液驱压缩机在燃料电池氢气充装中的应用与优势分析

梁 峰

(中国石化青岛炼油化工有限责任公司,山东 青岛 266500)

发展氢能是落实“双碳”目标的重要举措,氢气输送是氢能产业的重要环节。将氢气压缩后充装至长管拖车运输,是我国未来一段时期内燃料电池氢气的主要运输方式【1】。充装过程高效安全,是氢能产业高质量发展的保障之一。

中国石化某炼化公司,为解决所在城市氢能车辆的氢燃料严重短缺问题,依托其聚丙烯用高纯氢产能富余且满足燃料电池氢气质量要求的有利条件,在氢能项目建成前,对一台电动液驱活塞式压缩机(简称液驱压缩机)进行改造,成功应用于氢气充装出厂,提前解决了所在城市“用氢荒”的困难。

本文对液驱压缩机首次应用于燃料电池氢气充装进行了总结,并与普遍使用的隔膜压缩机【2】进行了应用对比。

1 液驱压缩机与隔膜压缩机的工作原理

1.1 液驱压缩机

该公司应用的液驱压缩机为整体撬装,机组主要由油缸、气缸(两级)、液压油站、冷却系统及冷却水站、控制系统、管路阀件、底座系统等组成。表1为压缩机主要设计参数。

表1 压缩机主要设计参数

图1为液驱压缩机活塞结构示意。压缩氢气过程为:液压油经油泵升压后,自左侧的液压油入口进入油缸,推动活塞及活塞杆向右移动,氢气经一级进气管路被吸入一级气缸,一级气缸活塞另外一侧氢气经一级排气管路被压入容积更小的二级气缸,二级气缸另外一侧的氢气被压缩后经二级排气管路排出。右侧油缸的液压油被压出,进入油箱。随活塞右移,左、右端隔离腔分别变小、变大,腔内压力由平衡通气管平衡。氢气经以上过程被吸入、升压、排出后,换向阀动作,液压油自原液压油出口进入右侧油缸,左侧的液压油入口变为出口,活塞反向进行上一过程,再次进行氢气升压。液压油被周期性换向,活塞往复运动,氢气被连续压缩升压后排出。

图1 液驱压缩机活塞结构示意

图2为液压油关联的主要部件和液压油流程示意。

图2 液驱压缩机主要部件和液压油流程

1.2 隔膜压缩机

图3为隔膜压缩机结构示意。其工作原理为:电机驱动曲轴连杆机构和油缸活塞做往复运动,活塞利用油压室内液压油驱动膜片往复运动,完成吸气、升压、排气的循环过程【3】。

图3 隔膜压缩机结构示意

1组膜片由气侧、油侧、中间膜组成,中间膜上的细小纹路,可将泄漏的气或油导出,便于对膜片破裂进行监测及时对破裂膜片进行更换【4】。

隔膜压缩机优势是:膜片可紧贴气缸盖或配油盘凹面,余隙小(一般2%～4%),容积效率高,膜片两侧气液压力平衡后可产生高压缩比(可达25)和高排气压力(可达300 MPa)。不足的是:电机动力通过复杂系统传递到活塞,再经液压油驱动膜片,结构复杂,机器尺寸大、质量大,安装时需要专门地基,现场调试工作量也较大;气缸盖和配油盘凹面为特殊型面,设计和制造难度较大【5】;膜片行程不能过大,单次循环及单机排气量均较小;频繁启停会大大缩短使用寿命【6】。

2 液驱压缩机在应用中的优势

燃料电池氢气控制指标多达15种,各杂质含量要求苛刻【7】,充装时需严防高纯氢气被污染,对压缩机要求较高。氢气充装需将氢气由1.8 MPa(或更低)升压至20 MPa(或更高),除少数早期氢气充装站使用传统活塞压缩机【8】,目前燃料电池氢气充装站普遍采用隔膜压缩机,故下文主要针对隔膜压缩机进行比较,以说明液驱压缩机在应用中的优势。

2.1 防止氢气被污染的优势

在油缸和氢气压缩缸之间设置隔离腔,隔离腔与大气连通,即使油泄漏到隔离腔,也无法进入高压的压缩缸。液驱压缩机油氢隔离和泄漏监测示意如图1虚框所示。

隔离腔底部设有油泄漏监测通道,与透明的油泄漏监测瓶通过软管连接。液压油若经活塞密封漏入隔离腔,会在活塞往复推动和重力作用下,流入油泄漏监测通道,落入油泄漏监测瓶,被巡检发现后,可及时对活塞密封进行更换维修。图4中白色塑料瓶即是油泄漏监测瓶。

