綠氫耦合煉化用氫氣壓縮機設計探討

張建云，趙 江，宋 鵬，劉 賀，高劍彬

(沈陽鼓風機集團往復有限公司，遼寧 沈陽 110869)

1 引言

在國家的“十四五”規劃中及各項政策鼓勵下，為實現“2030年碳達峰，2060年碳中和”的雙碳目標，國內各個省市及企事業單位，均在氫能產業發展方面開展規劃和布局。往復壓縮機作為氫氣壓縮的主要動力設備，在儲存、運輸、加注中均能實現應用。但此前由于行業補貼及政策主要集中于燃料電池、制氫、儲氫、加氫站領域，往復壓縮機的應用較少。隨著行業的發展，國家正在快速推進氫能在鋼鐵、水泥、化工等規?；I中的應用，目前已經啟動一批綠氫耦合煉化的應用示范工程，為往復壓縮機的應用提供了機遇。

傳統石油化工、煤化工需要大量的氫氣，發展綠氫和煤化工、石油化工結合是很好的發展方向[1]。隨著可再生能源價格下降和碳稅征收，綠氫耦合煉化的競爭力將顯著提升，如果可以利用我國西部地區的棄風、棄光電能，綠氫成本會繼續降低。但由于光伏、風力等可再生能源天然具有能量波動性特點，實現高比例可再生能源連續制氫供氫還面臨著很多技術和經濟性挑戰[2]。一旦氫氣供給波動對現有裝置生產效益和穩定造成不利影響，后果難以承受，也不利于行業的發展。

本文對綠氫煉化的工藝特點、往復壓縮機氣量控制方法、常見機組設計方案進行了闡述，并進行了對比分析，對如何更好的進行綠氫耦合煉化用氫氣壓縮機設計進行了探討。

2 綠氫煉化壓縮機要求

前面已經提到光伏、風力等可再生能源具有天然的波動性，比如光伏的晝夜區別、風力的不連續及起伏大等等，這都會造成電解水制氫產量的波動。雖然煉油加氫、合成氨、合成甲醇裝置具有負荷調控能力，比如普遍認為合成氨負載下限可到20%，但電解水制氫工段的負載調控較快(秒級、分鐘級)，化工合成段的負載調控較慢(小時級、日級)，二者之間需要配置緩沖環節以滿足供氫平穩性的要求[3]。

電解水產出的氫氣壓力一般為1.5 MPa(A)左右，通常需要增壓后才能達到化工合成的壓力需求，同時為了滿足供氫平穩性的要求，目前主要由兩種適配思路：一是通過壓縮機將氫氣壓力增壓至高值(比如20 MPa)存入儲罐，然后減壓后供后續裝置使用，這樣可有效保證供氫的壓力及流量穩定，但無疑能耗相對較高；另一種是通過壓縮機自身的流量控制手段，保證壓縮機供氫的壓力與流量穩定，此種方式較為節能與經濟，但壓縮機需要面臨進口壓力波動較大(比如0.3～1.5 MPa)，甚至壓縮級數發生變化的問題。

鑒于目前示范工程多以第二種思路實施，且第一種思路用氫氣壓縮機相對簡單，本文將主要探討如何通過壓縮機組流量控制，實現壓縮機供氫壓力與流量穩定。

3 往復壓縮機常見流量控制方法

從往復壓縮機的特性看，其排氣壓力是由排氣側背壓來決定的，只要保證壓縮機供氣量與下游裝置的氣體需求量匹配時，就能保證供氣壓力的穩定。因此，保證往復壓縮機的排氣壓力穩定，最終也是通過調整排量來實現的。下面將簡要介紹幾種往復壓縮機常見的氣量控制方法及其特點[4]：

(1)管路控制：管路控制包含管路的回流控制和節流控制，目前往復壓縮機中應用最多的是管路回流控制，它也是系統和操作最為簡單的氣量控制手段。但管路回流控制并未減少壓縮機氣缸的吸入量，因此也未減少功率消耗，經濟性很差。

(2)轉速控制：轉速控制可以直觀、準確的調節壓縮機氣量手段，其理論調整范圍寬、連續性強，并且能夠節省能源。但在往復壓縮機中應用時也存在許多不足：比如轉速調節會增加軸系扭振風險，軸系固有頻率無法有效避開轉速范圍；大型往復壓縮機轉速降低時，壓縮機的旋轉不均勻度會急劇增加，曲軸傳遞的扭矩差值、電流波動值也快速增加，影響機組的穩定運行；過低的轉速會限制潤滑油膜的建立，無法保證機組有效運行；因此實際應用不多。

