高压液氢汽化器综述

高压液氢汽化器综述摘要：本文提出一种新型高压液氢汽化器，在目前现有的空温式汽化器的结构形式基础上，进行设计优化，提出了具体优化措施，使得汽化器轻量化、小型化，并提高其换热效率。关键词：液氢；汽化器；高压；加氢站引言目前，国内已建成的加氢站压力等级以35MPa为主，加氢站内氢的存储形式以高压氢气瓶气态储氢为主。近年来，伴随氢能与燃料电池汽车产业的兴起，液氢相较于气氢在规模化发展氢能产业的储存、运输中更具明显优势。液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。特别是相对风能、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、高效的优势。同时，液态储氢加氢站具有规划占地小、设备投资少、运营成本低、可靠性高、操作维护方便等优势[1]。根据中国氢能与燃料电池产业高峰论坛发布的《2016中国氢能产业基础设施发展蓝皮书》，其技术路线图指出，2020年后液氢储氢供氢和70MPa高压加氢将得到快速发展。低温液体空温汽化器随着人们对能量需求的日益加大，气化量随之越做越大，外形尺寸也越做越高。占地面积大，汽化效率随时间降低以及设备制作成本的增加。氢能行业在高速发展，为了满足液氢加氢站对高压液氢汽化的技术要求，研制出体积小、安全性、换热效率符合要求的高压液氢汽化器迫在眉睫。本文将简单分析现阶段液氢汽化器现状，阐述技术研究方向，综合能效与安全运行考虑，提出高压液氢汽化器如何在保障汽化效率的前提下，缩小体积，减少占地面积并进一步提高汽化效率的方法。1国内高压液氢汽化器现状分析液态储氢、70MPa压力等级的加氢站虽然已有落地的，但液氢加氢站的一些关键技术仍处于试研阶段，尚需大力投入科研力量。在70MPa压力等级的液氢加氢站中，汽化器作为核心设备之一，用途为将高压液氢转化为高压气氢作为加氢的氢源，依据SAE-J2601标准规定的最高加氢压力87.5MPa，高压液氢汽化器的设计压力为95MPa。国外的高压液氢汽化器体积小、工艺先进、汽化能力强、安全性强。由于国外在汽化器的设计方面对国内实行技术封锁，国内目前的高压液氢汽化器，均为空温式汽化器，大多由液氮汽化器、LNG汽化器仿制而成，在液氢温区缺少实际使用检测经验。相比于LNG汽化器，由于液氢温度低、汽化升温释放冷量大，且高压液氢在汽化过程中会形成热物理性质极不稳定的超临界氢[2-3]。因此高压液氢汽化器的制造若仅仅建立在LNG、液氮汽化器的仿制基础上，尚存在技术盲点，内部流体相变过程研究不够明确，设备体积较大，成本较高。目前国内高压液氢汽化器的研制应用案例少、测试条件不足（大多为液氮条件测试）、研制基础建立在液氮、LNG汽化器的仿制基础上，安全性难以得到保障。2高压液氢汽化器研制方向2.1研究内容从液氢的相变机理出发，研究超临界氢的热物理性质及流动特性，为高压液氢汽化器的设计奠定坚实理论基础，减少安全风险隐患，在目前现有的空温式汽化器的结构形式基础上，进行设计优化，再结合加氢站所需的汽化量进行参数兀配，实现高压液氢汽化器的标准化研制。2.2关键技术汽化器结构选型设计、相变过程仿真分析、超临界氢物性参数计算、高压液氢汽化器测试及安全监控技术研究、高压液氢汽化器与整站参数匹配及标准化设计。2.3实施技术路线高压液氢汽化器目前国内尚无成熟、标准化的产品。液氢高压汽化设备的研制难点是液氢作为小分子、低黏度流体存在泄漏的风险更大，氢脆效应及液氢低温特性所带来的材料选型、收缩形变及预紧力匹配的设计难度更高，超临界氢物性参数确定、流动/换热/相变过程的分析计算更为复杂；对于涉液氢危险介质的低温高压性能测试，除了要实现测试系统建立、测试方法研究、测试数据的有效采集，还需解决各类风险识别及安全监控问题。针对性地开展耐压强度保证、安全流速限定、固氧风险防控、超压过流保护、泄漏监测及物理防护、状态检测及故障诊断等一系列问题研究，从而确保液氢高压汽化设备测试顺利进行；针对不同加氢需求的液氢加氢站进行参数匹配，进行对应的高压液氢汽化器标准化设计。