陳正文 ,劉海山 ,韋志超 ,魯 飛 ,張興林 ,高攀龍 ,徐躍成 ,雷廣進(jìn)
(1.合肥通用機(jī)械研究院有限公司,合肥 230031;2.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司 泵業(yè)分公司,陜西寶雞 721000;3.中油國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心有限公司,陜西寶雞 721002)
氫能作為21世紀(jì)倍受全球高度重視的可再生清潔能源,在我國能源轉(zhuǎn)型中占有重要地位,廣泛應(yīng)用于航天、交通、工業(yè)、電力等多個(gè)領(lǐng)域。氫能的制備、儲(chǔ)存、運(yùn)輸?shù)仁菤淠茉聪到y(tǒng)的重要組成部分,其中,氫能的儲(chǔ)存通常有以下3種基本方法:壓縮氫氣、液氫和固體貯氫。固體貯氫尚處于實(shí)驗(yàn)研究階段,技術(shù)不成熟;相較于壓縮氫氣,液氫密度大,具有較高的儲(chǔ)能密度,是更加理想的氫能儲(chǔ)存方式。此外,液氫也更適用于大容量、長距離的運(yùn)輸[1-3]。
儲(chǔ)罐內(nèi)液氫的轉(zhuǎn)移或輸送,通常采用加壓擠出或低溫液體泵抽取兩種方式。對(duì)于輸送液氫的低溫液體泵,主要有離心式和往復(fù)式液氫泵兩種形式。離心式液氫泵以大型液氫渦輪泵為主,主要用于航天氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中氫燃料的輸送[4-5],現(xiàn)在也逐漸向工業(yè)和民用方向發(fā)展;往復(fù)式液氫泵主要用于工業(yè)和民用液氫的輸送與加注。與離心式液氫泵一樣,往復(fù)式液氫泵因在系統(tǒng)中的位置不同,有外置式和潛液式之分。
相較于加壓擠出和離心式液氫泵,往復(fù)式液氫泵有以下特點(diǎn)[6-7]:
(1)用于液氫的輸送和加注,啟停非常迅速;
(2)尺寸較小,結(jié)構(gòu)較簡單,可以解決航天液氫渦輪泵不能按比例縮小應(yīng)用于小型發(fā)動(dòng)機(jī)的難題;
(3)超低溫儲(chǔ)存加壓擠出存在安全性問題,往復(fù)式液氫泵可以靈活應(yīng)對(duì)壓力和流量的變化,可用于多種領(lǐng)域;
(4)離心式液氫泵適用于低壓大流量場合,如Cryostar公司泵壓力0.3 MPa、流量233 kg/min;往復(fù)式液氫泵更適用于高壓小流量場合,如Linde公司泵壓力87.5 MPa、流量1.67 kg/min、ETI公司泵壓力42 MPa、流量4 kg/min等,尤其是在氫燃料汽車領(lǐng)域,往復(fù)式液氫泵應(yīng)用于高壓和少量燃料的直噴式氫氣動(dòng)力系統(tǒng)上,可以提高燃料利用率。
液氫作為一種超低溫液體燃料,常壓下其沸點(diǎn)為20 K,再加上液氫本身黏度極低,只有水的1/70,往復(fù)式液氫泵的設(shè)計(jì)和制造面臨泵材料選取、潤滑與密封、液氫汽化等多方面問題。此外,氫環(huán)境下氫原子進(jìn)入材料并聚集,使得材料強(qiáng)度顯著降低,導(dǎo)致材料氫脆破壞失效。
往復(fù)式液氫泵由動(dòng)力端和液力端兩部分組成,根據(jù)動(dòng)力端驅(qū)動(dòng)方式的不同,有電機(jī)驅(qū)動(dòng)往復(fù)式液氫泵和液壓驅(qū)動(dòng)往復(fù)式液氫泵2種形式。
電機(jī)驅(qū)動(dòng)往復(fù)式液氫泵如圖1所示[8]。
圖1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)往復(fù)式液氫泵[8]Fig.1 Motor driven reciprocating liquid hydrogen pump
