加氢站用高压液氢泵技术发展研究

摘要

关键词：加氢站；高压液氢泵；氢能

0 引言

近年来，随着氢能应用技术发展逐渐成熟，以及全球应对气候变化压力的持续增大，氢能产业的发展在世界各国备受关注[1]，美国、德国、日本等发达国家相继将发展氢能产业提升到国家能源战略高度[2]。我国也将氢能作为优化能源配置体系和确保国家能源供应安全的战略选择。2016年10月，中国氢能与燃料电池产业高峰论坛发布了《中国氢能产业基础设施发展蓝皮书（2016）》，将氢能与燃料电池技术创新列入了行动计划重点任务，拟在氢的制取、储运、加氢站建设、先进燃料电池等方面进行重点支持，并提出了2050年实现氢能和燃料电池的普遍应用，氢能制取利用新突破的远景目标。

作为氢能产业重要基础设施,加氢站设施的完善和储、供氢路线选择直接影响氢燃料电池汽车普及和技术研发的进程。液态储氢较高压气体储氢技术具有运输效率高、储运压力低、安全风险小的优势。特别是针对风能、太阳能等廉价清洁能源跨省际利用所需要的长距离输送具有快捷、经济的优势。就加氢站而言，采用液氢运输、存储，利用液氢增压汽化装置将液氢转化为常温高压氢气进行加注的技术,可大大降低加氢站的压缩能耗和占地。经比较，液态储氢存储压力较同等加氢压力等级高压储氢系统低97%，高压储氢气瓶容量减少80%，压缩设备功率消耗降低88%。以新建一个三级加氢站为例，采用液态储氢加氢技术可将规划占地减小45%。

由此可见，液态储氢加氢站较气体加氢站具有运输效率高、储运压力低、安全风险小的优势，液氢的储运也将作为氢能大规模储运的更佳选择，并逐渐成为氢能储运的主流方式。

在液态储氢加氢站使用过程中，首先要考虑的是，对于用杜瓦、储罐或管道运送到加氢站的液氢，都需要动力源才能进行流动。总体而言，液氢的驱动，共有两种方法：一种是加压的方法，该方法是利用高压气体或使得液氢蒸发，从而产生驱动力；另一种方法是，利用低温液体泵提供动力驱动液氢。

加压的方法虽然具有系统结构简单、系统投入快等优点，但也存在如下弊端：

（1） 加压对液氢杜瓦的要求提高了，且引入新的气压源会使系统漏热增加，有效性降低。

（2） 气压源的引入增加了热声震荡的危险性，为了降低危险性，需要增加管线长度，这就必然导致排管困难。

（3） 液氢杜瓦限制了系统的压力，导致机动性差，处理紧急工况的能力下降。

对比而言，使用机械式液氢泵输送液氢具备如下优势：

（1） 机械式液氢泵可以主动控制扬程大小，避免产生振动。

（2） 液氢泵能够主动调节流速，依照需求提供合理供氢量。

（3） 液氢的加注速度大大提高，可以有效地降低蒸发带来的损失。

对比以上两种输送液氢的方式，不难发现，采用液氢泵输送液氢是更加更加安全、快速和经济的方式。所以一般采用该种方式对液氢加氢站进行液氢的增压和输送。

1 加氢站用高压液氢泵结构特点与技术难点

1.1液氢泵的分类和结构特点

泵的分类很多，但是用于驱动低温流体的泵常见的有离心泵、隔膜泵、波纹管泵和活塞泵等几类。其中，波纹管泵因效率中等，寿命不长，而只能适于间歇工作的场合[3]。离心泵在低温系统中应用广泛，离心泵虽然效率较高，流量均衡，但其叶片加工较为复杂，且单级所产生的压力有限，不利于变工况运行[[3]]。

