国内加氢站主要采用膜式压缩机,规模化效应提供成本下降空间

宁洋

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  • 2019-08-16
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截至2018年底,全球已投入运营的加氢站有369座,美国、日本和中国数量最多,分别为152座、42座、96座和23座。国内加氢站正处于产业导入期,分布呈现明显的产业聚集效应,日前受政策影响建设步伐增速。压缩机是加氢站的三大核心部件之一,本文介绍了现有的8类氢气压缩机,并从规模化效应方面阐述了压缩机成本的未来趋势。

摘要:截至2018年底,全球已投入运营的加氢站有369座,美国、日本和中国数量最多,分别为152座、42座、96座和23座。国内加氢站正处于产业导入期,分布呈现明显的产业聚集效应,日前受政策影响建设步伐增速。压缩机是加氢站的三大核心部件之一,本文介绍了现有的8类氢气压缩机,并从规模化效应方面阐述了压缩机成本的未来趋势。

根据工作原理及内部结构的不同,压缩机可分为机械式压缩机和非机械式压缩机两大类,而机械式压缩机又分为活塞式压缩机、膜式压缩机、线性压缩机和离子液体压缩机四类,非机械式压缩机分为低温液体泵、金属氢化物压缩机、电化学氢气压缩机和吸附型压缩机四类。

  

图1 压缩机分类

  (资料来源:金智创新行业研究中心)

活塞和隔膜压缩机应用较广,但无法满足大排量使用

由于氢气具有密度低、能量密度小的特点,氢气压缩机必须要具备承压大、流量大、安全和密封性好的特质,在防止氢脆现象的同时,尽可能的追求较少的能源损耗,目前国内加氢站较多采用的是活塞式和隔膜式压缩机。

(1)活塞式压缩机是由联轴器带动主机做往复的活塞运动,推动气缸中气体来进行压缩的。其优点是技术成熟、经验丰富、压力范围大,同时系统结构简单,工作过程中气体和润滑油不接触,保证了氢气中混入“碳”,避免下游应用中膜电极与“碳”反应出现故障。但其受自身结构限制,仅适用于中小排量和高压的工况。目前,国际上活塞式压缩机的输出压力可达到100MPa,流量为300Nm3/h。其中,HydroPac公司研制的压缩机输出压力为85.9Mpa,流量为430kg/h,技术较为成熟。

  

图2 活塞式压缩机工作示意图

  (资料来源:光大证券)

(2)隔膜式压缩机也是由电动机驱动曲轴转动,由连杆推动活塞做往复运动,其与活塞式压缩机的不同点主要是活塞和气体之间加入了液油和隔膜,增加了密封性好,进一步降低了“碳”与气的接触,洁净度极高。而其缺点与活塞式类似,也仅用于中小排量和高压的工况。较先进的压缩机排气压力可达100MPa,流量为200~700Nm3/h,效率可达80%~85%。其中美国的三层金属隔膜结构压缩机输出压力超过85Mpa。国内的该类压缩机压力仅有45Mpa,且流量较小,实际的示范应用中故障率较高,同时87.5MPa压力等级压缩机还处于试样阶段,关键部件依赖进口。

 

图3 隔膜式压缩机工作示意图

  (资料来源:光大证券)

线性、离子压缩机成本低,低温液态泵排量高

(1)线性压缩机直接将电磁力转化为活塞往复运动的驱动力,能量使用效率较高,且结构简单省去了大量的支撑部件,经济性潜力较大。美国为实现其DOE指定的提效、降本目标,已开始研制86~95MPa、气体排量高于112Nm3/h、效率超过73%的线性压缩机。该类压缩机尚未有应用实例,但其是未来压缩机成本降低的一个方向。

 图4 线性压缩机工作示意图

  (资料来源:光大证券)

(2)离子液体压缩机采用低熔点盐代替活塞,使用寿命长、比活塞式可节省20%能耗。目前林德集团研制的该类压缩机从最初的500个零件降低为8个,成本已大幅降低,应用到加氢站的离子液体压缩机排气压力为45~90Mpa、流量为90~340Nm3/h,效率65%以上,最高的排气压力可达100MPa,排量为376~753Nm3/h。

(3)低温液态泵采用低温高压储氢技术,氢气的体积能量密度大幅增加,但该技术应用对氢气的储运要求较高,相应的成本也较高。其排气压力可达到85MPa,排量达100kg/h,氢气储存密度达80g/L。Linde公司采用的低温液态泵排气压力为35~90MPa,排量超过1000Nm3/h。

  

图5 低温液体泵工作示意图

  (资料来源:光大证券)

其他压缩机尚在研发,向低成本、大排量方向发展

其他类型的压缩机目前尚在研发,但技术还不成熟,已运营的加氢站中也未得到应用。其发展方向超着氢气压缩机亟待解决的热点——低本、高压和大排方向发展,对未来加氢站降低成本有着重要的研究意义。

压缩机占建设成本30%,规模化效应提供成本下降空间

截至2019年6月份,国内已运行加氢站共30座,在建加氢站共40余座,加氢站的建设如火如荼。加氢站建设成本主要包括压缩机、储存器、氢气加注机、设备设置费用、预冷机、土建费及其他,其中压缩机目前占建设总成本的30%,是加氢站建设降低成本的关键。

  

 图6 加氢站建设成本比例

  (资料来源:DOE、金智创新行业研究中心)

据研究,扩大压缩机的生产规模,将使每套压缩机分摊的资本成本、设备和建筑成本大大降低,如生产规模由10套/年增加到100套/年时,其曲轴、承轴等核心部件成本降低约82%,直接生产成本降低约56%,因此,随着加氢站的加速建设,上游压缩机配套部件的增产,整个压缩系统的成本在未来将有很大的降低空间。

  图7 压缩系统的直接生产成本及装配成本与生产规模关系

  (资料来源:《Manufacturing competitiveness analysis for hydrogen refueling stations》)

小结

国内加氢站正处于产业导入期,日前受政策影响建设步伐增速。根据工作原理及内部结构的不同,压缩机可分为活塞式等8类,其中,活塞和隔膜压缩机应用较广,但无法满足大排量使用;线性、离子压缩机成本低,低温液态泵排量高;其他压缩机尚在研发,向低成本、大排量方向发展。压缩机占加氢站建设成本30%,规模化效应为压缩机的生产成本提供下降空间。


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