大規(guī)模地下儲氫用壓縮機現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

肖 強，張 樂，張建軍，鐘曾根，曾 勝，王玲子

（1.中國石油集團濟柴動力有限公司 成都壓縮機分公司，成都 610100；2.中國石油集團 長慶油田分公司第三采氣廠，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017300；3. 西安交通大學 能源與動力工程學院，西安 710049）

0 引言

隨著人類社會的快速發(fā)展，對能源的需求也逐漸增大，這導致了化石能源的消耗和二氧化碳排放量的進一步上升，因此人們需要尋找更加環(huán)保清潔、安全高效的新能源來代替?zhèn)鹘y(tǒng)化石能源體系［1］。氫是一種來源廣泛、污染小的二次能源載體，能夠方便且高效地轉(zhuǎn)化為電能與熱能，應用廣泛［2］。作為氫能“制”與“用”之間的橋梁，科學合理的儲運技術是高效發(fā)展氫能產(chǎn)業(yè)的重要前提條件。目前常用的氫氣儲存方式主要有4 種［3］：地上高壓氣態(tài)儲氫、低溫液態(tài)儲氫、固態(tài)儲氫以及地下儲氫。

作為能量載體，氫氣的密度較低，常溫常壓（25 ℃，0.1 MPa）下僅為0.089 kg/m3，因此通常將氫氣壓縮到較高的壓力再進行存儲［4］。為了滿足高峰時期的消費需求，氫氣的儲存需要達到GWh 至TWh 的規(guī)模［5］，如此大規(guī)模的氫氣存儲嚴重超出了地表可儲存設施的范圍。地表以下具有巨大的可利用空間，并且不影響人類的地上活動，可通過構(gòu)造/地層、殘余/毛細力、礦物和溶解圈閉或吸附捕集等氣體固定機制，實現(xiàn)G-TWh級規(guī)模氫氣的存儲，從而獲得更高的能量密度，因此地下儲氫具有儲量大、成本低、密封好等優(yōu)點［6］。常用的儲氣地質(zhì)構(gòu)造有鹽穴、含水層、枯竭的油氣田和煤層等［7］，如圖1 所示。

圖1 采用地下儲氫的能源系統(tǒng)方案Fig.1 Energy system scheme of underground hydrogen storage

利用鹽穴等地下構(gòu)造作為儲氣空間時，氫氣的存儲壓力約為20 MPa［8］，而上游電解水制氫所得的氫氣壓力通常為0.4～2.0 MPa［9］，因此大規(guī)模氫氣存儲過程中氫氣壓縮機是不可或缺的關鍵設備。通常，在地下儲氣工程中，壓縮機占據(jù)工程項目中最主要的設備成本［10］，因此氫氣壓縮機的效率影響著整個儲氫系統(tǒng)的能量利用效率，要想構(gòu)建高效環(huán)保的地下儲氫系統(tǒng)，必須研發(fā)或選取具有更高綜合性能的氫氣壓縮機。

本文首先介紹了氫氣壓縮機的主要類型，其次針對大規(guī)模地下儲氫過程中氫氣壓縮的需求，指出了往復與離心是較為適用的2 種壓縮機形式，然后從設計與配置、容量與壓比、潤滑特性、排氣溫度限制、安全與泄漏等方面，進一步對2 種壓縮機進行了對比，最后分析了這2 種大型氫氣壓縮機所面臨的問題及挑戰(zhàn)。

1 大規(guī)模地下儲氫壓縮機概述

氫氣的壓縮方式多種多樣，根據(jù)不同的場景有不同的壓縮類型，各種氫氣壓縮機的特點以及優(yōu)缺點見表1［11-12］。其中，往復、隔膜等容積式壓縮機更適用于氫氣壓縮，其工作原理是通過活塞往復運動或膜片交替變形來減少氫氣的容積，使氣態(tài)氫氣被壓縮到更小的空間中，這樣氫氣分子之間與壁面的碰撞概率就會增加，從而產(chǎn)生更高的氣體壓力［13］。容積式壓縮機中，隔膜壓縮機和往復壓縮機在氫氣壓縮領域得到了最廣泛的利用，且適用于大流量的應用場景。

