改变低温介质流量、压力、温度、液位等参数，从而实现对大型低温制冷系统整体运行工况的调节[7]。 依据Claude循环， 氢液化生产大致可分为80k、80k～30k、30k～20k 三个温区， 每个温区所需的低温调节阀要求精度高， 耐低温，寿命长。 现阶段国内针对氢液化的各温区的调节阀几乎全部依赖进口，成本较高，且自主研发经验不足，严重阻碍了我国氢液化生产设备的发展与液氢生产。

中科院理化所为了配套其氢液化器设备， 自行研制的可应用于20K 以下的低温调节阀，如图3 所示。该阀门采用长杆型结构，杆长度650mm，使用波纹管密封，单座柱塞阀芯，采用多弹簧气动薄膜执行机构，装配智能阀门定位器，可以全部实现国产化[7]。 虽然该设备还为未实现量产，却为我国氢液化调节阀的自主研发积累了经验。

氢液化低温调节阀归结到底仍属于调节阀的范畴， 我国自主研发的调节阀，品种多但使用问题也多， 不能适应复杂工况，调节精度小，易泄漏与堵塞、 寿命短，“笨手笨脚”， 远不能适应发展需要。 现行的调节阀主要有老式的单座阀、双座阀、套筒阀，此为60 年代产物，以及CV3000、精小型阀等70 年代产物。 究其原因，主要有结构缺陷导致的太过笨重，功能不全导致的品种繁多， 可靠性差导致的泄漏大、 阀堵卡、不适应复杂工况。 所以，氢液化低温调节阀的研究起步晚，底子薄，经验少。

此外，国内关于低温阀门的相关标准只有《JBT7749-1995 低温阀门技术条件》来指导氢液化低温调节阀的设计、制造，但其适用温区-40℃～-196℃，难以为20k 温区的使用条件提供指导[7]。

综上所述， 我国液氢的生产水平与发达国家还具有一定差距，作为液氢生产的前提与基础，氢液化生产设备的研制也相对滞后，整体性能比较低，加工技术和工艺比较落后，氢液化低温调节阀的研发进度比较缓慢。 因此，有必要对氢液化调节阀开展进一步自主研发。

图3 自主研制的气动薄膜低温调节阀Fig.3 Self-developed pneumatic membrane cryogenic control valve

2 氢液化调节阀结构特点与技术难点

2.1 氢液化调节阀结构特点

调节阀是一种压力管道元件， 主要用来改变管路断面和介质流动方向、控制输送介质的流量、压力等参数[7]。以氢液化过程中常用的气动薄膜低温调节阀为例， 主要包括阀门定位器、阀门执行机构、阀门本体以及一些附件组成。 执行机构种类繁多，按动力源分为：气动、电动、液动等几种形式[8]。 阀门本体由上阀盖、填料、阀芯组件组成，上阀盖位于执行机构与阀体之间，内设填料函，其作用是使填料在可接受的温度范围内工作； 填料装于填料函，主要防止介质内阀杆移动产生泄漏，常用的材料有聚四氟乙烯、柔性石墨等。阀芯组件是调节阀变阻力特性的核心部件，按阀芯动作型式分为：直行程、角行程；按阀芯结构功能分为：普通型、抗气蚀型、低噪声型等；按密封面材料分为：普通不锈钢、硬质合金、聚四氟乙烯等，其中，硬质合金强度高，耐侵蚀力强，适用于工作压差大、温度高的场合，聚四氟乙烯密封性能好，可达气密级，适用于要求有切断功能的系统[8]。低温调节阀主要应用于低温环境下， 是控制低温系统中介质输送流量与压力的重要基础元件，具备控制精度高，密封性能好，寿命长，具有良好的耐低温性能等特点，广泛应用于各种低温、深冷场合[7]。

2.2 氢液化调节阀技术难点

2.2.1 低温状态下的密封问题

低温调节阀的密封需要考虑多方面的问题， 如低温条件下的调节精度、泄露率、加工、装配性以及维修性等都是需要研究的。 对调节阀的不同位置需要考虑不同的密封结构。并且对于氢气这种易燃气体，过量的泄露导致的后果将会非常严重。

2.2.2 执行机构的复杂结构

调节阀执行机构需要将开关控制、 压力自动检测以及自动调节等功能集成其中， 所以系统需要的集成度非常高，涉及的结构非常复杂。 一般而言，氢液化调节阀采用气动薄膜式执行机构。

2.2.3 调节精度问题

氢液化气动调节阀在工作时需要定位器、执行机构、阀体共同配合，涉及部件多，精度要求高。 调节精度是衡量调节阀质量的关键性和整体性指标， 需要整体校准并验证精度是否达标。

2.2.4 安全性问题

调节阀在工作时需要执行机构参与，部件多，精度要求高，安全性要求高。 氢液化调节阀在液氢生产过程中，一旦发生泄漏，将会使氢气泄漏，易引发爆炸，对于膨胀机前的调节阀，更是决定了膨胀机内部的工作状态，所以调节阀的可靠性需要着重考虑， 包括关键部位低温下的结构强度、寿命以及防爆装置等。

3 对氢液化调节阀研发的建议

对于氢液化调节阀低温状态下的密封问题， 不同位置采用不同的密封形式，O 型圈、垫片、填料这种常规的密封结构在调节阀中也可以应用。 也可以考虑泛塞封的密封方法，该密封的特点是结构简单，可以选用抗腐蚀的材料，具有自密封的特点，当压力提高时，泛塞封的密封压力也将提高，因而可以提高密封效果。

为了解决调节阀执行机构复杂性的问题， 可以参考压力传感器的设计构造， 将各个功能整合到调节阀执行机构中。

为了满足低温条件下足够的调节精度， 可以采用试验研究的方式，搭建调节阀试验系统平台，采用“五点调校法”对调节阀进行调校；密封材料和结构的选择需要综合分析，并进行相关的试验验证；通过测量不同开度时的流量形成数据曲线， 与调节阀有关标准规定的静特性曲线进行对比， 通过多次优化阀门结构尺寸， 逐渐减小误差，提高精度。

对于调节阀可靠性问题， 可以采用有限元模拟和试验研究相结合的方式，进一步保证调节阀的安全性。有限元模拟包括力学结构强度校核和流场分析两个方面，以此保证调节阀结构强度以及流场的合理性。 通过寿命试验来进一步验证调节阀的使用寿命。

4 结语

氢液化低温调节阀单体设备的研发是液氢生产基础设施建设的排头兵，在结合实际情况，合理规划研发路线的基础上，稳妥有序地进行低温调节阀设备的研发，才能在技术上少走弯路，提升产品可靠性。新产品开发需要时间，需要研发人员结合使用实际需求，不断创新，不断优化产品性能，不断提高产品使用的调节精度、安全性、实用性和可维修性。 此外，还需要考虑成本与市场因素。 这就要求研发人员对产品开发的整个路径有一个清晰明确的规划，才能创造出适用于市场的成熟产品。