加氢站液氢储罐的压力控制与增压方式探讨

液氢作为储氢介质具有高储氢密度、纯度以及快速充装等优势,被认为是应对未来加氢需求的理想选择。然而,目前中国在加氢技术和液氢储罐压力控制方面与国际先进水平存在差距。文章首先详述了液氢卸车过程中的压力控制方法、液氢储存时的压力控制方法,以及加注时的储罐压力控制方法;其次分别对不同工况下液氢储罐的压力控制目标和关键因素进行了深入讨论,强调了安全、效率和设备可靠性的重要性;最后总结了液氢储罐增压控制的各种方式和需要注意的问题,推荐了罐外安装的增压汽化器的增压方式,并强调了未来需要发展具有回收功能的零排放氢气压力控制系统。整体而言,文章提供了对中国加氢站液氢储罐压力控制技术洞察,为中国氢能基础设施的发展提供了有益的参考和支持。

氢燃料电池支线飞机关键技术与发展展望

氢燃料电池支线飞机是全球航空运输业实现绿色低碳目标的重要发展方向。本文分析了氢燃料电池支线飞机的发展现状和关键技术,包括液氢存储系统、氢燃料电池、电动机、氢燃料生产和储运加注等,预测了我国氢能航空技术发展趋势,并提出了包含各类新能源航空器产品的技术方案图谱,为我国氢能航空的发展提供理论支撑和方向指引。研究认为,我国将在2025—2035年逐步具备发展支线到窄体干线氢能飞机的技术条件,基于成熟国产飞机平台进行氢动力改装,以新能源技术变革推动航空制造业“换道超车”。

临近空间无人机液氢供能系统技术分析

对于临近空间无人机而言,高效的能源动力形式是支撑其实现长航时飞行的关键。经对比,本文认为“机载液氢+氢燃料电池”的供能方案符合无人机长航时和大载荷的发展趋势。针对该方案,综述了供氢工艺流程、机载液氢储罐、氢燃料电池的空气供应流程及水/热管理的技术现状,对供氢子系统中的氢输送方式、液氢储罐结构及材料,以及氢燃料电池子系统中空压机吸气性能、电池散热性能受到高空低压环境的影响开展了技术分析和总结,并对相关技术的发展方向进行了展望,可为后续研究提供一定参考。

基于分区模型的液氢贮箱地面温度与压力分布研究

针对传统商用软件计算液氢贮箱热分层时的计算量大且耗时长等问题,运用分区模型方法将地面液氢贮箱内部空间分为过热区、饱和区和过冷区3块区域,并离散气相/液相区的质量与能量守恒方程和热力学方程,在确定初始条件便求解液氢贮箱内温度与压力分布。对比分区模型与Fluent计算结果可知,该方法在大幅降低计算资源情况下,可获得液氢贮箱内温度与压力的精确分布,为后续流体混合计算提供初始条件。

液氢储罐的静置升压规律

为了掌握液氢在储罐中密闭静置升压的特性,开展了理论和试验研究。使用一台容积为4.0 m^(3)液氢储罐,先后开展了液氮、液氢的蒸发率测试和升压试验;基于静态蒸发率测试值,根据饱和均质模型和俄罗斯模型分别计算了液氮、液氢的升压时长。与试验结果相比,根据饱和均质模型计算的液氮、液氢升压时长偏差较大,而根据俄罗斯模型计算的液氮、液氢升压时长偏差较小(分别为+7.5%和-5.4%)。进一步地,基于俄罗斯模型,计算了从0.10 MPaA到1.0 MPaA的液氢升压曲线,结果表明升压时长和储罐压力呈明显的线性关系(R^(2)=0.9996),这为今后开展更长周期的液氢储罐升压试验提供了基础。

大型液氢储罐内罐材料研究与应用进展

国外液氢应用技术起步较早,液氢储罐的设计制造能力已达到最大3800 m^(3)储罐应用案例,相关技术主要由美、日、俄等国所掌握;中国液氢应用技术起步较晚,液氢储罐设计制造能力上限为300 m^(3)储罐,与国际先进水平相比还有较大差距。由于液氢储罐内罐材料的设计、制造属于其最关键核心技术之一,因此,该文综述了液氢储罐内罐材料的研究进展及发展现状,并对生产标准、中国制造能力等进行分析,对下一步液氢储罐材料的技术开发和试制提出建议。

