CN116964326A - 用于氢气压缩机的冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种氢气冷却压力封隔器、系统和操作方法。压力封隔器可以包括凸缘部分和联接到该凸缘部分的多个封隔杯。多个封隔杯中的一个或多个封隔杯包括至少一个注入通道，该注入通道延伸穿过封隔杯并且终止于至少一个注入端口。压力封隔器还可以包括与多个封隔杯中的至少一个封隔杯邻接的密封件。压力封隔器可以被配置为用于能够在氢车辆加氢设施内操作的氢气压缩机中。

Description

用于氢气压缩机的冷却系统

背景技术

压缩机是常用于多种领域的机械设备，包括油气生产、工业加热和冷却以及化学品和/或燃料的制造。压缩机可用于燃料生产，以压缩作为压缩氢气燃料运输和分配的氢气。在气体压缩期间产生的热量必须缓解，以保护压缩机部件不发生故障，保持燃料生产环境中的安全操作条件，并且确保实现期望的燃料生产速率。热缓解是氢燃料生产压缩机设计和运行的一个重要方面。

发明内容

由于所需的压力(巴)和流速(kg/hr)，使用压缩氢气为车辆加氢可能具有挑战性。例如，大型重型运载工具可能需要以800巴至900巴和800kg/hr至1200kg/hr向车辆的燃料电池提供压缩氢气。常规压缩机由于缓解压缩机的特定部件(例如，密封件)内的热量的限制而不能满足这些要求。用于包围和保护压缩机的活塞杆的密封件可能会被氢气压缩期间产生的热量损坏。

往复式压缩机的压力封隔器内的动态密封元件很容易因过度的、未缓解的热量而损坏和失效。过多的热量是密封压力的函数，会导致密封表面加速退化，从而缩短密封部件的使用寿命。传统的冷却系统(例如，基于流体或水的冷却系统)可用于减少压缩机部件的热损坏。然而，使用基于流体或水的冷却系统会污染正被压缩的氢气。另外，这些系统的冷却通道可以提供流体路径，正被压缩的氢气可通过该流体路径从压缩机的部件逸出。

需要一种用于压缩机和压缩机部件的冷却系统，这不会改变或污染正被压缩的气体。另外，需要一种冷却系统，该冷却系统可以包含在冷却系统内正被压缩的气体，以便气体不会经由冷却系统逸出。

本文描述了一种解决这些限制的冷却系统。压缩机冷却系统包括压力封隔器，该压力封隔器可以经由在压力封隔器中配置的一个或多个注入通道接收和循环压缩的冷却氢气。压缩氢气可以在注入通道内分配到与压缩机的加热部分(例如，往复式活塞杆)的流体接口中，并且可从往复式活塞杆吸收热量。可以包含注入通道的压力封隔器的部分(例如，压力封隔杯)可使用增材制造技术来形成，使得可形成注入通道的更复杂的结构，以改善传热表面和接口。使用氢气进行冷却的一个优点是，与水和其他液体冷却剂相比，氢气的粘度较低，这允许更复杂的流动通道和“湍流行程”，从而进一步改善传热。在压力封隔器的注入通道内提供的冷却的氢气可从压缩机的部分(例如，往复式活塞杆)吸收热量。氢气可以吸收热量，载有热量的氢气可经由相对于一个或多个注入通道相应地配置的一个或多个排气口从压力封隔器和压缩机移除。排气口可经由流体回路联接至冷却系统，例如，一个或多个冷却器，其中载有热量的氢气可以被冷却并再循环回到压缩机的进料流。以这种方式，由于注入通道的表面积增加，传热可以得到改善，并且消除了冷却系统流体与正被压缩的气体之间的交叉污染。

一般而言，提供用于冷却氢气压缩机的压力封隔器的装置、系统和操作方法。在一个方面中，提供了一种压力封隔器。在一个实施方案中，压力封隔器可以包括凸缘部分和联接到凸缘部分的多个封隔杯。多个封隔杯中的一个或多个封隔杯可以包括至少一个注入通道，该注入通道延伸穿过封隔杯并且终止于至少一个注入端口。压力封隔器还可以包括与多个封隔杯中的至少一个封隔杯邻接的密封件。

在另一个实施方案中，压力封隔器可以包括至少一个排气端口，该至少一个排气端口与延伸穿过多个封隔杯的至少一个排气口流体连通。在另一个实施方案中，多个封隔杯和至少一个注入通道是使用增材制造技术形成的。在另一实施方案中，注入通道接收氢气，以冷却压力封隔器。在另一实施方案中，压力封隔器包围压力封隔器能够在其中操作的氢气压缩机的活塞杆。

