高壓液氫汽化器綜述

高壓液氫汽化器綜述摘要：本文提出一種新型高壓液氫汽化器，在目前現(xiàn)有的空溫式汽化器的結(jié)構(gòu)形式基礎(chǔ)上，進行設(shè)計優(yōu)化，提出了具體優(yōu)化措施，使得汽化器輕量化、小型化，并提高其換熱效率。關(guān)鍵詞：液氫；汽化器；高壓；加氫站引言目前，國內(nèi)已建成的加氫站壓力等級以35MPa為主，加氫站內(nèi)氫的存儲形式以高壓氫氣瓶氣態(tài)儲氫為主。近年來，伴隨氫能與燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的興起，液氫相較于氣氫在規(guī)?；l(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)的儲存、運輸中更具明顯優(yōu)勢。液氫加氫站較氣體加氫站具有運輸效率高、儲運壓力低、安全風(fēng)險小的優(yōu)勢。特別是相對風(fēng)能、太陽能等廉價清潔能源跨省際利用所需要的長距離輸送具有快捷、經(jīng)濟、高效的優(yōu)勢。同時，液態(tài)儲氫加氫站具有規(guī)劃占地小、設(shè)備投資少、運營成本低、可靠性高、操作維護方便等優(yōu)勢[1]。根據(jù)中國氫能與燃料電池產(chǎn)業(yè)高峰論壇發(fā)布的《2016中國氫能產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展藍皮書》，其技術(shù)路線圖指出，2020年后液氫儲氫供氫和70MPa高壓加氫將得到快速發(fā)展。低溫液體空溫汽化器隨著人們對能量需求的日益加大，氣化量隨之越做越大，外形尺寸也越做越高。占地面積大，汽化效率隨時間降低以及設(shè)備制作成本的增加。氫能行業(yè)在高速發(fā)展，為了滿足液氫加氫站對高壓液氫汽化的技術(shù)要求，研制出體積小、安全性、換熱效率符合要求的高壓液氫汽化器迫在眉睫。本文將簡單分析現(xiàn)階段液氫汽化器現(xiàn)狀，闡述技術(shù)研究方向，綜合能效與安全運行考慮，提出高壓液氫汽化器如何在保障汽化效率的前提下，縮小體積，減少占地面積并進一步提高汽化效率的方法。1國內(nèi)高壓液氫汽化器現(xiàn)狀分析液態(tài)儲氫、70MPa壓力等級的加氫站雖然已有落地的，但液氫加氫站的一些關(guān)鍵技術(shù)仍處于試研階段，尚需大力投入科研力量。在70MPa壓力等級的液氫加氫站中，汽化器作為核心設(shè)備之一，用途為將高壓液氫轉(zhuǎn)化為高壓氣氫作為加氫的氫源，依據(jù)SAE-J2601標準規(guī)定的最高加氫壓力87.5MPa，高壓液氫汽化器的設(shè)計壓力為95MPa。國外的高壓液氫汽化器體積小、工藝先進、汽化能力強、安全性強。由于國外在汽化器的設(shè)計方面對國內(nèi)實行技術(shù)封鎖，國內(nèi)目前的高壓液氫汽化器，均為空溫式汽化器，大多由液氮汽化器、LNG汽化器仿制而成，在液氫溫區(qū)缺少實際使用檢測經(jīng)驗。相比于LNG汽化器，由于液氫溫度低、汽化升溫釋放冷量大，且高壓液氫在汽化過程中會形成熱物理性質(zhì)極不穩(wěn)定的超臨界氫[2-3]。因此高壓液氫汽化器的制造若僅僅建立在LNG、液氮汽化器的仿制基礎(chǔ)上，尚存在技術(shù)盲點，內(nèi)部流體相變過程研究不夠明確，設(shè)備體積較大，成本較高。目前國內(nèi)高壓液氫汽化器的研制應(yīng)用案例少、測試條件不足（大多為液氮條件測試）、研制基礎(chǔ)建立在液氮、LNG汽化器的仿制基礎(chǔ)上，安全性難以得到保障。