動(dòng)力端由電機(jī)、曲軸、連桿、十字頭等部件組成,通過電機(jī)帶動(dòng)曲軸傳遞到十字頭往復(fù)運(yùn)動(dòng),最終帶動(dòng)液力端活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng);液力端由活塞、吸入閥、排出閥等部件組成,通過活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng),與液力端的吸入閥和排出閥配合,完成液氫的輸送[8]。
FURUHAMA等[9-10]在研究車載往復(fù)式液氫泵時(shí),發(fā)現(xiàn)常見的往復(fù)式液氫泵驅(qū)動(dòng)力是從電機(jī)通過曲軸、連桿和活塞桿傳到泵的活塞,在輸出沖程中,壓力作用在活塞桿上,需要活塞桿有足夠大橫截面積以避免產(chǎn)生變形或屈曲,但這會(huì)導(dǎo)致外界環(huán)境中較大熱量沿著活塞桿流入液氫泵系統(tǒng)中,造成低溫漏熱現(xiàn)象。
圖2示出了往復(fù)式液氫泵液力端原理。傳統(tǒng)的往復(fù)式液氫泵液力端結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示,其中壓縮力作用在驅(qū)動(dòng)桿上,驅(qū)動(dòng)桿容易彎曲變形;圖2(b)示出了改進(jìn)型往復(fù)式液氫泵液力端設(shè)計(jì),缸體是往復(fù)運(yùn)動(dòng)的,因此作用在桿上的力從而變成了拉伸力。改進(jìn)型往復(fù)式液氫泵如圖3所示,該類型泵有如下優(yōu)點(diǎn):(1)桿不會(huì)發(fā)生彎曲,就可以選取更小的橫截面積和長度更長的桿,從而減少了外界輸入泵體的熱流;(2)吸入閥安裝在往復(fù)運(yùn)動(dòng)缸體上,借助缸體往復(fù)運(yùn)動(dòng)的慣性力可以更加容易地打開和關(guān)閉閥門。改進(jìn)型往復(fù)式液氫泵目前僅在FURUHAMA等[9-10]研制的車載燃料供應(yīng)系統(tǒng)上有所應(yīng)用,尚未見其他領(lǐng)域得到應(yīng)用,原因可能是該結(jié)構(gòu)僅適用于車載小尺寸應(yīng)用。
圖2 往復(fù)式液氫泵液力端原理示意[10]Fig.2 Schematic diagram of hydraulicend of reciprocation liquid hydrogen pump
圖3 改進(jìn)型往復(fù)式液氫泵[10]Fig.3 Improved reciprocating liquid hydrogen pump
PESCHKA[11]研究了小型車載式液壓驅(qū)動(dòng)往復(fù)式液氫泵,發(fā)現(xiàn)該類型泵同樣也適用于加氫站中將液氫從液氫罐中輸送到汽化器。通常液壓驅(qū)動(dòng)往復(fù)式液氫泵結(jié)構(gòu)如圖4所示,其液力端工作原理與電機(jī)驅(qū)動(dòng)往復(fù)式液氫泵相同,通過活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)和吸入閥、排出閥啟閉配合,完成液氫的輸送;動(dòng)力端內(nèi)常溫活塞通過支桿與冷端活塞相連,在高壓流體驅(qū)動(dòng)常溫活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)下,帶動(dòng)冷端活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)完成液氫輸送。
圖4 液壓驅(qū)動(dòng)往復(fù)式液氫泵Fig.4 Hydraulically driven reciprocating liquid hydrogen pump
往復(fù)式液氫泵的整體設(shè)計(jì)和選型中,需要著重考慮以下關(guān)鍵問題[8,12-14]。
(1)低溫漏熱。液氫溫度只有20 K,極易與外界環(huán)境產(chǎn)生熱交換,需要采用合理的方式減少外界熱量的輸入。