车载液氢瓶瓶内自增压过程热力耦合特性研究

考虑气液相变作用、流固耦合传热及支撑结构非均匀漏热条件,建立了描述车载液氢瓶瓶内热质传递过程的全三维数值模型,分别对30%与70%充注率下液氢瓶瓶内自增压过程开展仿真研究。研究结果表明:初始液位对液氢瓶气枕增压规律有显著影响,与30%液位工况对比,70%加注液位下增压速率明显更快,二者在5000 s内平均压升速率分别为8.562 kPa/h和13.168 kPa/h;自增压过程中,由于液面处产生的蒸发气体向气瓶顶部聚集过程中将热量不断携带至气枕区,气相温升速率明显高于液相;液氢瓶内流体在近壁面处易形成许多涡流,且界面处产生的蒸发气体有贴壁扩散的趋势。

双碳背景下我国氢能产业链中氢的储存——大规模液氢储罐现状及思考

在碳中和、碳达峰的大背景下,氢作为能源属性已得到大家的共识,且近年来氢的制、储、运、用全产业链得到了快速的发展。储氢技术是氢气从生产到利用过程中的桥梁,因此安全、高效的储氢技术成为氢能应用的关键。随着氢能应用领域的扩大与普及,大规模储氢技术将得到快速发展。低温液态储氢因其储氢密度高,中远距离运输成本低等优势,或将成为民用领域大规模氢储运的重要方式。文章从液氢储存方式、液氢储罐罐型的选择、绝热方案、内罐材料、液氢储罐的建造标准以及国内外研发、应用现状及思考等几个方面对液氢的储存进行了介绍。以期引起行业内工程技术人员、科研人员、监管层,投资方等的共鸣、交流甚至讨论,从而为我国氢能的发展,特别是液氢的民用示范应用及发展做些贡献。

低温贮箱冷屏数量及位置优化研究

针对高空长航时无人机低温液氢贮箱低漏热量的要求,研究了无人机液氢贮箱的蒸气冷却屏布置方式,分析了绝热结构的传热过程,建立了绝热结构传热模型,对复合绝热结构的热性能进行了预测和优化。考虑到氢的特性和低温贮箱的结构,在特定的储存温度和压力下,对低温液氢贮箱的蒸气冷却屏(VCS)最佳位置和数量以及VCS减少的漏热量等进行了参数化研究。结果表明:与无VCS绝热结构相比,单VCS可以将液氢贮箱的漏热量降低59.10%,单VCS的最佳位置为泡沫绝热层(SOFI)中心;SOFI内设置多个VCS时串联形式漏热量更低,考虑到贮箱总质量的限制,SOFI内设置两个VCS串联,且二者处于SOFI厚度三等分位置附近时贮箱绝热性能最好。

氢无损储存系统研究与设计

针对氢燃料在动力系统中的应用需求,从氢储存和氢增压输送两个方面,综述氢燃料储存的研究现状,探讨氢储存原理、输送方案、适用装置、各自优缺点以及安全控制手段,比较几种无损安全设计方案。依据氢无损储存系统设计要求而设计的液氢储罐,包括储箱形状设计、绝热结构选择、支撑结构设计、防晃设计、强度设计等,进行较为综合的比较与分析;并利用CFD内嵌模块对储罐的传热和强度进行数值计算,评估其低温绝热结构的保冷效果;根据承受载荷,对低温条件下的储罐载荷进行强度计算,分析应力应变特性;最后,进行实验验证该储罐保证热流密度小于1.4 W/m^(2)的无损储存的设计要求。