2高壓液氫汽化器研制方向2.1研究內(nèi)容從液氫的相變機理出發(fā)，研究超臨界氫的熱物理性質(zhì)及流動特性，為高壓液氫汽化器的設(shè)計奠定堅實理論基礎(chǔ)，減少安全風(fēng)險隱患，在目前現(xiàn)有的空溫式汽化器的結(jié)構(gòu)形式基礎(chǔ)上，進行設(shè)計優(yōu)化，再結(jié)合加氫站所需的汽化量進行參數(shù)兀配，實現(xiàn)高壓液氫汽化器的標準化研制。2.2關(guān)鍵技術(shù)汽化器結(jié)構(gòu)選型設(shè)計、相變過程仿真分析、超臨界氫物性參數(shù)計算、高壓液氫汽化器測試及安全監(jiān)控技術(shù)研究、高壓液氫汽化器與整站參數(shù)匹配及標準化設(shè)計。2.3實施技術(shù)路線高壓液氫汽化器目前國內(nèi)尚無成熟、標準化的產(chǎn)品。液氫高壓汽化設(shè)備的研制難點是液氫作為小分子、低黏度流體存在泄漏的風(fēng)險更大，氫脆效應(yīng)及液氫低溫特性所帶來的材料選型、收縮形變及預(yù)緊力匹配的設(shè)計難度更高，超臨界氫物性參數(shù)確定、流動/換熱/相變過程的分析計算更為復(fù)雜；對于涉液氫危險介質(zhì)的低溫高壓性能測試，除了要實現(xiàn)測試系統(tǒng)建立、測試方法研究、測試數(shù)據(jù)的有效采集，還需解決各類風(fēng)險識別及安全監(jiān)控問題。針對性地開展耐壓強度保證、安全流速限定、固氧風(fēng)險防控、超壓過流保護、泄漏監(jiān)測及物理防護、狀態(tài)檢測及故障診斷等一系列問題研究，從而確保液氫高壓汽化設(shè)備測試順利進行；針對不同加氫需求的液氫加氫站進行參數(shù)匹配，進行對應(yīng)的高壓液氫汽化器標準化設(shè)計。3高壓液氫汽化器優(yōu)化方法3.1材料選擇液氫沒有腐蝕性，但具有低溫危險性，會使得金屬和非金屬材料變脆，因此高壓液氫汽化器要考慮其低溫韌性以及與氫介質(zhì)的兼容性。CGAH-3-2013《低溫氫儲存》[4]中7.1條規(guī)定：不推薦采用鋁作為內(nèi)筒體材料，9%鎳因其弱延展性也不宜使用，因此與液氫直接接觸的內(nèi)部材料推薦采用低含碳量的奧氏體不銹鋼材料。奧氏體不銹鋼具有良好氫相容性，在操作條件下能滿足機械性能、冷脆性和沖擊性要求。奧氏體不銹鋼主要指304與316鋼材，考慮到汽化器在高壓條件下使用，氫脆現(xiàn)象易發(fā)生，所以建議使用GB50516中推薦的S31603（S316L）。3.2提高熱交換速度空氣的對流換熱方式為自然對流，環(huán)境空氣受汽化器翅片管的冷卻作用，在翅片管表面附近產(chǎn)生自上而下的流動，傳熱效果相對較差；在設(shè)備工作壓力、使用周期、環(huán)境溫度、介質(zhì)溫度等條件無法改變的情況下，可在汽化器頂部（若采用下置式會導(dǎo)致翅片表面霜層融化后滴入風(fēng)機，造成連電、葉片腐蝕等安全問題，故采用上置式）加裝由小型防爆低溫軸流風(fēng)機、防雨百葉窗、風(fēng)機組整體框架組合成的強制換熱裝置，設(shè)備頂部至設(shè)備底部，進行強制換熱，增加空氣中熱源交換的速度，從而提高設(shè)備的換熱系數(shù)。強制換熱裝置還能抑制汽化器翅片表面結(jié)霜融化，在汽化器氫氣泄漏時，風(fēng)機可以反向旋轉(zhuǎn)，將氫氣往上抽離輸送，起到抑制著火爆炸作用，從而提高安全性。