表1 不同氫氣壓縮機對比Tab.1 Comparison of different hydrogen compressors

地下儲氣庫的特點之一在于其不斷變化的吸氣壓力和排氣壓力，尤其是在實現(xiàn)調(diào)峰或利用可再生能源等不穩(wěn)定的發(fā)電方式時，其容積流量具有高度不穩(wěn)定性［14］，這對氫氣壓縮機的變流量適應性提出了較高的要求。根據(jù)電解水制氫研究結(jié)論，百兆瓦時規(guī)模氫氣產(chǎn)量可以歸類為大規(guī)模儲能，在這種情況下，一個大型制氫裝置在標準條件下的輸出流量約為200 000 Nm3/h，也即大規(guī)模儲氫流量在200 000 Nm3/h 以上［8］，因此，需要大流量壓縮機實現(xiàn)大規(guī)模氫氣增壓存儲。目前國際上已有的4 座地下儲氫，其壓力范圍為4.5～20.0 MPa，儲氣量約為210 000～906 000 m3［15］。因此，從氣體壓力及流量等方面考量，往復壓縮機與離心壓縮機是目前較為可行的能實現(xiàn)大流量氣體壓縮的壓縮機，機型均較為成熟，且在過程工業(yè)中應用廣泛［16］，本文將對這2 種壓縮機應用于大規(guī)模氫氣壓縮時的特點進行比較。

2 往復壓縮機與離心壓縮機壓縮氫氣特性對比

從宏觀角度比較，往復壓縮機與離心壓縮機的不同特點見表2。本文將從設計與配置方式、容量和壓比、潤滑特性、排氣溫度限制、安全與泄漏等方面進一步對比往復壓縮機與離心壓縮機的不同特點。

表2 離心和往復壓縮機特點對比Tab.2 Comparison of characteristics of centrifugal and reciprocating compressors

2.1 設計與配置

往復壓縮機壓縮過程中單級壓比有限，因此須采用多級壓縮才能達到高壓比。十字頭的壓縮機在壓縮、密封和潤滑方面比無十字頭壓縮機有更大的優(yōu)勢，立式和角度式的機型則可以較好地節(jié)省空間，主要用于300 kW 以下的小型應用場合，而帶中間冷卻的多級雙作用多路臥式壓縮機則多用于大型應用場合。

離心壓縮機的葉輪與蝸殼間隙及擴壓器等均可根據(jù)不同的應用場景進行優(yōu)化設計［17-18］，其在壓縮氫氣時結(jié)構(gòu)上可相應性改善的有：用于高壓或小分子量氣體壓縮的直筒機殼通常采用雙層夾套結(jié)構(gòu)，能有效減小泄漏，并有利于氫氣的富集；在低入口壓力與大體積流量的場合通常使用雙流道結(jié)構(gòu)；從便于維護的角度，軸向可拆分結(jié)構(gòu)更具優(yōu)勢，可在不干擾工藝管道的情況下拆卸上半缸以進行維護，而徑向可拆分結(jié)構(gòu)則需要從壓縮機非驅(qū)動端拆卸壓縮機內(nèi)部組件，且需要足夠的維護空間。根據(jù)API 617 標準，當殼體內(nèi)氫氣分壓超過1.4 MPa 時，應使用徑向可拆分殼體。除單級整體齒輪傳動高速壓縮機外，其他類型的離心壓縮機大多采用臥式布置［8］。

2.2 流量和壓力比

流量和壓比是壓縮機選擇過程中重要的評價指標，如果體積流量和排氣壓力都滿足需要，還需對壓縮機的類型進行比較。往復壓縮機和離心壓縮機適用的流量與壓比如圖2 所示?？梢钥闯?，離心壓縮機適用于大流量的場合，而往復壓縮機適用于小流量的應用場合。

圖2 往復與離心壓縮機壓比與流量的適用范圍Fig.2 Application range of pressure ratio and flowrate of reciprocating and centrifugal compressors