在另一个方面，提供了一种生产用于氢燃料车辆的压缩氢气燃料的系统。在一个实施方案中，该系统可以包括氢气压缩机，该氢气压缩机包括压力封隔器。压力封隔器可以包括凸缘部分和联接到该凸缘部分的多个封隔杯。多个封隔杯中的一个或多个封隔杯可以包括至少一个注入通道，该注入通道延伸穿过封隔杯并且终止于至少一个注入端口。压力封隔器还可以包括至少一个排气端口，该至少一个排气端口与延伸穿过多个封隔杯的至少一个排气口流体连通。该系统还可以包括冷箱和多个流体回路，该多个流体回路将压力封隔器的至少一个排气口联接到冷箱。

冷箱是加氢站常用的设备，用于冷却输送到填充车辆的氢气。冷箱使用制冷来冷却氢气。冷箱的目的是通过降低氢气的温度来增加氢气的密度，从而增加单位体积的存储密度。一部分冷却的氢气可以从冷箱中转移并循环通过封隔杯冷却系统，从而消除对压缩机单独的制冷系统的需要。

在另一个实施方案中，多个流体回路可以被配置为将加热的氢气从至少一个排气口传送到冷箱并且进一步将冷却的氢气传送到至少一个注入通道，以冷却压力封隔器。在另一个实施方案中，该系统可以被配置在车辆加氢设施中，该车辆加氢设施被配置为产生并分配作为氢燃料车辆的燃料的压缩氢气。在另一个实施方案中，该系统以400kg/hr至500kg/hr的速率和850巴至900巴分配压缩氢气作为燃料。

附图说明

根据以下结合附图的详细描述，将更容易理解这些和其他特征，其中：

图1是示出根据本文所述的实施方式的用于压缩氢气的压缩机的一个示例性实施方案的图像；

图2是示出根据本文所述的实施方式的图1的压缩机的压力封隔器的一个示例性实施方案的侧视图的示图；并且

图3是示出根据本文所述的实施方案的用于冷却图2的压力封隔器的系统的一个示例性实施方案的示图。

应注意，附图不一定按比例绘制。附图仅旨在描绘本文所公开的主题的典型方面，因此不应视为限制本公开的范围。

具体实施方式

炼油厂使用的往复式氢气压缩机可以提供流速，但是压力限制在大约100巴。隔膜压缩机在氢燃料试验站中很常见，压力可达1000巴，但无法提供500kg/hr或更高的流速。高容量隔膜泵可以供应高达150kg/hr的氢气，但其尺寸与运输集装箱相当，因此在具有多个泵的配置中的使用受到限制。

电化学氢气压缩机的进步使用质子交换膜和电来迫使氢穿过屏障到达更高的压力。电化学压缩面临着所需材料的成本、低功率密度和大电超电势的挑战。使用金属氢化物或吸收的热驱动压缩是另一种选择，但是需要大型设备并且效率较低。机械压缩(特别是多级往复式活塞)是最有能力的示例，超级压缩机能够输送超过3000巴的压力。

氢脆、压缩速度和密封是设计和操作氢气压缩机时最关心的一些问题。ANSI/API标准618概述了往复式压缩机的工程指南。由于干密封要求和氢气环境，压力封隔情况下的最高温度限于135℃。压力封隔包含一系列密封压盖，可防止气缸孔与活塞杆之间的气体泄漏。

用于压缩气体的压缩机(例如，往复式压缩机)产生热量，该热量必须消散或减轻，以保护压缩机免受损坏。高压氢气压缩产生大量的热量，这会导致压缩机的部件(例如，在压缩机中配置的压力封隔器的密封元件)的过度磨损。当压缩氢气时，有利的是在联接到压缩机的冷却系统中使用氢气以避免冷却系统气体或流体与使用压缩机形成的工艺气体之间的污染。

如上所述，冷箱是加氢站常用的一种设备，用于将氢气输送到车辆的温度降低至-40℃。现有的设备可用于冷却氢气，氢气用于冷却压缩机部件。使用冷氢气来冷却压力封隔器的优点包括氢气的高热容量(在135℃14.5kJ/kg*K)、低压降以及消除来自泄漏的污染的风险。与例如水或氦相比，氢气的热力学性质使其理想地适用于压缩机冷却系统中的传热。水会导致正被压缩的氢气的交叉污染，并且氦气的成本高昂。氢气的每单位重量的热容是水的三倍，热导率约为水的三分之一。氢气还具有比水更低的粘度，例如，在875巴和135℃氢气为0.01cP，而在135℃水为0.2cP。因此，本文所述的冷却系统可为压缩机的压力封隔器提供更大的冷却，因为氢气的粘度较低，可以将更多的氢气用于冷却。因此，在可使用增材制造技术的压力封隔器内生产的精密设计的冷却通道可以保持温度限制，而不超过美国石油协会(API)针对往复式压缩机推荐的最大压降1.7巴。在所讨论的实施方案中，冷箱是冷却回路。每个单独的冷却回路用于保持密封元件之间的压差。设计的几何形状经过优化，以提高传热速率。

