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强健国产氢气隔膜压缩机“软肋”

   日益增长的燃料电池汽车市场需要一个强大的加氢站网络,但目前国内加氢站建设进程依然缓慢,其中一个重要原因在于加氢站设备主要依赖进口,导致成本高昂。
  加氢站的主要设备包括储氢装置、压缩设备、加注设备、站控系统等,其中氢气压缩机占总成本约30%-40%。所以压缩机的国产化对降低加氢站建设成本作用非常大,如果其价格降低30%-50%,相当于整个加氢站成本降低15%-20%。
  氢气压缩机主要有液压活塞式氢气压缩机、离子压缩机、隔膜式氢气压缩机等类型,每种类型有各自的优缺点。
  离子压缩机“Ionic Compressor”是由林德公司技术人员与全球第三大汽车生产商戴姆勒克莱斯勒公司合作,历经4年开发的一种使用离子液体作为液体活塞的气体压缩技术。从本质上来说,其可以视为活塞压缩机的一种。离子液体本身几乎不可压缩,并且几乎没有蒸汽压,替代金属活塞可以在等温条件下产生高压,并且能长期服役而无需维护,从而节省能耗。此外,离子压缩机构造简单,相比于普通压缩机,其所需零部件由500减少为8个。目前,奥地利Wien Energie公司和德国BMW公司已将林德公司的新技术分别用于天然气加气站和氢能供应站。不过,由于其技术难度较大,暂无更大规模的推广和应用。
  隔膜式压缩机是一种特殊结构的容积式压缩机,它用膜片将压缩介质与油液分开。隔膜式压缩机因其特殊的结构,压缩介质不与任何润滑剂接触,气缸不需要润滑,密封性能非常好,因此可以压缩纯度极高的气体,适用于压缩、输送稀有气体。另外,对于腐蚀性强,有放射性、有毒、易爆的气体,也特别适宜采用较高隔膜压缩机。隔膜压缩机气缸散热良好,可采用较高的压缩比,因而它的压力范围较广,可以达到300MPa。氢气分子直径小、易泄露、易燃易爆,使用时又需要其纯度高,基于隔膜式压缩机的特点,它特别适用于压缩高纯氢气。国内隔膜式压缩机常见的结构型式有对称平衡式和对置式、角度式、立式等。
  相较而言,隔膜压缩机具有散热性能好、密封性能优、不污染压缩介质、适合压缩纯度极高、危险性大气体等特点,在国内加氢站中的应用更为广泛。
  目前,国内大部分加氢站采用PDC隔膜压缩机。PDC成立于1977年,是一家由家族成员进行经营管理的私人企业。时至今日,PDC公司的经营管理已传承至第二代家族成员。四十多年来,公司一直专注于研发生产工业隔膜式气体压缩机。
  PDC早在20多年前开始涉足氢气隔膜压缩机,彼时氢能还未真正发展起来,其做了很多的示范项目、科研项目,积累了较为丰富的经验。截至目前,受限于行业发展进程缓慢(目前全球建成运行的加氢站才300多座),PDC共累计销售400多台氢气隔膜压缩机,这个数字相对于漫长的时间来说不算多,但相对于同行而言已经是非常大的规模。PDC占据着全球氢气隔膜压缩机约70%-75%市场份额。
  众所周知,当前国内加氢站建设处于发展初级阶段,加氢站设计、系统优化、运营管理等一系列环节都有待完善。在此背景下,加氢站建设一定要注重安全问题,因为一旦发生安全事故会对整个产业的伤害很大。所以加氢站建设方往往倾向应用成熟且得到验证的产品,以充分保障安全。而目前氢气隔膜压缩机成熟且经过充分验证的厂家少,所以PDC的优势大。
  目前PDC在国内有两种销售模式,一是从美国工厂发货整套设备,二是提供核心压缩模块给国内授权成橇商,由他们来进行系统集成。后者方式可以节省约30%成本,所以国内企业更倾向于后者,但即便如此,整个设备成本依然偏高。
  为了推动加氢站的快速建设及氢能产业链的健全发展,氢气隔膜压缩机国产化迫在眉睫。然而,国产氢气隔膜压缩机仍然面临着几大难题:
  1、国内现有压缩机制造商多数仅能生产用于石油、化工领域的工业氢气压缩机,输出压力均在30MPa以下,无法满足加氢站技术要求;2、少数企业开始布局氢气隔膜压缩机,但产品不够成熟,缺乏充分的验证;3、有些国内隔膜压缩机也许在技术层面上并不存在太大的问题,但核心零部件大多数需要外购,例如设备内部的各种阀门及压力传感器等;4、基于成本及规避规范等考虑,目前国内加氢站大多没有设缓冲罐,同时压缩机频繁启停影响寿命。
 