往復壓縮機的最小和最大流量取決于氣缸中活塞的尺寸和運行速度，最大單級壓比主要受限于排氣溫度和活塞桿綜合載荷，給定壓力下桿載荷隨著進口壓力增加而增加。通常，單級壓比在4.5～5.0 之間；進口壓力高于7 MPa 時，單級壓比在2.0～2.5 之間［19］。

離心壓縮機的最小和最大流量則取決于阻塞和喘振現(xiàn)象的限制，氣體壓力的上升主要依賴于葉輪對其的加速以及在擴散器中的減速過程。單個壓縮腔中所得的壓差取決于葉輪的速度和氣體的密度，而氫氣的密度很小，因此壓縮氫氣時單段壓比在1.05～1.20 之間［20］，若想實現(xiàn)較高的排出壓力，離心壓縮機的葉輪轉(zhuǎn)速必須提高，或者增加額外的壓縮機級，由于最大允許軸長可能無法提供足夠空間來容納所需數(shù)量的級，因此需要提高葉輪的運行速度，并且需配備中間冷卻器，這些都會使得離心壓縮機變得昂貴和復雜。因此，相對而言，往復壓縮機具有更加靈活的流量調(diào)節(jié)機制和更高的單級壓力比。

2.3 潤滑限制

無論是往復還是離心氫氣壓縮機，如何實現(xiàn)合理的潤滑都是一項有難度的挑戰(zhàn)，其原因在于大部分礦物潤滑油的本質(zhì)是碳氫化合物，與氫氣接觸易發(fā)生化學反應，降低氫氣的純凈度和壓縮效率。

目前，通常采用無油往復壓縮機［8，11］和離心壓縮機作為氫氣壓縮設備。對于無油往復壓縮機，活塞環(huán)承受的載荷不均勻，自潤滑材料不耐磨，使得活塞環(huán)需頻繁更換［21］，且其最高排氣壓力僅能達到20 MPa，要想實現(xiàn)更高壓力的壓縮仍然存在挑戰(zhàn)。WANG 等［22］在2010 年開展了對高壓無油往復氫氣壓縮機密封性能和氣閥可靠性的研究。通過模擬和測量壓縮過程中活塞環(huán)壓力分布，指出提高第一活塞環(huán)切割尺寸有利于提高壓縮機的可靠性。

離心壓縮機通常本身為無油壓縮機，對于低壓比小流量的離心氫氣壓縮機，壓縮過程中可采用箔片軸承以改善其在高速運行下的工作效率。HESHMAT 等［23］在2013 年通過準三維無黏內(nèi)部流動分析和計算流體動力學分析，提出了1 種完全無油且高速高效的離心氫氣壓縮機的概念設計，其采用第四代動壓箔片軸承和密封，驅(qū)動器可達到12 MW，運行速度達到56 000 r/min，葉尖速度為600 m/s，流量為20 833 kg/h。其中，采用氫氣作為箔片軸承的潤滑劑，不但達到了完全無油的工作環(huán)境，消除了輔助供應和清除系統(tǒng)，還顯著降低了功率損耗。適用于大規(guī)模氫氣壓縮的高壓比、大流量的離心壓縮機通常采用有油潤滑的滑動軸承。

2.4 排氣溫度限制

對于往復壓縮機，過高的排氣溫度會損害密封、潤滑和氣閥組件。根據(jù)API 618 的要求，在富氫環(huán)境中壓縮機最高排氣溫度不應超過135 ℃，目前一般會將往復氫氣壓縮機的排氣溫度控制在120 ℃以下［24］。

離心壓縮機的最高排氣溫度取決于其結(jié)構(gòu)設計，其最高排氣溫度一般保持在200～230 ℃［25］，如果提高最高排氣溫度，需要對壓縮機的中心支撐隔膜、密封設計和O 形環(huán)進行針對性的優(yōu)化。

