出于對(duì)二氧化碳排放的顧慮，各行各業(yè)逐步開(kāi)始棄用傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)引擎，這意味著必須為車(chē)輛找到足夠環(huán)保的動(dòng)力。其中最有潛力的當(dāng)屬氫。它不僅安全、成本效益高，而且具有較強(qiáng)的可行性和可持續(xù)性。為了促成氫的廣泛應(yīng)用，氫能源汽車(chē)的流體系統(tǒng)以及加氫站設(shè)備，都必須采用最優(yōu)質(zhì)的材料。上述系統(tǒng)中的所有設(shè)備，都必須具有良好的密封性能，而且需要在數(shù)年甚至數(shù)十年內(nèi)經(jīng)久耐用。但并非所有設(shè)備都有如此卓越的性能。氫的特性決定了它對(duì)材料的極大挑戰(zhàn)，相關(guān)設(shè)備必須達(dá)到特定的性能標(biāo)準(zhǔn)。。作為相關(guān)設(shè)備中非常重要的一大類(lèi)，閥門(mén)在車(chē)輛和加氫站設(shè)備內(nèi)控制著氫的流動(dòng)。選擇最合適的閥門(mén)，顯然是確保設(shè)備正常運(yùn)行和保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)人員的關(guān)鍵前提。
氫燃料系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)和難點(diǎn)
氫的危害性遠(yuǎn)低于其它燃料，因?yàn)樗鼰o(wú)毒。如果處置得當(dāng)，它的揮發(fā)性也低于其它化合物。此外，氫燃料汽車(chē)會(huì)根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)配置專(zhuān)門(mén)的安全設(shè)備，確保性能安全可靠。和傳統(tǒng)的汽油不同，氫氣的比重非常輕，即使發(fā)生泄漏也會(huì)迅速上升并消散，因此導(dǎo)致地面火災(zāi)的可能性極低。不僅如此，氫氣生產(chǎn)的可持續(xù)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于化石能燃料。原電池消耗氫氣時(shí)不會(huì)排放二氧化碳或其它任何烴類(lèi)物質(zhì)。唯一的產(chǎn)出物就是能量和純水。所以氫可以降低全球溫室氣體排放，有效地緩解全球氣候變化。然而盡管和碳基燃料相比有諸多優(yōu)勢(shì)，氫能源對(duì)車(chē)輛和加氫站設(shè)備的要求也很苛刻。氫分子的體積非常小。而且隨著存放條件的變化，例如在氫能源車(chē)輛的相關(guān)系統(tǒng)中或在加氫站設(shè)備中，它的壓力會(huì)急劇變化。因此只要是與氫有關(guān)的系統(tǒng)，其中所有設(shè)備的密封性能都起著決定性作用。如果氫氣泄漏，就可能給終端用戶(hù)帶來(lái)潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)，尤其是在加注液氫的過(guò)程中。此外，車(chē)輛或儲(chǔ)存系統(tǒng)的泄漏，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的效率下降。如果設(shè)備的材質(zhì)是劣質(zhì)的不銹鋼，可能會(huì)被高壓下的氫分子滲入，進(jìn)而造成一種所謂的氫致脆裂現(xiàn)象。如果不加以處置，氫脆現(xiàn)象會(huì)加速導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)裂縫，進(jìn)而給設(shè)備帶來(lái)泄漏的潛在風(fēng)險(xiǎn)。
氫閥的性能必須始終保持正常
既然閥門(mén)在流體系統(tǒng)中的角色如此關(guān)鍵，那就必須針對(duì)應(yīng)用工況，謹(jǐn)慎考慮相應(yīng)的技術(shù)規(guī)格。用氫燃料系統(tǒng)中的閥門(mén)在確定技術(shù)規(guī)格時(shí)，必須考慮到以下因素：- 壓力：當(dāng)氫儲(chǔ)存于不同場(chǎng)合時(shí)，例如車(chē)輛的液氫燃料箱、輸配管道和加氫站儲(chǔ)罐，為了達(dá)到特定的密度，必須將其壓力保持在350-700巴之間。- 應(yīng)力和震動(dòng)：系統(tǒng)必須能承受高車(chē)速、顛簸路面，以及各種不利的環(huán)境因素，例如惡劣天氣、腐蝕性物質(zhì)和溫度變化。- 安全：加氫站必須確保普通用戶(hù)都能安全地操作。- 維護(hù)保養(yǎng)：技師必須能方便快捷地安裝和改造密封接頭。所有氫閥都必須滿(mǎn)足上述條件，以便確保閥門(mén)的性能始終保持在最佳狀態(tài)。無(wú)論是車(chē)輛上的流體系統(tǒng)還是加氫站設(shè)備，所有接頭、關(guān)斷和調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)的密封性能都很關(guān)鍵。氫燃料系統(tǒng)中的閥門(mén)必須能承受所有可能面臨的苛刻工況，無(wú)論是何種應(yīng)用場(chǎng)合。
氫級(jí)球閥