3.3優(yōu)化換熱翅片結(jié)構(gòu)高壓液氫汽化器壓力大且具有低溫危險性，不能直接用鋁制翅片管作為承壓管道。因此采用C型換熱翅片管（鋁合金管）；承壓部分為SS316L不銹鋼管，液壓設(shè)備將拋光不銹鋼管穿入C型換熱翅片管，并對C型換熱翅片管進行閉合焊收縮處理；該不銹鋼管無法采用漲管工藝，直接套入后，存在兩管接觸面積不足的問題；這種結(jié)構(gòu)完美解決了液氫不銹鋼管道不能漲管的問題，同時焊接操作比漲管更加方便，鋁合金管和不銹鋼管貼合度提高，進一步提高換熱效率，同時避免了鋼管漲管后管道因外部應(yīng)力內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而避免層壓管強度降低的風(fēng)險。此外，翅片上設(shè)有散熱槽，使翅片的上下面帶有條形波紋，從而能夠增大所述翅片與空氣的接觸面積，進一步加大散熱效率。圖1C型換熱翅片及其散熱槽示意圖3.4管道連接輕量化高壓液氫汽化器高壓換熱翅片管之間的連接均位于汽化器頂部，采用高壓NPT角通連接，無須焊接，工藝先進，密封性能好、結(jié)構(gòu)緊湊堅固，安全可靠，也方便設(shè)備的維護。底部為整根拋光不銹鋼管的U型彎，此設(shè)計減少了翅片管之間的連接，進一步提升了設(shè)備的可靠性，降低了泄露的風(fēng)險，同時也降低了成本。3.5框架結(jié)構(gòu)高壓液氫汽化器整體的結(jié)構(gòu)框架材質(zhì)與C型換熱翅片管相同，確保設(shè)備在低溫環(huán)境與常溫環(huán)境下延展率一致，避免不同材料熱脹冷縮不一樣對設(shè)備整體結(jié)構(gòu)造成破壞。每一根高壓C型換熱翅片管底部及頂部均有U型栓固定，U型栓上附著耐低溫橡膠。4結(jié)語通過計算，僅僅在強制通風(fēng)換熱一項，可將設(shè)備換熱系數(shù)提高近一倍。設(shè)計具有自主知識產(chǎn)權(quán)的小型化、輕量化高壓液氫汽化器并形成標準，將減少加氫站建設(shè)過程的用地要求。本文有助于解決高壓液氫汽化器在國內(nèi)存在的一些技術(shù)盲點與缺陷；高壓液氫汽化器的標準化研制有助于提高國內(nèi)液態(tài)儲氫型加氫站在國內(nèi)加氫站數(shù)量中的占比，有助于液氫產(chǎn)業(yè)在國內(nèi)的推進，有助于實現(xiàn)浙能已有氣態(tài)站向液氫站可升級的構(gòu)想；有助于提高國內(nèi)氫能產(chǎn)業(yè)的整體技術(shù)水平和經(jīng)濟效益；并可向分布式能源、船舶、潛艇等方向拓展，帶來提升氫能基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)水平、促進低溫流體機械行業(yè)發(fā)展、形成良好的社會效益。參考文獻[1]安剛.液氫技術(shù)與裝備進展[R].中國氫能與燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈年度報告,2021[2]BarrowH,MorrisWD.Recommendationsforthecalculationofheattransfertohydrogen,withparticularreferencetothedesignofcooledrocketmotors[J].Prog.HeatMassTransfer;(UnitedKingdom),1969,1.[3]YounB,MillsAF.Flowofsupercriticalhydrogeninau