(3)余隙容積控制：余隙容積控制是通過調整容積效率來實現氣量的變化，增加余隙容積可減小壓縮機的吸入容積，從而減少壓縮機排量。常見的有固定余隙調節和可變余隙調節2種，具有結構簡單、省功等優點。但由于余隙控制腔只能裝在氣缸的蓋側，因此理論調節范圍將小于50%。

(4)吸氣閥卸荷控制：吸氣閥卸荷控制的基本原理是通過氣閥卸荷機構壓開吸氣閥閥片或產生卸荷通道，使氣缸中的氣體未經壓縮直接返回到進氣腔內，從而達到調節氣量的目的。其結構簡單、操作方便，并且能節約能源，在往復壓縮機中得到普遍應用，除用作氣量控制之外，也可用于實現壓縮機空載啟動。但其僅能控制壓縮機氣缸某一工作腔的是否正常工作，因此只能實現固定比例的幾檔氣量控制，無法實現連續的氣量控制，多用于進、排氣壓力較固定，且固定檔位的氣量控制場合。

(5)無級氣量控制：無級氣量控制實際上是一種特殊型式的吸氣閥卸荷狀態，其原理是通過控制一個壓縮行程內壓開進氣閥片的持續時間，實現精確氣量返回吸氣腔，理論上可以實現0～100%的氣量調節。這種控制方式需要通過一套專用的輔助系統實現，具有精確調節、調節范圍廣、自動化程度高、節能效果顯著等優點，但同時其系統相對復雜，初次投入成本較高，阻礙了其推廣速度。近年來隨著企業對節能降耗關注度提升，以及系統國產化替代突破，投入成本降低，在往復壓縮機的應用呈增長趨勢。

需要說明的是，在實際應用中，上述幾種控制方法經常是以組合形式出現的，以便更好、更經濟地滿足壓縮機排氣量控制的要求。

4 壓縮機設計案例分析

以某一光伏電解水制氫耦合煉化項目為例，其氫氣壓縮機主要要求及參數表述如下：

壓縮機入口的氫氣來源途徑有兩種：(1)白天直接通過上游電解水裝置提供，來氣壓力穩定為1.5 MPa(A)；(2)夜間氫氣為氫氣儲罐提供，最高壓力為1.5 MPa(A)，隨著儲罐內氫氣的持續供給，壓力不斷下降，最低達到0.3 MPa(A)，進氣溫度按照40 ℃設計。下游裝置要求氫氣供給壓力為3.5 MPa(A)，供氣量要求穩定在3000 N·m3/h。

根據上述壓縮機工況信息進行壓縮機選型，可知壓縮機應保證入口壓力0.3 MPa(A)時排氣量達到3000 N·m3/h，核算其它進氣壓力狀態下的壓縮機負載及功率消耗，并通過流量控制方法調整壓縮機排量。通過熱動力計算，初步選型的壓縮機主要技術參數如表1所示。

表1 壓縮機主要技術參數表

(1)若以系統最簡單的思路來進行壓縮機方案設計，那么采用三回一回路控制即可滿足氫氣供給穩定的需求，其主要工藝氣流程見圖1。該方案的主要弊端在于壓縮機軸功率過大，浪費明顯，不同壓力下的軸功率計算值如表2所示。

圖1 三回一單回路控制流程簡圖

表2 三回一單回路各進氣壓力下的軸功率表

(2)若還是僅以管路控制方式來進行氣量調節，但要進一步降低機組軸功率，則可以在已有三回一回路控制的基礎上增加一回一回路控制與二回二回路控制。同時且為了更好的控制各級壓力分配及穩定性，一回一控制閥的壓力設定值可設為0.3 MPa(A)進氣時的一級排氣壓力0.66 MPa(A)；同理二回二控制閥的壓力設定值可設為0.3 MPa(A)進氣時的二級排氣壓力1.52 MPa(A)。該方案的主要工藝流程圖見圖2，不同壓力下的軸功率計算值見表3。

圖2 組合回路控制流程簡圖

表3 組合回路各進氣壓力下的軸功率表

(3)通過增設一回一回路控制與二回二回路控制，已經使壓縮機軸功率大幅下降，也滿足了供氫穩定的需求，但仍處在可優化的地方。若以組合回路再結合吸氣閥卸荷控制，則可進一步降低壓縮機軸功率。通過熱力計算可知，當進氣壓力≥0.51 MPa(A)時，一級軸側單作用即可滿足氣量需求，因此可將卸荷控制邏輯設定為“當進氣壓力≥0.51 MPa(A)，一級氣缸蓋側卸荷”；同理“當進氣壓力≥1.11 MPa(A)，二級氣缸蓋側卸荷”。吸氣閥卸荷控制+組合回路模式、組合回路模式下各進氣壓力下的軸功率對比見表4。