2.5 安全與泄漏

由于氫分子獨特的物理化學性質(zhì)，相比于空氣和天然氣，氫氣在壓縮過程中更容易產(chǎn)生泄漏現(xiàn)象。如果壓縮機的工作環(huán)境是不易通風的室內(nèi)，泄漏的氫氣會迅速上升并聚集在天花板處，可能會造成爆炸、窒息和低溫灼傷。

在往復壓縮機中，需要填料堵塞住氣體通過氣缸端蓋與曲柄后并穿過連桿的泄漏。填料可以由幾個環(huán)組成，其中通常包括一個空套環(huán)，該環(huán)提供了一個空間，可以將氣體或液體注入該空間以輔助密封。除了密封作用外，該距離也是一個可分離的外殼，其連通氣缸和機體框架，有助于收集和控制填料泄漏。在這種情況下，泄漏可以指向明火或其他泄漏處置點。

離心壓縮機大多采用干氣密封，以防止軸泄漏。針對氫氣壓縮機的密封問題，目前國內(nèi)外已開展了多項關于O 形圈，以及間隙密封形式的研究［8，26］。對于所有氫氣壓縮機，建議使用防漏組件。對于那些安裝在密閉空間的，需要傳感器來測量環(huán)境中的氫濃度。

綜合以上的分析，可知在進行氫氣壓縮時，離心與往復壓縮機各有利弊?？傮w來講，由于往復壓縮機固有的容積式壓縮的特點，使得氣體分子量對壓縮效率的影響較小，從而相比離心壓縮機，往復壓縮機可以通過更少的壓縮級數(shù)來實現(xiàn)整體更高的壓比。如同樣實現(xiàn)4 倍壓比時，離心壓縮機通常需要6 級，而往復壓縮機只需要2 級即可實現(xiàn)。

WITKOWSKI 等［27］在2017 年針對質(zhì)量流量為720～10 080 kg/h 的氫氣壓縮過程，給出了幾種不同往復壓縮機和離心壓縮機的壓縮方案，分別為：在720～1 800 kg/h 較低流量時，采用3 級往復壓縮機；在3 600～7 200 kg/h 中等流量下，可使用2 段多級離心壓縮機串聯(lián)2 級往復壓縮機的壓縮方案。同時，在10 080 kg/h 的高流量下，WITKOWSKI 提出了一種8 級整體齒輪式離心壓縮機，其葉尖速度接近600 m/s。

3 大型氫氣壓縮機所面臨的問題及挑戰(zhàn)

壓縮機的氣缸通常由金屬材料制成，有鑄鐵、球墨鑄鐵、鑄鋼和鍛鋼等［28］，而氫氣會對金屬材料造成腐蝕，因此壓縮氫氣過程中機體發(fā)生的脆性現(xiàn)象是氫氣壓縮機中的共性問題［29］。一方面，研發(fā)并選用具有良好力學性能，同時能抗氫腐蝕的材料十分關鍵；另一方面，可在氣缸內(nèi)壁面覆蓋可拆卸的內(nèi)襯并施加涂層，可拆卸的內(nèi)襯在降低后續(xù)維護成本的同時，也有利于根據(jù)應用場景調(diào)節(jié)氣缸內(nèi)徑，能大大拓寬其應用范圍［30］。

氫氣的長距離管道運輸所需要的輸送壓力與天然氣類似，但由于氫氣密度和分子量遠小于天然氣，使得壓縮機的密封性面臨巨大的挑戰(zhàn)，從而用于壓縮天然氣的往復圧縮機與離心壓縮機難以直接用于氫氣壓縮。

往復與離心壓縮機在壓縮氫氣過程中，因其各自的結(jié)構(gòu)特點而面臨不同的問題及挑戰(zhàn)，下面分別進行具體的論述。

3.1 往復壓縮機問題與挑戰(zhàn)

往復壓縮機尤其是無油壓縮機，通常用于中等流量且儲存壓力高于3 MPa 的氫氣壓縮［31］。往復圧縮機尤其適用于中等流量的高壓壓縮，所需的功耗可高達11.2 MW，由此產(chǎn)生的氫氣流量高達890 kg/h，排放壓力為25 MPa［32］。