对于泵流量较小、且压差变化较大的场合，如液氢加氢站，一般使用往复式活塞泵较多。其有如下特点：

（1） 流量的大小与活塞直径、活塞运动行程和活塞的运动频率有关；

（2） 活塞泵的性能只取决于泵的动力端可提供的驱动力、泵体强度和密封性能等因素。

（3） 活塞泵具有良好的自吸能力；

（4） 为了使得泵出口流体具有均匀稳定的流量和压力，需要在泵后配备缓冲罐。

1.2加氢站用高压液氢泵研发技术难点

在液氢温区下，加氢站用高压低温往复式活塞液氢泵在设计时需要考虑超低温度对部件产生的影响，主要有以下几方面技术难点需要克服[4],[5]：

(1)超低温环境对活塞泵的部件材料有特殊要求，要保证活塞泵部件材质在超低温条件下仍然可以保持良好的机械性能；

(2)运动部件在超低温环境下，没有合适的润滑剂可以减少摩擦，这就要求运动部件在低温下具有足够的强度和耐磨性；

(3)在活塞泵中液氢易汽化的问题：液氢总是处于近饱和状态，易于汽化，泵的气蚀问题就显得很严重。液氢泵运行时产生的气蚀问题很难完全消除，只能尽量将其控制在允许的范围内[3]。

(4)超低温条件下的密封问题：液氢的粘度很低，因此活塞和气缸之间以及阀门处的泄露问题相当严重。若应用接触式密封，可以消除泄露问题，但会限制活塞的运行速度以及泵的运行寿命。因此可以考虑采用间隙密封的方式。间隙密封原则上可以应用在液氢泵的设计中[3]。

(5)低温液体的可压缩性：在采用密封结构时必须考虑各个间隙在压缩时存储的液体，在吸液阶段向外排放降低了泵的容积效率，同时也限制了出口压力的提高[[6]]；

(6)氢脆问题：在液氢环境下，泵体内部材质长时间接触液氢，必须考虑氢脆效应对泵体材料产生的影响。可以考虑使用铝合金、铜合金以及316L不锈钢等金属材料。

以上是设计大型液氢泵时的技术难点。在设计流量小一个数量级的活塞式液氢泵时，又面临着一些新的技术难点[7],[8]：

（1）小型液氢泵由于尺寸较小，对配合度和加工精度要求高，在活塞动密封方面难度较大，适用于较大活塞缸场景的迷宫式密封或密封环等方式密封效果不明显。如果采用间隙密封的方式，又缺少低温下能够实现该功能的材料。而动密封的泄露又将影响整个输送系统的安全性。

（2）小型液氢泵设置在低温杜瓦外，使得低温漏热现象更容易发生。

（3）尺寸较小时，活塞液氢泵内的流动阻力占比增加，导致活塞泵运行负荷增加。

（4）为了增加液氢在小型液氢泵的入口处的稳定流动性，如果增设导流管，则加剧了蒸汽的形成。为了防止蒸汽进入气缸，可以在液氢泵入口处增设气液分离腔，但又增加了设计结构的复杂性。

因此在设计小型液氢泵时需要考虑基本的设计问题，也需要考虑体积尺寸缩小后面临的新问题。

2 国内外高压液氢泵研发现状

关于往复式高压液氢泵的研究，国外开展的较早，且技术更加成熟，具有更完善的性能。早期，日本氢能研究中心和德国林德公司对往复式高压液氢泵做了较多研究和探索工作。其中，林德公司在其1994年授权的发明专利“Very low temperature pump”中宣布其成功开发100MPa往复式液氢泵样机。目前，国际上掌握往复式高压液氢泵技术的企业主要包括美国的ACD公司和被德国林德公司收购的CRYOSTAR公司，该两家公司生产的往复式液氢泵排液压力均可达41.4MPa；而近期林德公司采用将往复式液氢泵浸入液氢储罐的设计方案成功开发了加氢站用87.5MPa往复式高压液氢泵。