(2)泵體材料。液氫超低溫環(huán)境下,所選的材料需要在超低溫環(huán)境下依然保持良好的機(jī)械性能。同時(shí),泵體需要選用合理的材料以避免氫脆現(xiàn)象帶來的影響。業(yè)已證明氫環(huán)境下銅及銅合金、鋁合金以及一些奧氏體不銹鋼等都可以正常工作。
(3)密封。液氫本身黏度極低,因而往復(fù)式液氫泵運(yùn)行過程中缸體與活塞之間以及閥門處可能會(huì)存在大量的泄漏,設(shè)計(jì)時(shí)必須采用合理的密封方式。
除上述需注意關(guān)鍵點(diǎn)外,往復(fù)式液氫泵運(yùn)行時(shí)也容易產(chǎn)生近飽和狀態(tài)液氫汽化,造成汽蝕問題,需采取手段將其控制在工程允許范圍內(nèi)。此外,由于溫度過低,沒有合適的潤滑劑,摩擦面必須在沒有潤滑劑和低摩擦的情況下工作,因而對(duì)往復(fù)式液氫泵運(yùn)動(dòng)部件結(jié)構(gòu)和性能要求更高。
為盡可能地減少往復(fù)式液氫泵在超低溫環(huán)境下與外界環(huán)境的熱量交換,除了對(duì)液氫泵結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行合理設(shè)計(jì)外,最常見就是潛液式設(shè)計(jì)。
2.1.1 潛液式設(shè)計(jì)
往復(fù)式液氫泵的潛液式設(shè)計(jì)是指將整個(gè)液氫泵置于液氫罐(杜瓦)中,可以減少系統(tǒng)漏熱[14-15]。電機(jī)驅(qū)動(dòng)往復(fù)式液氫泵將低溫電機(jī)與泵集成置于液氫罐(杜瓦)內(nèi),但電機(jī)放置在液氫罐中會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)過于復(fù)雜,因而推薦使用液壓驅(qū)動(dòng)往復(fù)式液氫泵。如圖5所示,置于液氫罐中的往復(fù)式液氫泵,通過動(dòng)力端管路與外界高壓流體動(dòng)力源相連接提供往復(fù)動(dòng)力。同外置式往復(fù)式液氫泵相比,潛液式設(shè)計(jì)有以下特點(diǎn)[15]:
圖5 液壓驅(qū)動(dòng)潛液式往復(fù)式液氫泵Fig.5 Hydraulically driven submersible reciprocating liquid hydrogen pump
(1)無需預(yù)冷,系統(tǒng)啟動(dòng)速度快;
(2)隔絕了氧氣,保證了整個(gè)系統(tǒng)的安全;
(3)減少了與外界環(huán)境的接觸,大大減少了低溫漏熱;
(4)緩解了泵汽蝕問題。潛液式往復(fù)式液氫泵需要注意合理設(shè)計(jì),方便杜瓦內(nèi)有液氫情況下泵的安裝與拆卸。
2.1.2 其他減少漏熱設(shè)計(jì)
潛液式往復(fù)式液氫泵雖然可以大大減小漏熱現(xiàn)象,但其動(dòng)力端局部端面和管路仍與外界環(huán)境接觸,無法避免。為減少熱傳遞的影響,基于設(shè)計(jì)方案的特點(diǎn)和泵運(yùn)行原理,需進(jìn)行合理設(shè)計(jì),盡可能減小外漏部分面積。此外,為減少熱流,也可對(duì)泵的規(guī)格進(jìn)行修改,將泵體做得細(xì)長,以實(shí)現(xiàn)盡可能小直徑長熱通道[16]。
液氫在超低溫環(huán)境下,材料性能同常溫下相比會(huì)產(chǎn)生較大變化,低溫情況下,工程材料的極限強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、疲勞極限都將增大,金屬材料硬度增大,材料的彈性模量將增大。因此,液氫泵對(duì)泵體材料性能要求較高,通過對(duì)液氫環(huán)境下材料性能進(jìn)行研究,可為往復(fù)式液氫泵泵體材料的選取提供參考。
液氫泵泵體材料選擇需要具備以下特征:
(1)在液氫20 K超低溫環(huán)境下,要求材料能保持有較高的機(jī)械強(qiáng)度,并且有足夠的塑性和韌性,避免溫度變化時(shí)材料結(jié)構(gòu)發(fā)生惡化影響泵的使用;
(2)考慮到氫脆現(xiàn)象,應(yīng)選取抗氫脆材料;
(3)材料容易獲取且具有良好的工藝性能,在滿足經(jīng)濟(jì)性要求的同時(shí)保證設(shè)備使用的可靠性。
常用的低溫金屬材料有:
(1)304,316,321等鉻鎳奧氏體不銹鋼,適用于20 K環(huán)境下的液氫容器;18-8型鉻鎳奧氏體不銹鋼已不同程度地在-150~-269 ℃的深冷技術(shù)中得到應(yīng)用;
(2)銅合金在20 K液氫環(huán)境下具有良好的低溫性能,拉伸強(qiáng)度達(dá)300 MPa、屈服強(qiáng)度達(dá)225 MPa;
(3)鋁合金材料在20 K液氫環(huán)境下,沒有低溫脆性,抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度等在試驗(yàn)條件下都有較大提高。
液氫泵泵體材料通常推薦使用321等奧氏體不銹鋼材料,但由于液氫材料低溫性能的復(fù)雜性,必須重視實(shí)際使用環(huán)境下材料性能測(cè)試。此外,由于氫原子易擴(kuò)散到材料內(nèi)部,導(dǎo)致材料性能下降,因此必須重視材料的抗氫脆性研究,即材料的液氫相容性研究。
由于液氫極低黏度帶來的限制,為使得往復(fù)式液氫泵性能達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo),就必須處理好密封問題[14]。液氫密封材料必須在20 K超低溫環(huán)境下與液氫具有相容性,同時(shí)具有良好的回彈性能和韌性[22]。往復(fù)式液氫泵密封研究,重點(diǎn)需要關(guān)注閥門和活塞位置處的密封材料選取及密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
2.3.1 閥門的密封
深冷環(huán)境下,可用于往復(fù)式液氫泵閥門的常用密封材料及類型如下。
(1)軟金屬材料:銦作為常見的深冷流體密封材料,通常被制成O型密封環(huán)。如圖6所示,銦密封件必須采用榫槽結(jié)構(gòu),且銦環(huán)體積要比密封槽體積大17%以上[23-24]。采用銦絲密封時(shí),合理控制銦絲用量的同時(shí)也要注意保留合適的間隙[25]。同樣,也可以利用軟金屬銦深冷條件下的柔韌性,和鋁結(jié)合制成墊片或O型環(huán),用作靜密封使用[22]。
圖6 銦密封[23]Fig.6 Indium seal
(2)金屬材料:鋁和不銹鋼都能在20 K超低溫環(huán)境下工作,耐腐蝕性能都較好,常被用于平墊片等密封件。但金屬材料的密封性和壓縮性一般較差,常與塑料類軟材料制成復(fù)合密封材料[26]。金屬材料也常用于C型環(huán)或O型環(huán)密封件的制作和使用,原因是:低膨脹合金等金屬材料在超低溫環(huán)境下可作為復(fù)合密封材料構(gòu)件的骨架材料;高溫合金和不銹鋼(1Cr18Ni9Ti)在超低溫環(huán)境下仍然有一定的彈性[22]。
(3)非金屬材料:適用于液氫環(huán)境的非金屬密封材料主要以塑料材料為主,常見的有聚氨酯、氟塑料以及聚酰亞胺等[26]。如聚四氟乙烯(PTFE),在20 K至室溫環(huán)境下仍具有良好性能,低溫下具有自潤滑性能,適合制成密封材料[27]。
2.3.2 活塞的密封
往復(fù)式液氫泵的活塞和缸體之間極易產(chǎn)生泄漏,如果采用接觸式密封,雖然可以解決泄漏問題,但會(huì)影響到活塞的速度以及泵的使用壽命,因此推薦間隙密封方式。間隙密封的難點(diǎn)在于密封材料的選擇[14,28-29]。