表4 吸氣閥卸荷與組合回路各進氣壓力下的軸功率表

(4)在上一設計方案中，當進氣壓力高于某值時，才可采用吸氣閥卸荷將氣缸變為軸側單作用，那么在變為軸側單作用之前，增設余隙容積控制裝置來增加氣缸蓋側的余隙容積，即可減少該壓力段內的功率消耗。蓋側可變余隙+吸氣閥卸荷控制+組合回路模式、吸氣閥卸荷控制+組合回路模式下各進氣壓力下的軸功率對比見表5。

表5 可變余隙、吸氣閥卸荷與組合回路各進氣壓力下的軸功率表

(5)在本設計案例中，最高進氣壓力為1.5 MPa(A)，低于0.3 MPa(A)進氣時的二級排氣壓力1.52 MPa(A)，

所以在通過之前的排量控制方案中，三級氣缸一直處于正常工作，且是滿負荷運行。那么我們可以增加無級氣量控制系統，而且僅需在一、二級氣缸上設置控制執行器，替換掉原有的排量控制方法，就能實現全階段、連續性強的節能降耗。無級氣量控制模式下各進氣壓力下的軸功率對比見表6。

表6 無級氣量控制各進氣壓力下的軸功率表

5 分時段排量控制的設計案例分析

以某一光伏電解水制氫耦合煉化項目為例，氫氣來源、來氣壓力、來氣溫度、儲罐最低氫氣壓力以及下游裝置要求氫氣供給壓力均與第三部分中的條件相同。但在供氣量上呈現分時段要求：在白天氫氣來源穩定，來量足夠大的情況下，要求壓縮機排量最大化；在夜間氫氣來源為儲罐存量時，供氣量要求穩定在3000 N·m3/h。

那么壓縮機的設計方案就是采取兩套控制邏輯，在夜間可以選定第三部分中合適的控制模式運行；在白天則需要通過在已有的機組流程設計上，增加管路變換的模式，使機組壓縮機級數變為1級，所有氣缸均變為“一級氣缸”。以第三部分中組合回路的模式為基礎，增加管路變換舉例，其主要工藝流程圖見圖3。

圖3 帶管路變換的組合回路控制流程簡圖

具體操作方法為：當白天運行時，完全開啟控制閥1、控制閥4，完全關閉控制閥2、控制閥3、控制閥5，則二級、三級氣缸均可直接從壓縮機入口吸氣，轉換為“一級氣缸”，所有經過氣缸壓縮的氣體都經冷卻后直接匯總至壓縮機出口，以表1中壓縮機參數計算，當進氣壓力為1.5 MPa(A)，排氣壓力為3.5 MPa(A)時，壓縮機排量躍升至24800 N·m3/h。

當夜間運行時，完全開啟控制閥3、控制閥5，控制閥1、控制閥2、控制閥3切換至回路調節閥模式，則壓縮機就切換為第三部分中的組合回路控制模式。在該流程中，止回閥失效的風險相對較高一些，因此可將止回閥1、止回閥2替換為控制閥，控制邏輯為白天運行時開啟，夜間運行時關閉即可。

6 結論

從第三部分的對比可以看出，當綠氫耦合煉化項目下游裝置要求供氣量穩定時，吸氣閥卸荷控制+組合回路模式是比較經濟實惠，且系統相對簡單的選擇；如果想進一步簡化系統，可選擇組合回路模式；如果想追求節能效果，無級氣量控制模式則更加適合，另外在機組相對較大，軸功率較高時，該模式的優勢會更加明顯。

至于增加余隙容積控制裝置，受余隙容積控制適用范圍的影響，僅能在部分進氣壓力工況下有效節能，且大部分工況下相對余隙容積需要增加至120%以上，從結構設計上不具備合理性。另外可變余隙須采用電動控制，結構也較復雜，投入較高，因此該模式不建議采用。對于單回路模式，耗功過大，同樣不建議采用。

第四部分中管路變換增加排氣量模式，在某些分時段氣量要求的場合具有優勢，如果在無級氣量控制模式基礎上增加管路變換，無疑會極大的提升機組的適應能力。

當然本文的設計方案探討僅局限于壓縮機設計本身，實際從工藝參數與壓縮機匹配的角度考慮，也還有很多新的方案可供探討。比如增加部分儲罐數量，將儲罐最低進氣壓力升至0.6 MPa(A)，那么壓縮機級數可變為2級，機組規模尺寸、軸功率都會大幅降低，排量控制系統的投入尤其是無級氣量控制系統投入將顯著下降，對業主來講可能又出現了新的選擇。

相信隨著行業的發展，大批的項目落地實施，經驗不斷積累提升，對該類型機組的設計又會有新的、更好的方案，為國家的雙碳目標提供更多助力。