往復壓縮機的流量由其氣缸尺寸和單位時間內(nèi)的循環(huán)次數(shù)決定，應用于高壓比大流量的大規(guī)模地下儲氫場景時，單臺往復壓縮機運動部件增多，內(nèi)部零件的尺寸也隨之增大。多個運動部件的存在增加了壓縮機設計制造的復雜性和日常維護的難度，令使用成本顯著上升，并且由于固體活塞的運動，使得壓縮過程中缺乏內(nèi)部冷卻的可能性，增大了熱管理的難度［33］。運動部件尺寸增加時，運動部件的質(zhì)量亦增大，故壓縮機工作時的慣性力顯著提高。為了限制慣性力提高對壓縮機機械應力的負面影響，降低活塞速度是十分有效的方法，但無疑會導致往復壓縮機流量的降低。為解決該問題，已有設計采用非金屬材料制造密封環(huán)和氣閥、使用碳化鎢涂層改善活塞桿性能等。

往復圧縮機中，因為氣閥的周期性吸排氣，使得壓縮腔及管路內(nèi)的壓力產(chǎn)生脈動，并進一步引起振動而嚴重影響壓縮機的可靠性［34］。因此采用往復圧縮機時需要對壓縮機氣流脈動與管道振動進行分析與控制，目前現(xiàn)場常用增加孔板等方式減小脈動，同時還需對壓縮機實施連續(xù)監(jiān)測以預測可能發(fā)生的故障。

圖3 示出幾種典型大型往復氫氣壓縮機，Ariel 生產(chǎn)的大型中速往復壓縮機適用于儲氫場合，其排氣壓力可達到42 MPa，如圖3（a）所示；Burckhardt Compression 生產(chǎn)的大型立式往復圧縮機最大壓力可達到55 MPa，最大流量可達到550 kg/h，其為無油高壓壓縮，可以實現(xiàn)較高的氫氣純度，如圖3（b）所示；Neuman ＆ Esser 生產(chǎn)的大型往復壓縮機，其壓比可達到35 MPa，流量最高可達到4 800 m3/h，適用于氫氣的壓縮，如圖3（c）所示。

圖3 幾種典型大型往復氫氣壓縮機Fig.3 Several typical large reciprocating hydrogen compressors

如何平衡往復氫氣壓縮機的可靠性與經(jīng)濟性也是值得思考的問題。降低每級工作溫度和級間壓比能有效提高壓縮機的可靠性，比如可以將兩級壓縮轉(zhuǎn)變?yōu)槿墘嚎s，此時壓縮機可靠性得到了提高，但代價是增大了20%～30%的資金成本［27］。

3.2 離心壓縮機問題與挑戰(zhàn)

離心壓縮機廣泛應用于天然氣運輸領域，理論上，適用于大流量、低壓比的離心壓縮機也能用于氫氣的壓縮和運輸。但氫氣分子質(zhì)量小，因此離心壓縮機壓縮氫氣時，需要采用更多的壓縮級數(shù)，這大大增加了離心壓縮機壓縮氫氣的難度和成本［35］。

與往復氫氣壓縮機類似，改進離心氫氣壓縮機必須考慮到氫氣的特殊性質(zhì)，由于氫氣的密度較小，氫氣在壓縮過程中泄漏到進氣入口的趨勢更加明顯，這無疑降低了離心壓縮機的壓縮效率。氫氣的小氣體分子質(zhì)量要求離心氫氣壓縮機的轉(zhuǎn)速至少高出離心天然氣壓縮機的3 倍。伴隨著轉(zhuǎn)速的急劇增大，以及對排氣純度的較高要求，研究人員需要從密封設計、抗污染、振動、零件材料和轉(zhuǎn)子動力學等多方面入手，全方位對離心壓縮機進行優(yōu)化升級。