基于三点支撑结构的车载液氢瓶热响应特性研究

氢能具有高能效、可再生、无毒、无污染等优点,逐渐广泛应用于民用交通领域。液氢存储方式在车载储氢系统中具有独特的储能优势,而车载液氢瓶作为液氢燃料车的核心部件之一,其支撑结构设计及热响应特性对于液氢燃料商用车的推广和发展有着至关重要的作用。设计一种连接车载液氢瓶内外容器的三点支撑结构,通过有限元分析方法对该结构进行了传热分析、强度校核及模态分析。研究结果表明:该支撑结构方案可用于车载液氢瓶的内外容器支撑,通过支撑端进入容器的总漏热量为19.6 W,且外容器表面不会发生结霜或结露现象;满载工况下液氢瓶的最大应力和最大变形量分别为299.04 MPa和4.01 mm,相较于空载工况时分别增大了5.37倍和9.55倍;紧急制动工况为车载液氢瓶的最危险工况,针对不锈钢结构和玻璃钢套环结构分别进行了强度校核,证明该结构能够满足实际运输过程的强度要求;该结构下液氢瓶前十阶固有频率集中于41~122 Hz之间,在实际运输过程中不会产生共振现象。

低温流体微重力池沸腾气泡脱落特性研究

研究微重力下的气泡动力学行为及其脱落特性是揭示微重力下流体沸腾换热机理的基础,而气泡处于空间复合弱力环境下,表现出不同于常规的特殊现象。以微重力下平板加热面上氢沸腾气泡为对象,展开了受力分析,考虑到Marangoni效应的影响,构建了受力平衡模型,进一步计算并分析了不同重力、压力、流体过冷度、壁面过热度下的气泡脱落直径。研究结果表明,当重力降低至某一临界值后,沸腾气泡存在3个不同尺度的脱落直径,且重力水平越低,气泡最大脱落尺寸越大,直径最大可达几十厘米。在常重力下,沸腾气泡仅存在0.01~0.1mm量级的脱落直径,压力对常重力与微重力下气泡脱落直径的影响差异显著,随着压力的升高,常重力气泡脱落直径不断减小,而微重力下最大气泡脱落直径有所增大;在微重力下,流体温度越低则过冷度越大,因此气泡最大脱落直径也越大,液氢过冷度每提高1K,最大气泡脱落直径增大约10%。当重力一定时,存在临界壁面过热度,且只有当壁面过热度超过该临界值时,沸腾气泡才会存在3个脱落直径。当压力越高、流体温度越低时,该临界过热度越小。

液氢贮箱零蒸发数值模拟与分析

采用CFD技术,对处于微重力下的零蒸发(ZBO)液氢贮箱内采用喷嘴棒强迫混合的流场进行稳态数值模拟,建立了二维轴对称模型,预测了在不同几何参数下贮箱内温度场及速度场分布情况。研究表明,喷嘴棒伸入贮箱长度、入口直径等因素均会对系统内温度场产生影响。贮箱内平均温度和最大温度随喷嘴棒长度和入口直径的增大而减小,而喷口直径对贮箱内温度场影响不明显。由上述可以看出,通过增大入口直径、选择合适的喷嘴棒伸入长度,可以改善系统性能。

液氢贮箱微重力喷射降压特性数值模拟研究

为研究在轨环境下,热力学排气系统对低温推进剂贮箱的控压性能,采用CFD方法对微重力条件下液氢贮箱内过冷液体喷射过程开展数值模拟研究,对比计算不同喷射区域、喷射流量、喷射速度等因素对箱内物理场分布与压力变化的影响。计算结果表明,低流量流速下,气相区喷射流体无法形成射流,将在喷口处堆积成液团并逐渐积累,降压效果较弱;而液相区喷射几乎没有降压效果。随着流量流速增大,喷射降压效果均有提升。低流量时,气-液相区喷射可以认为是气、液相区单独喷射的叠加,随着流量流速增大,射流对于气、液相区扰动具有交互影响,不再具有叠加性。整体来看,气-液相区喷射降压性能优于单独区域喷射,液相区喷射降压效果最弱。