图4 油泄漏监测瓶

为满足活塞杆往复运动的密封要求,在隔离腔与压缩缸之间、一级与二级压缩缸之间,均设有两道无油润滑的活塞杆隔离密封,每两道隔离密封之间设有气泄漏监测通道,通道上装有小型浮子流量计。若压缩缸侧的隔离密封泄漏,泄漏的氢气则会沿气泄漏监测通道经浮子流量计显示泄漏后被导入大气,巡检人员即可通过流量计发现泄漏。同时,撬装设备设有监测氢气泄漏的声光报警,也可为及时发现氢气泄漏提供帮助。图5(a)和图5(b)所示为安装好的浮子流量计。

图5 监测氢气泄漏的浮子流量计

若出现极端情况,隔离腔活塞杆被泄漏的液压油污染,隔离腔与压缩缸之间的两道隔离密封就会同时发挥作用,首先刮除活塞杆上污油,然后阻断活塞杆上常压的污油进入高压的氢气缸。

第三，冲击韧性试验分析。按照ASTM 923 对试件焊缝和热影响区进行夏比V型（Charpy V）冲击试验，试样尺寸为55mm×10mm×5mm，缺口位置分别为焊缝，熔合线+1mm、熔合线+3mm、熔合线+5mm， 4组冲击试样。冲击温度为-46℃，合格指标为冲击值≥54J。试验数据如表8所示，结果满足要求。

而隔膜压缩机的结构特点为:油压室设有液压油补偿系统,由柱塞泵来补充液压缸内的液压油在活塞环处的泄漏量。补充量需大于泄漏量,过量的液压油通过弹簧式限压阀释放回曲轴箱。若限压阀过紧,油缸内油压就会超高,使膜片鼓起,尤其是会使进、排气孔道处应力增大,加剧变形,导致膜片破裂。若补偿泵工作不正常,或限压阀过松,导致液压油泄漏量大于补偿量,则油缸内油压就会过低,膜片在压缩气体压力的作用下,每个循环都会发生紧贴配油盘环槽情况,使膜片产生撞击并产生局部附加变形,尤其是外圈,不但变形大,且承受应力时间长,膜片也容易破裂【9】。

虽然隔膜压缩机有3层膜片,但膜片同时贯穿导致油泄漏至氢气中造成污染的现象时有发生。2019年河南郑州、2021年河北张家口和山东青岛等企业,均发生过压缩机膜片发生贯穿破裂导致氢气和管路被油污染的情况,管路和设备清理难度极大。

2.2 适应随时启停的优势

受市场等多因素影响,目前该炼化公司氢气充装不连续,尤其是夜间不进行充装,根据现场需要压缩机随时启停。目前燕山、广州等厂内氢气充装站夜间也不装车。其他氢气充装站也存在充装量在时间上不均衡、有单台或多台压缩机随时启停的需求。

液驱压缩机通过电动柱塞泵给液压油升压,液压油通过换向阀进入油缸后推动活塞压缩氢气,无与启停关联大的易损件。液驱压缩机在结构和原理上满足随时启停的要求,现场适应性强。

隔膜压缩机若频繁启停会使寿命大大缩短,一般采用气体循环的方式,来避免频繁启停。这与其自身结构有关。在每次启停前需卸至空载,卸载过程中,膜片达到最大挠度时所承受的压力(油压与气压的压差)可接近20 MPa,气侧膜片与膜腔曲面产生剧烈撞击,对膜片产生严重冲击,极易导致膜片损坏【10】。所以,隔膜压缩机的结构不适应随时启停。

2.3 结构简单、安装简便、即投即用的优势

液驱压缩机结构简单,机型较小,在制造厂撬装后可整体运至现场,不需要破土建设专门的地基,也无需在地面固定,仅完成必要的工艺管道和水、电配接后即可投入运行。

图6右侧为主机撬,左侧为因现场无法配接循环水而加配的冷却水站,地上管线为配接的氢气、动力电、冷却水和通讯管路。图7(a)和图7(b)为液驱压缩机主机撬内实景。图8为隔膜压缩机现场应用实景。

图6 液驱压缩机现场应用实景

图7 液驱压缩机主机撬内实景

图8 隔膜压缩机现场应用实景

自2021年8月2日压缩机充装燃料电池氢气以来,至当年底,该液驱压缩机已根据现场需要启停580余次,持续平稳运行,充装氢气76车次,共18 579 kg。

隔膜压缩机有曲轴箱、曲轴、连杆、十字头、活塞杆等复杂结构,比较笨重,在运输、吊装过程中易出现位移、变形导致电机对中不当等问题,需建设专用地基,现场安装调试量较大,易出现投用效果不理想、尤其是膜片寿命短的问题【11】。山东某厂曾出现过10 d内压缩机膜片连续破裂5次【12】的情况。湖北某氢气充装站4 台隔膜压缩机2019年9月投产,运行1年期间,膜片寿命最短的仅5 h,另外3台压缩机的膜片最短寿命分别为13、122和180 h,表2为该4台压缩机1年内膜片破裂情况。