聚四氟乙烯及其復(fù)合材料具有自潤滑性能,但深冷環(huán)境下因金屬與非金屬材料間熱膨脹的差異,會(huì)產(chǎn)生超預(yù)期的間隙。聚酰亞胺作為具有耐高溫低溫性能的高分子材料,深冷環(huán)境下拉伸后收縮性減小,同時(shí)因其優(yōu)異的自潤滑性能被廣泛應(yīng)用于潤滑密封材料[30]。戰(zhàn)穎[14]選擇Vespel SP-1型純聚酰亞胺作為液氫泵活塞與缸體間的密封材料?;钊芊庠O(shè)計(jì)過程中,需通過試驗(yàn)得到聚酰亞胺熱膨脹性能數(shù)據(jù)后,才能再進(jìn)行活塞上密封環(huán)尺寸設(shè)計(jì)。
液力端液氫的泄漏主要發(fā)生在活塞壓縮過程中液氫壓力升高過程中,活塞和缸體之間的間隙越大,摩擦力越小,但泄漏量越大。為了減少泄漏,最好是活塞的外表面只在壓力升高時(shí)才向缸體壁面膨脹??赏ㄟ^活塞形狀的設(shè)計(jì)提升液力端的密封性能,如圖7所示。
圖7 不同類型活塞[16]Fig.7 Different types of piston
圖7(a)所示為傳統(tǒng)活塞,圖 7(b)和 7(c)所示均為杯形活塞。當(dāng)缸體內(nèi)的壓力作用于杯形活塞的杯狀壁時(shí),杯狀壁會(huì)向外擴(kuò)展,導(dǎo)致活塞與缸體間的間隙會(huì)變小。其中,圖7(b)示出的杯形活塞杯狀壁厚大于圖7(c)示出的杯狀壁厚,因此圖7(c)示出的活塞杯狀壁向缸體壁面的擴(kuò)展比圖7(b)示出的要大得多,活塞與缸體之間間隙將會(huì)更小[16]。
往復(fù)式液氫泵活塞和缸體軸線對(duì)齊是相當(dāng)困難的。當(dāng)活塞和缸體接觸產(chǎn)生摩擦?xí)r,摩擦力產(chǎn)生的熱量被釋放出來,使微量液氫氣化導(dǎo)致泵送不穩(wěn)定甚至停泵。此時(shí)為了減少摩擦產(chǎn)生的熱量,只能將活塞和缸體之間的間隙增大。但這會(huì)導(dǎo)致間隙泄漏的增加,泵的容積效率也會(huì)隨之降低[16]。通常有以下2種解決途徑:
(1)設(shè)計(jì)往復(fù)式液氫泵自動(dòng)對(duì)中結(jié)構(gòu)裝置,保證活塞與缸體的同軸度[8,16];
(2)為保證間隙密封,必須要求零部件的高精密加工,保證活塞、缸體和活塞桿的圓柱度、垂直度等形位公差和零部件間的同軸度(對(duì)中性)。此外,精密的裝配也是實(shí)現(xiàn)往復(fù)式液氫泵液力端成功間隙密封的保證[14,31-32]。
航天領(lǐng)域,2014年美國XCOR航空航天公司首次完成了往復(fù)式液氫泵輸送燃料進(jìn)入火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)。由于往復(fù)式液氫泵啟停迅速等優(yōu)點(diǎn),開啟了航天軌道飛行新階段[33-34]。
工業(yè)和民用領(lǐng)域,往復(fù)式液氫泵通常用于液氫的輸送和轉(zhuǎn)移,目前德國Linde公司、美國ACD公司、法國Cryostar公司、英國ETI公司、瑞士Cryomec公司等都有往復(fù)式液氫泵相關(guān)產(chǎn)品。2009年中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所李青等[15]在863計(jì)劃項(xiàng)目的支持下,設(shè)計(jì)出流量6 L/min、壓差0.7 MPa的電機(jī)驅(qū)動(dòng)往復(fù)式液氫泵樣機(jī)。國內(nèi)尚未見潛液往復(fù)式液氫泵產(chǎn)品。
在氫燃料汽車領(lǐng)域,往復(fù)式液氫泵有以下2個(gè)方向的應(yīng)用。
20世紀(jì)80年代開始,日本武藏工業(yè)大學(xué)與尼桑公司合作研制氫燃料汽車,該系列氫燃料汽車已成為氫燃料汽車領(lǐng)域的標(biāo)志性成果[35]。如圖8所示,武藏系列氫燃料汽車就是利用往復(fù)式液氫泵將液氫從液氫罐中抽出并輸送至熱交換器中汽化,最終在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中將氫燃料化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。