本文所述的冷却系统包括具有多个注入通道的往复式氢气压缩机的压力封隔器，可通过这些注入通道分配氢气。包括注入通道的压力封隔器的部分可以使用增材制造技术来形成，以产生比可使用传统管道和流体导管形成的通道配置更复杂的通道配置，由此增加冷却系统的传热能力。当与外部冷却源(例如，在氢车辆加氢站处的冷箱)联接时，经冷却的氢可从冷箱提供到压力封隔器，以吸收由压缩机和/或压力封隔器产生的热量。加热的氢气然后可经由在压力封隔器中配置并且联接到一个或多个流体回路的一个或多个排气口返回到冷箱，以用于冷却。流体回路可将加热的氢气传送到冷箱，在冷箱中，可移除热量，新鲜冷氢气可再循环回到压力封隔器的注入通道。

本公开的实施方案描述了一种用于在氢车辆加氢环境中使用氢气来冷却氢气压缩机的压力封隔器的装置、系统和方法。然而，可以理解的是，本公开的实施方案可以无限制地用于冷却在除了氢车辆加氢环境之外的环境中配置的其他压缩机部件。

图1是示出根据本文所述的实施方式的用于压缩氢气的压缩机100的一个示例性实施方案的图像。压缩机100可以是往复式压缩机，其被配置为压缩氢进料流输入并且输出压缩氢气。如图1所示，压缩机100可以包括曲轴箱105。曲轴箱105可以联接到在间隔片115中配置的十字头110。间隔片115还可以包括刮油器120和活塞杆125。活塞杆125可经由十字头110联接到曲轴箱105，使得曲轴箱105的旋转引起活塞杆125向前驱动和向后缩回。活塞杆125可延伸穿过压力封隔器130，以与活塞130联接。当活塞杆125通过压力封隔器130向前驱动和向后缩回时，产生热量。如果没有消散或减轻，则由活塞杆125穿过压力封隔器130及其密封部件的运动所产生的热量会对压力封隔器130的密封件、压力封隔器130本身和/或压缩机100造成损坏。

图2是示出根据本文所述的实施方式的图1的压缩机100的压力封隔器130的一个示例性实施方案的侧视图的示图。如图2所示，压力封隔器130可联接到压缩机的缸体205。压力封隔器130可以包括凸缘210，螺栓215可通过该凸缘将压力封隔器130固定到缸体205。压缩机100的活塞杆125可延伸穿过压力封隔器130，并且可由密封件220包围。当活塞杆125在密封件220内行进，以向前和向后驱动活塞135时，可在密封件220处产生热量。过多的热量会导致密封件220失效并损坏压力封隔器130和/或压缩机100。在一些实施方案中，离子液体润滑剂可用于润滑压力封隔器130的部分，以帮助减少磨损，并且与本文所述的压力封隔器冷却系统结合，以产生最少的热量。离子液体润滑剂是有利的，因为离子液体润滑剂不会像烃基润滑剂那样溶解在氢气中，可以容易地从由压缩机100输出的压缩氢气中过滤出来。另外，离子液体可用作润滑剂，因为离子液体的有益性质包括易燃性、非挥发性和高热稳定性。

如图2进一步所示，压力封隔器130包括包围活塞杆125的一个或多个封隔杯，封隔杯可以被统称为封隔杯225。图2中示出了四个封隔杯，例如，封隔杯225A、225B、225C和225D。一个或多个封隔杯225可以包括一对封隔环230，如封隔杯225A、225B和225D中所示。封隔环(统称为封隔环225)可以减少活塞杆125与封隔杯225的面向活塞杆125的表面之间的接口处的摩擦。

注入通道235被配置为延伸穿过封隔杯225并与活塞杆125流体接合。尽管图2示出了在压力封隔器130中配置的单个注入通道235，但是附加的注入通道也可以被配置为使得压力封隔器130包括一个或多个注入通道235。注入通道可以分叉，以对应于封隔杯225的数量。注入通道235可以包括一个或多个注入端口，例如，注入端口240A、240B和240C，这些注入端口可统称为注入端口240。冷却的氢气(例如，冷却到-40℃的氢气)可从源(也称为冷箱)接收并经由注入通道235和注入端口240提供到压力封隔器130中。