表2 湖北某充装站4台隔膜压缩机1年内膜片破裂情况

2.4 转速慢、磨损小、噪音低的优势

隔膜压缩机通过膜片往复运动来压缩气体,高压差下的膜片挠曲幅度十分有限,难以通过增加“行程”的方式增加流量,只能靠提高频次满足排气量要求。但也不能过快,否则可能使液柱与活塞断开,造成液力冲击,所以隔膜压缩机曲轴转速一般为500 r/min或以下。

液驱压缩机则不同,只要现场空间满足,活塞行程基本不太受限制,在与隔膜压缩机排气量相同的情况下,活塞往复频次可大幅降低。该炼化公司所使用的液驱压缩机活塞行程400 mm、往复频次一般仅30～40 次/min,活塞平均线速度仅0.40～0.53 m/s,均大幅低于隔膜压缩机。有研究认为:活塞换向过程中,气缸内压力较低,而液压油缸内有较高压力的液压油,压力差较大,产生较大的加速度和速度,但此时活塞线速度也仅为1.3 m/s;之后压力差逐渐变小,活塞基本稳定在0.24 m/s左右的较低线速度【13】。

液驱压缩机运行时现场感觉振动较小,噪音小于隔膜压缩机,可使职业卫生和健康防护水平得到改善,活塞、密封磨损也大幅降低。

2.5 投资和运维成本低的优势

液驱压缩机结构简单,密封等已有成熟应用经验,并且基本不需要现场对机组进行安装、建设专门地基等前期工作,故测算其综合投资可较隔膜压缩机降低约20%。

液驱压缩机能耗主要是电耗。在安装电量表后,该公司于2021年8月26日～9月1日进行了标定,合计充装3车,充装量725 kg,合计电耗1 452 k W·h,其中压缩机主机部分1 116 k W·h、冷却水站336 k W·h(占总电耗23%),氢气装车电耗为2.00 k W·h/kg。与同样工况的隔膜压缩机充装电耗进行对比,结果显示:较北京某充装站压缩机电耗2.22 k W·h/kg(不充装时停机,膜片更换频繁)低10%;较山东某站的2.3 k W·h/kg(连续充装)低13%;较广东某站的约3 kW·h/kg(非装车工况时压缩机不停机)低约30%。

液驱压缩机易损件少,只需定期更换密封。而隔膜压缩机除密封外,隔膜最易受疲劳或其他影响而损坏。在运维经济性方面,液驱压缩机也有一定优势。

3 问题与潜力分析

3.1 节能降耗方面

液驱压缩机运转部件少、摩擦阻力小,具有节能优势。石化企业充装站多有规模化循环冷却水可依托,不需单独设置冷却水站。经过初步测算,对循环冷却水进行优化配置并取消冷却水站以后,液驱压缩机单位氢气充装综合电耗可降至1.8 k W·h/kg甚至更低。

3.2 增加排气量方面

从氢能发展趋势看,充装压缩机大型化亟需攻关解决。液驱压缩机活塞行程长,且一个循环可以实现2次加压排气,单次循环和单机排气量均相对较大;而隔膜压缩机膜片往复运动时只能单向排气,单次循环和单机排气量均不能太大。液驱压缩机可通过适当延长活塞缸长度和活塞行程、增加缸径、多气缸并列等方式增加设计排气量。

目前,该公司正在与制造厂联合进行2 000 m3/h大排气量(标准状态)液驱压缩机攻关,力求能够尽快实现工业应用。

3.3 启动流量控制方面

开始氢气充装时,压缩机出、入口压差小,排气量大,对原有聚丙烯氢气供应系统扰动较大。这是因为液压油泵为等功率变量泵,启动工况下的功率恒定,但启动时氢气流量最大【14】。

目前低压变频器价格较低,在电网允许情况下,采用低压变频器对液压油泵进行变频,可实现对启动时压缩机排气量控制,使压缩机启动时氢气流量增加平缓,减少对氢气系统扰动。

4 结论

液驱压缩机在防止高纯氢气被污染、适应现场随时启停、简化安装与即投即用、降低磨损和现场噪音等方面具有一定优势,比燃料电池氢气充装普遍使用的隔膜压缩机节约设备投资约20%、降低充装能耗10%～30%。在做好节能优化、2 000 m3/h大排气量(标准状态)机型开发、启动工况的流量控制等环节后,可进一步提高适应性和竞争力。