圖8 氫燃料供應(yīng)系統(tǒng)[12]Fig.8 Schematic diagram of hydrogen fuel supply system
目前,通用公司、寶馬公司、福特公司等都已成功研制出車載液氫儲(chǔ)罐供氫的概念汽車,但中國尚未實(shí)現(xiàn)液氫儲(chǔ)罐汽車上的應(yīng)用[36]。
從技術(shù)成熟度角度看,當(dāng)前氫燃料汽車多以高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫為主[37],因此需要通過加氫站加注氫氣。加氫站根據(jù)氫相態(tài)不同,分為氣氫和液氫加氫站兩種,其中液氫加氫站以氣氫模塊為輔、液氫模塊為主[38]。如圖9所示,液氫加氫站液氫模塊中動(dòng)力源站為液氫泵提供動(dòng)力,通過液氫泵將地下液氫罐中的液氫注入汽化器中,經(jīng)高壓汽化器汽化變?yōu)楦邏簹鈿洌瑑?chǔ)存在緩沖氣瓶中,最終通過加氣機(jī)為氫燃料汽車加注高壓氫氣。
圖9 液氫加氫站示意Fig.9 Schematic diagram of liquid hydrogen refueling station
圖9為英國ETI公司的潛液式往復(fù)式液氫泵示意,該液氫泵工作時(shí)液氫流量為4 kg/min、壓力為42 MPa,液氫泵置于液氫罐中始終保持低溫,減少了系統(tǒng)的維護(hù)和損失,提高整個(gè)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性能。GULILLAUME等[39-40]對(duì)德國Linde公司生產(chǎn)的往復(fù)式液氫泵進(jìn)行試驗(yàn)研究,該液氫泵通過兩級(jí)活塞運(yùn)動(dòng)輸送液氫,工作時(shí)液氫流量為1.67 kg/min、壓力為87.5 MPa,可在5 min內(nèi)為氫燃料汽車的高壓氫氣儲(chǔ)罐進(jìn)行快速燃料補(bǔ)給,同時(shí)液氫泵可連續(xù)加注,適用于加氫站的使用。
往復(fù)式液氫泵的設(shè)計(jì)和研發(fā)過程中,需要著重考慮超低溫液氫環(huán)境下材料性能的變化,選擇合適的泵體和密封材料,防止發(fā)出現(xiàn)液氫泄漏和材料氫脆等問題。同時(shí),考慮到減少漏熱、良好密封及泵緊湊性等要求,也要對(duì)往復(fù)式液氫泵進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),并對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析。
《液氫生產(chǎn)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》《液氫貯存和運(yùn)輸安全技術(shù)要求》《氫能汽車用燃料液氫》3項(xiàng)國家標(biāo)準(zhǔn)研討會(huì)已于2019年10月召開,標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施必將進(jìn)一步推動(dòng)我國液氫行業(yè)的發(fā)展。往復(fù)式液氫泵作為液氫領(lǐng)域重要的儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備之一,目前國內(nèi)尚處于研發(fā)階段,但因其高效、緊湊、低成本、安全以及可用于商業(yè)化的特點(diǎn),未來將會(huì)在電子、冶金、石油煉化、氫燃料汽車等領(lǐng)域有著更廣泛的應(yīng)用,為我國氫能源行業(yè)的大規(guī)模、高效率和低成本儲(chǔ)運(yùn)提供重要保障。