管束车外供氢加氢站压缩机设计选型建议

管束车外供氢加氢站压缩机设计选型建议

肖刚

优捷特清洁能源有限公司 610100

摘要:针对现有管束车外供氢加氢站压缩机排气温度过高、整站卸氢效率低与卸氢成本的问题,在简要介绍了管束车外供氢加氢站的工艺概况和氢气压缩机使用情况的基础上,提出了管束车外供氢加氢站压缩机设计选型的建议:一是采用单级或二级压缩,降低压缩比,保证排气温度降低，提高设备使用寿命;二是分进气压力段设计压缩机级数,保证加氢站的安全运行；三是近距离管束车外供氢运输，提高卸车压力，压缩机效率变高，降低加氢站整体运营成本。

关键词:加氢站；压缩机；设计；选型；建议

氢能是一种来源丰富、绿色低碳、应用广泛的二次能源，对减少二氧化碳等温室气体排放、实现碳达峰碳中和目标具有重要意义。国家《中国制造2025》提出到2025年实现加氢站等配套基础设施完善；《节能与新能源汽车技术路线图》提出到2025年建设350座加氢站；国家发展改革委、国家能源局联合研究制定了《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》提出引导企业根据氢燃料供给、消费需求合理布局加氢基础设施。在刚刚结束的北京冬奥会和冬残奥会上，氢能成为“绿色办奥”理念的重要体现。“飞扬”火炬采用清洁低碳氢能作为燃料；冬奥赛区共投入氢燃料电池汽车1000余辆，配套建设加氢站30余座，全面实现交通领域绿色用能。然而,由于加氢站的工艺技术水平提高遇到一些技术瓶颈,目前投营加氢站加氢量较少,问题暴露不充分。虽然部分加氢站设备运行过程中也出现了一些问题,但因数量较少,未得到有效的重视。

1管束车外供氢加氢站工艺概况

管束车外供氢加氢站与CNG加气站流程类似,是专门为氢燃料电池汽车加注氢气的车用能源供应基础设施之一。加氢站组成结构与CNG加气子站较为接近。由于氢气与天然气的气体特性和加注压力不同,加氢站的要求的管材和设计压力与传统CNG加气子站存在一定差别。管外供氢气（20MPa）经过管束车运输到加氢站，经卸氢柱计量后输送到压缩设备,通过该设备过滤、压缩增压、冷却系统冷却、压力控制后分级充装到固定式储氢容器中，以高压力、高密的的形式进行储存，再经加氢机加注到燃料电池汽车中使用。在氢气压缩过程中，冷却系统能够对压缩机液压油、膜头、出口氢气进行实时冷却，同时氢气的质量由原料气供氢单位保证它的高纯度,而加氢站需保证卸氢、增压、储存和加氢过程中不对氢气造成污染。

图 1 加气站工艺流程示意

管束车外供氢加氢站的装备主要由卸氢柱、氢气压缩机、顺序控制盘、储氢容器、加氢机以及氢气冷却所需的水冷机组等组成。如图一所示。现有加氢站都是示范性站，不已盈利为目的，尽量减少投资,加氢站压缩机采用一级压缩,压缩机进气压力5~20MPa,排气压力45 MPa,储氢瓶 9m³,分高、中、低压配置。

2氢气压缩机使用情况

氢气压缩机作为加氢站的核心设备,受氢气的特性以及燃料电池系统对氢气的纯度要求高的影响,加氢站氢气压缩机的设计和选择显得尤为重要^[1]。目前主流压缩机都是容积式压缩机主要分为液驱压缩机和隔膜压缩机,液驱压缩机和隔膜压缩机又有单级压缩、二级压缩之分。主要厂家有美国Haskel、德国Hofer、德国MAXIMATOR、国内康普锐斯和东燃等;其中Hofer、Haskel的45MPa的压缩机采用了一级压缩设计,槽车卸气压力可卸到最低5MPa；MAXIMATOR、康普锐斯的45MPa压缩机采用二级压缩机设计,槽车卸气压力可卸到最低2MPa。

隔膜压缩机主要有美国PDC和英国Howden、国产天高、中鼎等，都是采用以一级压缩，卸氢余压5MPa, 不同品牌压缩机都存在结构上的差异，造成压缩机排气温度参差不齐，同等工况下，低的只有约180℃左右，高的高达约250 ℃左右。

3目前管束车外供氢加氢站压缩机工艺设计存在的主要问题

3.1氢气管束车卸气余压高,卸氢率低

现有国内氢气管束车最高充装压力为20MPa，容积26m³温度20℃的氢气管束车为例，而一级压缩加氢站设计卸气最低压力为5MPa,实际卸气余压在7MPa左右,卸气量约280kg；采用二级压缩加氢站设计卸气最低压力为2MPa，卸气量约340kg。