利用Abaqus的含氢鼓包缺陷液化气罐安全分析

针对含氢鼓包缺陷液化气罐的安全运行问题,提出了一种基于J积分的安全分析方法.首先利用外观、磁粉和超声检测等手段确定液化气罐氢鼓包的位置和形貌;然后利用有限元法软件Abaqus对缺陷进行模拟分析,得到缺陷处的应力分布,并分别采用直接法(JA)和应力强度因子法(JK)计算裂纹尖端的J积分值;最后利用直接法得到的J积分结果对该液化气罐进行安全分析.结果表明:氢鼓包内压力为5MPa时,用JK计算的J积分值比用JA计算的大1.55倍;在氢鼓包内压力为3MPa和1MPa时,用JK计算的J积分值比用JA计算的大0.10倍.可见,如果用JK进行安全性评价,会过高估计裂纹的扩展;如果利用JA进行安全评估,当氢鼓包内压力增加到3MPa时裂纹很有可能会继续扩展,应进行监控或及时对氢鼓包缺陷进行处理.

饱和氢气加注过程中低温贮箱降温特性及热应力分布的数值研究

为了获得低温贮箱在饱和氢气加注过程中的降温特性以及箱体壁面的热应力分布,通过计算流体力学软件FLUENT计算了一定加注流量下贮箱内部流体区域的流场、温度场和壁面内的温度场变化,分析了加注过程中贮箱内的流动特性和降温特性;采用单向流固耦合方法进行壁面热应力分析,得到了3种不同进、出口约束条件下热应力在壁面中的分布以及最大热应力随时间的变化情况,并分析了进、出口弹性支撑约束条件设置的合理性;考虑贮箱内的压力变化,进行了箱体壁面的综合应力分析。计算结果表明:加注过程可以分为3个阶段,前2个阶段贮箱内部的流场、温度场和壁面温度分布特性依次由入口强制对流和壁面自然对流单独决定,第3阶段由入口强制对流及壁面自然对流共同决定;在3种不同的约束条件下,箱体壁面中的最大热应力均出现在贮箱加注口和排气口处,在进、出口弹性支撑条件下,壁面最大热应力随时间先增大而后趋于稳定,在稳定应力状态下,热应力的存在使箱体壁面总应力增加了15%左右。

液氢运输船技术现状及发展方向

参考LNG运输船的低温液货船相关设计、建造,以及运维经验,对液氢运输船技术发展现状及储罐及相应的支撑系统,船型及相关的世界运输产业情况进行总结。

贮箱低温试验液位监测方法研究及应用

贮箱低温静力试验加注过程中低温介质液位测量关系加注进度和增压气枕大小,本文通过调研分析各种常规低温液位测量方法可行性,同时对某绝热状态下贮箱液氮低温试验的温度和液位数据进行一致性对比分析,给出了基于温度—液位对应关系,通过测量沿贮箱外壁母线通长布置的若干个温度测点的温度并根据温度突变下降特征来监测箱内液位的方法,并给出了该方法在不绝热贮箱液氮低温试验和绝热贮箱液氢低温试验中的应用,并说明了应用该方法存在的问题和辅助措施,为今后低温静力试验液位监测提供了借鉴。

浅谈大型液硫罐区液硫罐降低硫化氢排放浓度的对策

简要介绍了大型液硫罐区液硫罐顶空气呼吸口硫化氢浓度超标的原因、超标的危害及处理对策。

液氢贮箱热力学排气系统建模及控压特性

以低温推进剂液氢贮箱压力控制为目标,建立了热力学排气系统(TVS)和贮箱内流体流动及气液相变过程的数学模型。以18.09m^3液氢贮箱在地面工况充注率75%、漏热量0.76 W·m^(-2)为例,计算了贮箱自增压过程及开启TVS后对贮箱压力控制的效果。结果表明,气枕升压速率远大于液体温度对应的饱和压力的升压速率;TVS运行后可将贮箱压力有效地控制在165.5~172.4kPa范围内。对比了混合与排气两种不同运行模式下贮箱气枕的升降压特性,发现排气模式下的气枕降压速率为混合模式的7倍,升压速率为混合模式的95%。同时还分析了贮箱内液体的温度变化规律。