近年来，随着液氢技术的发展和液氢加氢站建设数量的不断增加，国内也有部分公司和科研院所开展了对往复式高压液氢泵的研制，如杭州新亚低温科技有限公司、杭州台连低温设备有限公司等。杭州新亚低温科技有限公司研发的液氢泵，采用卧式结构，最高工作压力可以达到50MPa，使用寿命可以达到2万小时。杭州台连低温设备有限公司也有液氢泵相关产品。

（a）CRYOSTAR 41.4MPa液氢泵

（b）ACD 3-SGV HP液氢泵

图1 国外液氢泵产品调研

杭州台连低温设备有限公司液氢泵

3 对高压液氢泵研发的几点建议

影响高压液氢泵研制的难题，主要有防氢脆耐低温材料选用、小分子超低温高速摩擦密封结构设计、小汽化潜热流体高性能绝热保证、净正吸入压头保证等。为进一步提升我国在往复式高压液氢泵方面的研发能力，并实现液氢存储——高压氢气加注链条中的核心技术突破，针对目前加氢站用高压液氢泵研发技术难点提出如下几点建议，希望可以为设备国产化提供一些参考。

(1) 在液氢泵研发过程中，对于承受较大载荷的零部件，如轴承、活塞上的动密封环，曲轴等关键零部件，不仅要分析易损机理进行研究、还要进行可靠性理论分析、低温性能分析等以提高整机可靠性；

(2) 活塞式液氢泵的电机转速受载荷影响较大，应该在动态仿真模拟时充分考虑活塞负载传递到曲轴上的扭矩对电机转速的影响。

(3) 从系统动力学角度充分考虑曲轴、连杆等传动部件的机械间隙和摩擦，降低因机械配合导致的影响。

(4) 对于活塞式液氢泵，尺寸越小，转速越快；活塞缸数越多，泵体结构越复杂，其可靠性就越差。所以当速度提高时，就会产生低温液氢在活塞缸内压力波动增加，增加了危险性，提高了密封难度。可以考虑采取差动活塞泵的结构，利用活塞的作用，将活塞缸划分成压缩部分和差动缸体部分，在活塞运动的一个周期内有液氢排出泄压，进而降低压力波动和流量波动，减少密封难度。

(5) 对于绝热设计，活塞式高压液氢泵泵头的绝热设计可以考虑采用高真空多层绝热结构，通过优化高真空多层绝热结构中的多层绝热材料厚度与真空层厚度，有效抑制液氢泵进液腔的漏热和液氢汽化。

4 结语

往复式高压液氢泵是液氢加氢站及液氢输送的关键部件。液氢工作介质要求液氢泵具有耐低温、不易氢脆、低温高压下可靠地密封性能和长使用寿命等。这就需要设计者在研发阶段，充分考虑液氢泵的绝热性能，并系统性的从动力学和运动学、温度场等角度综合分析，开展仿真计算和真实介质试验。此外，还需要考虑成本和市场因素，时刻把握市场动向，对比同类产品优劣，提升液氢泵的制造水平。

[1] 符冠云.氢能在我国能源转型中的地位和作用[J].中国煤炭,2019,(10):15-21.

[2]李承明.氢能改变未来[J].西部大开发,2019,(7):40-43.

[3]战颖. 全低温液氢泵的研制[D].华中科技大学,2008.

[4]C F Gottzmann. High-pressure liquid-hydrogen and liquid-helium pump. ACE, 1959(5):196-208.

[5] L Tyree. A new high-pressure reciprocating cryogenic pump. ACE, 1963(8):456-460.

[6]Kamijo K. EFFICIENCY OF HIGH PRESSURE CRYOGENIC PUMPS. Nippon Kikai Gakkai Ronbunshu, 1986, 52(481): 3266-3272.

[7] Peschka W. LIQUID HYDROGEN-CRYOFUEL IN GROUND TRANSPORTATION. ACE, 1986(31):1035-1046.

[8] Peschka W. Liquid hydrogen pumps for automotive application. International Journal of Hydrogen Energy, 1990, 15(11): 817-825.