  一名隔膜压缩机企业高层表示,对于金属隔膜压缩机而言,能够24小时连续不断的工作是比较可靠的,但受制于每天前来加氢的车辆较少,加氢站运营商基于对运营成本的考量并不会让机器持续工作,而金属隔膜压缩机最忌讳频繁启停,每天的启停次数决定了隔膜压缩机的寿命,其中影响最大的是其中的金属膜片。这其实对于进口压缩机而言,也是一大难题。
  值得庆幸的是,虽然面临多重困难,国内仍然有企业在氢气隔膜压缩机领域奋起直追,也取得不错的成果,比如北京中鼎恒盛气体设备有限公司、北京天高隔膜压缩机有限公司、江苏恒久机械股份有限公司等。
  中鼎恒盛成立于2008年,公司专注于供应各种气体隔膜压缩机产品并提供技术服务、备品备件。2014年,中鼎恒盛在安徽省芜湖市成立了中鼎恒盛气体设备(芜湖)有限公司。该公司是较早一批进入氢能产业的企业之一。
 
强健国产氢气隔膜压缩机“软肋”
 
  截至目前,国内多个加氢站有应用中鼎恒盛产品,包括武汉雄众、安徽明天氢能、佛山荔村、上海金山化工园区等加氢站。其中中鼎恒盛的两台45MPa隔膜压缩机已于2018年10月份开始在武汉雄众加氢站运行,设备的噪音、排气温度、振动及流量等各项指标都能够达到相应的标准,设备运行至今情况良好。
  北京天高创建于2001年4月,主要从事隔膜压缩机产品研究开发及制造,在高压领域拥有丰富的经验。公司自2005年涉足氢能领域,为国内首个国产加氢站(北京绿能公司)提供隔膜压缩机,产品连续运行时间最长;参与国家科技部环保新能源“863”计划中的汽车加氢项目,产品运用在国内近十座加氢站的项目上。
  恒久机械前身是中国人民解放军第6414工厂,主要从事隔膜式压缩机设计、研发、制造,主营业务产品为标准化与非标准化隔膜式压缩机。为抢占氢能发展机遇,恒久机械自2016年开始研发生产氢气隔膜压缩机,应用于供气系统和加氢站,已经在国内有所应用。
  2018年4月4日,由江苏恒久机械股份有限公司自主研发制造的国内首台商业化运营加氢站用氢气隔膜压缩机组正式交付客户。经测试,各项技术性能指标均满足客户需求,为目前国内加氢站最大排量的隔膜压缩机。
  国内已建加氢站大多为示范站,加氢能力低于200公斤/台天的加氢量,而中国未来商业化运营加氢站的需求为400公斤/台天至1000公斤/台天的加氢能力。该次交付客户的隔膜压缩机为400至500公斤/台天的加氢量,可满足加氢站商业化运营需求。目前,公司已形成完整开发高压压缩机产品梯队,具备与国内外同类产品竞技的能力。未来恒久机械将与高院校紧密合作,研发大排量,压力高达90MPa的高压氢气隔膜机,实现加氢站用隔膜压缩机组的国产化。
 
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