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構形式基礎上，進行設計優(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。關鍵詞：液氫；汽化器；高壓；加氫站引言目前，國內已建成的加氫站壓力等級以35MPa為主，加氫站內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業(yè)的興起，液氫相較于氣氫在規(guī)?；l(fā)展氫能產業(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、安全風險小的優(yōu)勢。特別是相對風能、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業(yè)高峰論壇發(fā)布的《2016中國氫能產業(yè)基礎設施發(fā)展藍皮書》，其技術路線圖指出，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鍵技術仍處于試研階段，尚需大力投入科研力量。在70MPa壓力等級的液氫加氫站中，汽化器作為核心設備之一，用途為將高壓液氫轉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計方面對國內實行技術封鎖，國內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上，尚存在技術盲點，內部流體相變過程研究不夠明確，設備體積較大，成本較高。目前國內高壓液氫汽化器的研制應用案例少、測試條件不足（大多為液氮條件測試）、研制基礎建立在液氮、LNG汽化器的仿制基礎上，安全性難以得到保障。2高壓液氫汽化器研制方向2.1研究內容從液氫的相變機理出發(fā)，研究超臨界氫的熱物理性質及流動特性，為高壓液氫汽化器的設計奠定堅實理論基礎，減少安全風險隱患，在目前現(xiàn)有的空溫式汽化器的結構形式基礎上，進行設計優(yōu)化，再結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關鍵技術汽化器結構選型設計、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)控技術研究、高壓液氫汽化器與整站參數(shù)匹配及標準化設計。2.3實施技術路線高壓液氫汽化器目前國內尚無成熟、標準化的產品。液氫高壓汽化設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險更大，氫脆效應及液氫低溫特性所帶來的材料選型、收縮形變及預緊力匹配的設計難度更高，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雜；對于涉液氫危險介質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，進行對應的高壓液氫汽化器標準化設計。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生自上而下的流動，傳熱效果相對較差；在設備工作壓力、使用周期、環(huán)境溫度、介質溫度等條件無法改變的情況下，可在汽化器頂部（若采用下置式會導致翅片表面霜層融化后滴入風機，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機、防雨百葉窗、風機組整體框架組合成的強制換熱裝置，設備頂部至設備底部，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霜融化，在汽化器氫氣泄漏時，風機可以反向旋轉，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)化換熱翅片結構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；這種結構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力內部結構發(fā)生變化，從而避免層壓管強度降低的風險。此外，翅片上設有散熱槽，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、結構緊湊堅固，安全可靠，也方便設備的維護。底部為整根拋光不銹鋼管的U型彎，此設計減少了翅片管之間的連接，進一步提升了設備的可靠性，降低了泄露的風險，同時也降低了成本。3.5框架結構高壓液氫汽化器整體的結構框架材質與C型換熱翅片管相同，確保設備在低溫環(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備整體結構造成破壞。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結語通過計算，僅僅在強制通風換熱一項，可將設備換熱系數(shù)提高近一倍。設計具有自主知識產權的小型化、輕量化高壓液氫汽化器并形成標準，將減少加氫站建設過程的用地要求。本文有助于解決高壓液氫汽化器在國內存在的一些技術盲點與缺陷；高壓液氫汽化器的標準化研制有助于提高國內液態(tài)儲氫型加氫站在國內加氫站數(shù)量中的占比，有助于液氫產業(yè)在國內的推進，有助于實現(xiàn)浙能已有氣態(tài)站向液氫站可升級的構想；有助于提高國內氫能產業(yè)的整體技術水平和經濟效益；并可向分布式能源、船舶、潛艇等方向拓展，帶來提升氫能基礎設施技術水平、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.液氫技術與裝備進展[R].中國氫能與燃料電池產業(yè)鏈年度報告,2021[2]BarrowH,MorrisWD.Recommendationsforthecalculationofheattransfertohydrogen,withparticularreferencetothedesignofcooledrocketmotors[J].Prog.HeatMassTransfer;(UnitedKingdom),1969,1.[3]YounB,MillsAF.Flowofsupercriticalhydrogeninau