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缘起火箭发动机:“航天101所”的氢能新局

  • 2019-12-19
  • 来源:能源杂志
对于氢能装备检测水平低和液氢发展受制于外的难题,军工出身的航天101所会给出怎样的答案?

园博园向西南十公里,丰台云岗东王佐北路,中国航天动力的起点——北京航天试验技术研究所(航天101所)便位于这里。数十年前,航天101所设计、建设了我国第一座火箭发动机试验台,也是迄今为止我国唯一的低温氢氧发动机试验中心。

12月18日,在航天101所低温技术研究的小楼里,刘玉涛正被众人围在中央,他的身后是与液氢相关的种种装备。作为航天101所的副总工程师,刘玉涛对于液氢技术如数家珍,但是这一次他所介绍的液氢装备并非服务于火箭,而是近年来大热的民用氢能。

缘起火箭发动机:“航天101所”的氢能新局

航天101所副总工程师刘玉涛

2018年以来,氢能在能源领域迅速蹿红,但是目前国内氢能产业主要力量集中在氢能装备的产品研制和推广方面,针对产品性能测试和质量验证等方面的技术经验不足,缺乏成熟的氢能装备性能检测和试验方法、标准以及基础设施。

而在氢能储运方面,液氢无疑是未来的重要方向,但是目前主要液氢设备供应商美国的Air Products、Praxair,法国法液空,德国林德,俄罗斯深冷等相关装备进口困难,国产化任务迫在眉睫。

对于氢能装备检测水平低和液氢发展受制于外的难题,军工出身的航天101所会给出怎样的答案?

测试大拿

2018年,中国航天科技集团有限公司(中国航天)成立了氢能工程技术研发中心,凭借航天液氢及氢相关产业链的技术优势,向民用领域推广成为发展的重要方向。而作为中国航天下属的航天101所,其最大的优势便是氢能装备试验检测。

1958年,美国研制出世界上第一台氢氧火箭发动机RL-10。中国在1961年开始研究液氢,氢能装备试验与检测随之诞生,同年我国第一个火箭发动机试验研究机构——国防部第五研究院试验站成立,成为我国火箭动力试验事业的开端,而试验站就是今天航天101所的前身。

对于氢能装备检测,早在两年前的2017年,中国特种设备检测研究院(中国特检院)便联合航天101所成立了氢能装备检测中心。“检测中心是中国特检院基础的检测能力和航天101所氢能装备的检测能力的结合,其中适应氢能装备的检测有气瓶水压试验、火烧试验、氢循环试验、振动试验等等。”刘玉涛表示。

除了特种检验,航天101所还具备液氢方面的工作和检验能力,比如氢的燃烧实验、扩散实验、爆炸危险性,特别是液氢中固空(固态空气)累积、危险性等等。

“这是我们最近进行的一次液氢倾倒试验,也就是将来大规模用的液氢容器或者运输车出现大量液氢泄漏是什么情况,3立方米的液氢从空中倾倒,14秒倒完,整个扩散完毕是29秒,全部扩散在30米界限之内。还有模仿高压氢管道突然断裂的情况下液氢大规模排放的试验。”刘玉涛指着一张图片介绍道。

目前,航天101所氢气产能为1200Nm3/h,日常存储量24000Nm3/h,满足氢能装备试验检测用气需求。同时,厂区拥有多台高压氢气压缩机、中压氢气压缩机和氢气输送管路,经过合理操作,可以输出95MPa氢气。

在12月18日同期举行的北京氢能装备试验检测推介会上,记者了解到,目前航天101所已经建成了液氢加氢站关键设备测试平台、70MPa高压氢气瓶测试平台以及车载液氢系统测试平台。

对标国家标准,航天101所已经建成国内第一座95MPa等级的高压氢能装备检测试验平台。平台具备氢介质下各类储氢容器、阀门等部件的火烧、疲劳、泄漏和可靠性性能考核试验和型式试验能力;其中,氢气环境试验平台的充放气试验压力最高可达90MPa,充气最高速率大于3kg/min,是国内首套70MPa以上储氢气瓶的快速充放气试验系统,单位质量储氢密度超过5%,单位体积储氢密度40.2kg/m3。

液氢争雄

液氢是通过预冷和膨胀节流等工艺,把氢气降温到-253℃从而变成液体,密度可达普通氢气的780倍,使得氢可以高效地储存和运输。

但是,氢液化过程能耗高,液氢的制备、储运及应用装备技术仍需突破,安全性有待普及,液氢标准规范不完善也是液氢所面临的现实问题。

在全国氢能标准化技术委员会高级顾问陈霖新看来,液氢主要的工程应用前景有航天、车辆、用氢装备供气系统以及工业用氢等等。我国的氢能汽车主要以重卡、物流车、客车为主,未来可能会应用于潜艇,所以一定要抓紧对于液氢的研究。

事实上,除了军工的液氢应用,国内民用商业化的液氢项目也取得了很多进展,而这其中都不乏航天101所的身影。

推介会上,航天101所王成刚所长和浙江浙能北海水力发电有限公司孙志久董事长还进行了国内首套自主开发的1m3/h氢液化系统示范项目签约仪式。

其实早在半年前的7月8日,浙江省能源集团有限公司便与浙江嘉化能源化工股份有限公司在嘉兴港区签约液氢工厂项目,共建全国首个商用液氢工厂。首套示范装置建设规模为日产液氢1.5吨,产出液氢将用于加氢站加氢、航空航天、电子、冶金等领域。

7月17日,航天101所氢能项目组便赴浙江能源集团商谈氢液化工厂布局、土建及共用工程建设方案等内容。

事实上,浙江液氢项目并非孤例。2019年9月,航天101所所长带队前往贵州省六盘水市对接氢能项目,先后与盘江煤电集团电力投资公司和六盘水市政府进行项目调研与洽商,详细了解了六盘水市氢源现状,并对液氢厂拟选厂址进行实地踏勘。

除了航天101所所参与的两个液氢项目,还有一个液氢项目同样号称国内首个商业化运营液氢厂,这个项目较之上述两个项目都要早。

2018年底,北京中科富海低温科技有限公司(中科富海)与美国的Air Products签订协议,将引进代表世界最先进技术水平的液氢储运加氢站成套设备,并计划在广东省建成中国首座商业运营的液氢储运型加氢站。该加氢站设计加氢能力500kg/天,并可依需求扩展至1500kg/天,具备35MPa和70MPa同时加氢的能力。

中科富海成立于2016年8月,是中科院理化所的科技成果转化及产业化公司,研发有0.5吨~5吨/天的系列氢液化装置。

资料显示,中科富海除了广东的液氢项目之外,还在与国家电投、阜阳市颍昊工程管理有限公司有所接洽。

与推介会同期举行的,还有航天101所、中国特检院、中科院理化所、北京低碳院、西安交大、浙江大学、浙能集团等13家国内液氢科研、应用、产业单位合作协议的签署仪式,13家共同成立了国内首个液氢协同创新联合体。

尽管国内几个商业化液氢项目还没有落地,但是已经有越来越多的人加入到这个行列之中。尤其是航天101所和中科富海两家,均有实际的液氢项目推进,无论谁第一个建成投运,从0到1的过程对于中国液氢来说都是巨大的突破。

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