图二 一级压缩机流量曲线表 图三 二级压缩机流量曲线表

管束车外供氢加氢站的外售氢气成本由氢气采购成本、氢气运输成本、能耗成本和人力成本构成,氢气卸气率低,运输成本大幅增加，而能耗成本降低。卸气气率低的原因是加氢站压缩机采用一级压缩设计,卸气到后期压缩比较高,压缩机的排气量过低,排气温度过高,耗电明显增加,效率降低，入口压力降至7MPa时达到耗电量达到5度电/kg氢气结合成商业成本9元/kg;入口压力越低耗电成本越高，当耗电成本等于运输成本时，就是一个分界值，选择到这个点是入口压力是最经济的，通过距离计算运输成本一直大于耗电成本。说明管束车运输距离过远，需要采用二级压缩机。氢气管束车按氢气每100km运费10元/kg测算,容积26m³温度20℃的氢气拖车,运距100km的加氢站每车可节约氢气运费600元，同时电费也需要增加到200~300元左右。

3.2压缩机排气温度高

现有管束车外供氢加氢站氢气压缩机多采用一级压缩,进气压力5~20MPa,排气压力45MPa。卸气后期压缩比高,管束车余压接近5MPa时排气温度高达240℃以上。如果压缩机没有考虑降温的同时，压缩机排气温度高,造成诸多问题,一是压缩机易损件在高温工作下寿命变短,一级和二级压缩机比较,其维护周期明显短增多;二是压缩机膜头铁碳合金在200~300℃时易发生“氢脆”,金属与氢反应生成甲烷,甲烷气在晶界空隙内引起裂纹,使材料的塑性降低,引起氢腐蚀。市场上有多台隔膜压缩机膜头开裂的情况,造成安全隐患和较大的经济损失。为了降低压缩机的排气温度,有些压缩机厂家无法完成膜头冷却，在压缩机进气端增加预冷工艺，降低至5℃,可以降低排气温度,但无形中又增加了氢气压缩的能耗。三是增加压缩机膜头冷却通道，降低压缩机出口温度，从而增加压缩机的使用寿命。

4加氢站压缩机设计的建议

4.1 分进气压力段设计压缩机级数,保证加氢站的安全运行

《JB/T10909—2008小型往复活塞氢气压缩机》标准中规定压缩机的排气温度不超过135℃。在进气温度35℃的情况下,压缩比控制在4以内,可以控制排气温度在150℃。如果采用进气预冷和膜头降温,排气温度可以控制在135℃以内。压缩比超过4后,即使采用预冷措施,压缩机的排气温度也很难降到135℃以下。现有加氢站排气压力45MPa,若进气压力5MPa,总压缩比为9,采用一级压缩的压缩比为9,没有降温措施排气温度240℃以上;采用两级压缩的单级压缩比为3,排气温度123.9℃,排气温度大幅降低。若将进气压力降到2MPa,总压缩比为22.5,采用一级压缩无法实现,采用两级压缩的单级压缩比约为4.65,排气温度约为160℃ 。由此可见,两类压缩机增加压缩级数可有效控制排气温度,也可降低进气压力至2MPa。

4.2分进气压力段设计压缩机级数，综合压缩机的卸氢率和能耗比降低整体运营成本

由于氢气管束车内的氢气压力在20~2MPa范围内，单级压缩机级数无法满足全压力段较优的工况性能。压缩机的排气量随进气压力的下降而大幅下降,进气压力低于8MPa时,排气量标准状态下不足100Nm³/h,氢气压缩的能耗会大幅增加。为了提高整站压缩效率，不要把压缩机30%的使用时间浪费在只有17%的卸氢量上。

图四 单级压缩机卸氢压力与时间曲线

管束车外供氢距离大于200km时，运输成本大于氢气压缩机能耗比成本，宜采用两级或者多级压缩机设计，降低运输成本同时增大压缩机的入口压力范围，降低压缩机出口温度，提升压缩机运行的可靠性。

5结束语

管束车外供氢加氢站氢气压缩机的设计、选型对加氢站的安全、经济运行起着重要的作用。两级或多级压缩更有利加氢站的工况条件,分进气压力段设计压缩机级数更能提高压缩机工作效率和可靠性，管束车外供氢距离同样影响到选型设备的类型，影响整站运营的经济性。

参考文献

[1]胥泽文. 加氢站压缩机设计选型的两点建议[J]. 石油库与加油站, 2021, 30(4):4.

[2]林世响. 进气压力与温度对加氢站隔膜压缩机性能的影响分析[J]. 制冷技术,2021,41(3):72-77. DOI:10.3969/j.issn.2095-4468.2021.03.303.

[3] 刘泽坤,郑刚,张倩,等. 加氢站用离子压缩机及离子液体简述[J]. 化工设备与管道,2020,57(6):47-53. DOI:10.3969/j.issn.1009-3281.2020.06.012.