氫燃料系統(tǒng)利用球閥的開(kāi)和關(guān)來(lái)控制流體從系統(tǒng)的某處流向另一處。如果指定在特定場(chǎng)合使用球閥，那就要采用閥桿密封能長(zhǎng)期耐磨損的閥門(mén)（圖1）。直接載荷式固定球閥可能會(huì)是非常好的選擇。它的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得每次開(kāi)、關(guān)閥門(mén)時(shí)，都能保持有效的密封。另外，底部載荷式閥門(mén)設(shè)計(jì)可以防止閥桿脫出，意味著可以提升整個(gè)系統(tǒng)的安全性。有經(jīng)驗(yàn)的閥門(mén)供應(yīng)商可以針對(duì)特定應(yīng)用場(chǎng)合，推薦最合適的閥門(mén)類(lèi)型。有些球閥具有雙通或三通功能、不同的安裝選擇，還能根據(jù)特地需求定制閥門(mén)的流率系數(shù)。補(bǔ)充一點(diǎn)，必須確保選用的閥門(mén)能在氫燃料系統(tǒng)內(nèi)和其它設(shè)備、部件相互兼容。
氫級(jí)針閥
如果需要以極高精度調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)氫的流率，針閥可能比球閥更合適。和球閥一樣，選型時(shí)也有幾項(xiàng)因素是重要的考量。首先是針閥屬于全金屬結(jié)構(gòu)，需要極大應(yīng)力才能妥善密封（圖2）。如果選用的針閥不能承受密封所需的應(yīng)力，閥針就可能變形，甚至連閥座也可能變形。這將產(chǎn)生閥門(mén)泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，而且維修成本很高。其次，閥門(mén)開(kāi)、關(guān)以及密封所需的應(yīng)通常來(lái)自大型氣動(dòng)執(zhí)行器，在每次兩分鐘左右的操作過(guò)程中，它會(huì)使針閥承受極高的壓力。面對(duì)上述使用工況，針閥需要采用優(yōu)質(zhì)316不銹鋼，它不易變形且經(jīng)久耐用。并非所有針閥都能達(dá)到普通氫級(jí)工況的磅級(jí)，或者說(shuō)不一定能承受350-700巴的壓強(qiáng)。專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)的供應(yīng)商應(yīng)該告知客戶(hù)每款針閥的磅級(jí)，并確保與其它氫級(jí)設(shè)備相互兼容。
氫級(jí)止回閥
為了防止管路中出現(xiàn)過(guò)量的回流，加氫站都會(huì)依靠止回閥來(lái)實(shí)現(xiàn)核心安全功能。和常規(guī)應(yīng)用場(chǎng)景中的止回閥不同，氫級(jí)止回閥要面對(duì)更為苛刻的工況。例如，止回閥內(nèi)通常會(huì)有彈簧，而且經(jīng)過(guò)了應(yīng)變硬化處理，如果不是采用優(yōu)質(zhì)316不銹鋼，就更容易發(fā)生氫致脆裂并喪失延展性。如果是應(yīng)用于加氫站設(shè)備的流體系統(tǒng)，止回閥通常會(huì)面臨壓力和溫度的大幅度、快速變化，從而使閥門(mén)密封元件承受巨大應(yīng)力。這就是為什么和加氫站其它設(shè)備相比，止回閥更適用于氫氣壓縮機(jī)。此外，閥門(mén)材質(zhì)的全面完好性，以及與系統(tǒng)內(nèi)其它設(shè)備的兼容性都非常關(guān)鍵。對(duì)氫級(jí)應(yīng)用具有專(zhuān)業(yè)經(jīng)驗(yàn)的供應(yīng)商應(yīng)該有能力對(duì)此提供參考意見(jiàn)。
閥門(mén)選型為何事關(guān)大局
隨著氫能源移動(dòng)出行市場(chǎng)的逐步擴(kuò)大，車(chē)輛及加氫站的安全性、可靠性和耐用性越發(fā)顯得重要。如果缺乏專(zhuān)門(mén)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，市場(chǎng)的長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展將成問(wèn)題。只有妥善選擇相關(guān)設(shè)備，并明確相應(yīng)的技術(shù)規(guī)格，才能使氫能源充分發(fā)揮市場(chǎng)潛力，進(jìn)而取代傳統(tǒng)的化石能源。對(duì)于流體系統(tǒng)設(shè)備供應(yīng)商的選擇，建議查看其能否提供種類(lèi)廣泛的氫級(jí)專(zhuān)用球、針、止回閥。同時(shí)查看其能否提供用于提升系統(tǒng)整體安全性的附加設(shè)備或配件，以便操作人員和用戶(hù)能在更加安全可靠的情況下使用設(shè)備。供應(yīng)商應(yīng)該具備與氫工況相關(guān)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，以便在系統(tǒng)集成的過(guò)程中為制造商提供指導(dǎo)，確保安裝在加氫站內(nèi)的設(shè)備能承受?chē)?yán)酷的工況。
本文的原版已發(fā)布于世偉洛克視點(diǎn)博客
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