離心壓縮機通常有前掠、后掠以及直葉片3種葉片形式，使用前掠型葉片時，壓比相對較高，但是由于流動過程中會形成渦，因此壓縮過程的不穩(wěn)定性增加，較少應用于小分子量氣體的壓縮場合；采用后掠型葉片時，離心壓縮機的效率較高，但是壓縮過程中的壓比較小，若要達到同樣的壓比，其葉尖速度會顯著提高，因此對葉片材料性能提出較高要求或需對葉片進行涂層處理［28］；直葉片形式的壓縮機則是兼具前掠與后掠型葉片壓縮機兩者的特點，其能達到的壓比也介于前掠葉片與后掠葉片壓縮機之間。應用于氫氣壓縮時，可通過采用直葉片以及葉片密布的方式來提升壓比。然而，要想實現(xiàn)較高的排氣壓力，離心壓縮機的軸封及蝸殼的承壓能力也面臨挑戰(zhàn)。圖4 示出了Howden 生產(chǎn)的大型離心氫氣壓縮機的結(jié)構(gòu)形式。

圖4 典型大型離心氫氣壓縮機Fig.4 Several typical large centrifuge hydrogen compressors

SCHUSTER 等［36］在2020 年通過熱力學分析和三維CFD 計算，對離心壓縮機在管道中輸送氫氣進行了深入研究。研究表明，相比于運輸甲烷，離心氫氣壓縮機的旋轉(zhuǎn)速度需要增加2.8 倍，更高的周向速度也對制造壓縮機的材料提出了更嚴格的要求，比如采用纖維增強材料進行零件的制造加工。TIAINEN 等［37］在2022 年采用一維方法設計出了3 種不同出口葉片角度的離心壓縮機，試圖找到減小葉尖轉(zhuǎn)速以降低機械應力的方法。研究表明在效率相同的情況下，采用-15°的前掠型葉輪可以使葉尖速度降低5%。HONG 等［38］在2022 年分析了離心壓縮機復雜通道內(nèi)的三維渦流結(jié)構(gòu)，分別研究了設計流量和低流量時復雜三維渦行為，并提出了4 種葉輪的優(yōu)化方案，有效減薄了回流區(qū)域且減小了熵升幅度，提高了壓升幅度和絕熱效率。Concepts NREC（CN）［39］在2015 年研制出了當時最大規(guī)模的離心氫氣壓縮機，重點對軸密封、流體動力軸承、級間冷卻器、驅(qū)動器和變速箱進行了優(yōu)化，采用當時最先進的材料進行制造與加工，每級壓比可達1.26：1，其葉尖速度可達到701 m/s，流量可達4 536 kg/h，功率為1 100 kW。

4 結(jié)論與建議

進行大規(guī)模的氫氣儲存有利于緩解可再生能源發(fā)電伴隨的間斷性、季節(jié)性以及空間限制等問題，進一步推動我國氫能經(jīng)濟的建設，早日實現(xiàn)“雙碳”目標。對比其他儲氫方式，地下鹽穴儲氫具有儲量大、儲存周期長、密封性好、成本低等優(yōu)點［1］。

壓縮機作為大規(guī)模地下儲氫項目中的核心設備，其結(jié)構(gòu)形式及能效特性直接關系著系統(tǒng)整體的經(jīng)濟性。對于地下大規(guī)模儲氫，較適用的壓縮機類型是離心壓縮機和往復壓縮機，其有望實現(xiàn)大流量、高壓比的氫氣壓縮。

當離心壓縮機和往復壓縮機實際應用于氫氣壓縮時，均需加強氫泄漏和氫腐蝕的防范。其中往復壓縮機的維護成本較高，并且需克服機組振動與氣流脈動的影響；離心壓縮機壓縮氫氣時，級數(shù)較多，機體結(jié)構(gòu)龐大，成本較高。由于2 種壓縮機分別單獨使用時各有優(yōu)劣，因此可考慮采用將兩種壓縮機聯(lián)合使用的方式，即先用離心壓縮機吸入大量氫氣并提供一定壓比后再利用往復壓縮機壓縮至目標儲氣壓力，在此過程中，需關注氫泄漏防范、耦合機組控制系統(tǒng)和變工況運行等關鍵問題。