3高压液氢汽化器优化方法3.1材料选择液氢没有腐蚀性，但具有低温危险性，会使得金属和非金属材料变脆，因此高压液氢汽化器要考虑其低温韧性以及与氢介质的兼容性。CGAH-3-2013《低温氢储存》[4]中7.1条规定：不推荐采用铝作为内筒体材料，9%镍因其弱延展性也不宜使用，因此与液氢直接接触的内部材料推荐采用低含碳量的奥氏体不锈钢材料。奥氏体不锈钢具有良好氢相容性，在操作条件下能满足机械性能、冷脆性和冲击性要求。奥氏体不锈钢主要指304与316钢材，考虑到汽化器在高压条件下使用，氢脆现象易发生，所以建议使用GB50516中推荐的S31603（S316L）。3.2提高热交换速度空气的对流换热方式为自然对流，环境空气受汽化器翅片管的冷却作用，在翅片管表面附近产生自上而下的流动，传热效果相对较差；在设备工作压力、使用周期、环境温度、介质温度等条件无法改变的情况下，可在汽化器顶部（若采用下置式会导致翅片表面霜层融化后滴入风机，造成连电、叶片腐蚀等安全问题，故采用上置式）加装由小型防爆低温轴流风机、防雨百叶窗、风机组整体框架组合成的强制换热装置，设备顶部至设备底部，进行强制换热，增加空气中热源交换的速度，从而提高设备的换热系数。强制换热装置还能抑制汽化器翅片表面结霜融化，在汽化器氢气泄漏时，风机可以反向旋转，将氢气往上抽离输送，起到抑制着火爆炸作用，从而提高安全性。3.3优化换热翅片结构高压液氢汽化器压力大且具有低温危险性，不能直接用铝制翅片管作为承压管道。因此采用C型换热翅片管（铝合金管）；承压部分为SS316L不锈钢管，液压设备将抛光不锈钢管穿入C型换热翅片管，并对C型换热翅片管进行闭合焊收缩处理；该不锈钢管无法采用涨管工艺，直接套入后，存在两管接触面积不足的问题；这种结构完美解决了液氢不锈钢管道不能涨管的问题，同时焊接操作比涨管更加方便，铝合金管和不锈钢管贴合度提高，进一步提高换热效率，同时避免了钢管涨管后管道因外部应力内部结构发生变化，从而避免层压管强度降低的风险。此外，翅片上设有散热槽，使翅片的上下面带有条形波纹，从而能够增大所述翅片与空气的接触面积，进一步加大散热效率。图1C型换热翅片及其散热槽示意图3.4管道连接轻量化高压液氢汽化器高压换热翅片管之间的连接均位于汽化器顶部，采用高压NPT角通连接，无须焊接，工艺先进，密封性能好、结构紧凑坚固，安全可靠，也方便设备的维护。底部为整根抛光不锈钢管的U型弯，此设计减少了翅片管之间的连接，进一步提升了设备的可靠性，降低了泄露的风险，同时也降低了成本。3.5框架结构高压液氢汽化器整体的结构框架材质与C型换热翅片管相同，确保设备在低温环境与常温环境下延展率一致，避免不同材料热胀冷缩不一样对设备整体结构造成破坏。每一根高压C型换热翅片管底部及顶部均有U型栓固定，U型栓上附着耐低温橡胶。4结语通过计算，仅仅在强制通风换热一项，可将设备换热系数提高近一倍。设计具有自主知识产权的小型化、轻量化高压液氢汽化器并形成标准，将减少加氢站建设过程的用地要求。本文有助于解决高压液氢汽化器在国内存在的一些技术盲点与缺陷；高压液氢汽化器的标准化研制有助于提高国内液态储氢型加氢站在国内加氢站数量中的占比，有助于液氢产业在国内的推进，有助于实现浙能已有气态站向液氢站可升级的构想；有助于提高国内氢能产业的整体技术水平和经济效益；并可向分布式能源、船舶、潜艇等方向拓展，带来提升氢能基础设施技术水平、促进低温流体机械行业发展、形成良好的社会效益。参考文献[1]安刚.液氢技术与装备进展[R].中国氢能与燃料电池产业链年度报告,2021[2]BarrowH,MorrisWD.Recommendationsforthecalculationofheattransfertohydrogen,withparticularreferencetothedesignofcooledrocketmotors[J].Prog.HeatMassTransfer;(UnitedKingdom),1969,1.[3]YounB,MillsAF.Flowofsupercriticalhydrogeninau