由往复式活塞杆125产生的热量可以被氢气吸收并经由一个或多个排气端口245传送离开往复式活塞杆125。例如，如图2所示，压力封隔器130包括三个排气端口245(例如，排气端口245A、245B和245C)，每个排气端口被配置为与特定封隔杯225中的三个注入端口240A、240B和240C相对应。在一些实施方案中，封隔杯225可以包括一个或多个注入端口240、排气端口245对。在一些实施方案中，注入端口240的数量和配置可以不对应于排气端口245的数量和配置。可以在压力封隔器130中无限制地提供任何数量或配置的注入端口240和排气端口245。

排气端口245可联接到相应的排气口250。例如，排气端口245A可将加热的氢气流体传送到排气口250A。压力封隔器130和封隔杯225可以包括非限制性数量和配置的排气端口245和排气口250，而没有限制。排气口250可经由一个或多个流体回路联接到冷源(例如，冷箱)，流体回路被配置为将加热的氢气传送到冷箱，用于热回收。在一些实施方案中，排气口250和流体回路可以配置成级联布置。

增材制造技术可用于形成封隔杯225、注入通道235、注入端口240、排气端口245和/或排气口250。

图3是示出根据本文所述的实施方案的用于冷却图2的压力封隔器130的系统300的一个示例性实施方案的示图。如图3所示，流体回路305可以被配置为对应于与特定封隔杯225相关联的排气口250和/或与该排气口流体连通。图3中示出了三个流体回路305(例如，流体回路305A、305B和305C)。每个流体回路305可以联接到冷源，例如，冷箱310。冷箱310可以接收氢原料315并且可以冷却该原料，以产生冷却的氢工艺流320。在一些实施方案中，系统300可以被配置在车辆加氢环境或设施325中，例如，被配置为使用压缩氢气对车辆330进行加氢或补充氢气的环境或设施。车辆330可以包括重型车辆，例如，8级牵引拖车、铲车、冷藏集装箱、轨道车或卡车。系统300可以配置为以400kg/hr至600kg/hr之间的流速、500巴至900巴之间的压力以最小的污染输送作为压缩氢车辆燃料的冷却的氢工艺流320。在一些实施方案中，系统300以500kg/hr的流量和875巴的压力输送作为压缩氢车辆燃料的冷却的氢工艺流320。来自压缩机的不同级的不同压力的冷却的氢气可用于级联冷却配置中，其中较高压力的氢气冷却在外侧(活塞侧)，较低压力的氢气冷却在内侧。级联冷却的优点在于，能够更多地控制移除多少热量以及密封元件之间的压差。

该方案的优点在于，利用氢气的热物理特性进行冷却，并且不适用于大多数其他气体。除了氢气之外，氦气也是可以使用的气体。

该方案的另一个优点在于，可以应用于所有的封隔杯并且与分段密封件配合使用，从而可能防止所有密封件磨损。

本发明的另一个优点在于，注入旁路氢气，以保持压差。现有技术使用受控排气。此外，注入的氢气还可用于冷却和保持密封件上的压差。

作为非限制性示例，本文所述的装置、系统和方法的示例性技术效果包括改进氢气压缩机的压力封隔器的冷却。压力封隔器可以使用增材制造技术来形成，以形成注入通道和排气口，注入通道和排气口可以更彻底地与压缩机的发热部分接合并且更有效地进行热传递，以保持压缩机的安全操作。压力封隔器可以通过氢气供应进行冷却，与现有的水冷式冷却系统相比，这可以减少与工艺气体的交叉污染并提高传热能力。本文所述的冷却系统可以被配置在氢车辆加氢环境或设施中，并且可以联接到其中的冷箱，以经由一个或多个级联流体回路接收氢气供应，以用于冷却压力封隔器。

描述了某些示例性实施方案，以提供对本文所公开的系统、装置和方法的结构、功能、制造和使用的原理的全面理解。这些实施方案的一个或多个示例已在附图中示出。本领域技术人员将理解的是，本文中具体描述且在附图中示出的系统、装置和方法是非限制性的示例性实施方案，并且本发明的范围仅由权利要求限定。结合一个示例性实施方案示出或描述的特征可与其他实施方案的特征组合。此类修改和变型旨在包括在本发明的范围内。此外，在本公开中，实施方案的相似命名的部件通常具有类似的特征，因此在具体实施方案内，不一定完全阐述每个相似命名的部件的每个特征。

如本文在整个说明书和权利要求书中所用的，近似语言可用于修饰任何定量表示，该定量表示可有所不同但不导致与其相关的基本功能的变化。因此，由一个或多个术语诸如“约”、“大约”和“基本上”修饰的值不应限于所指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可对应于用于测量该值的仪器的精度。在此以及在整个说明书和权利要求书中，范围限制可组合和/或互换，除非上下文或语言另外指明，否则此类范围被识别并包括其中所包含的所有子范围。

基于上述实施方案，本领域技术人员将了解本发明的其他特征和优点。因此，除所附权利要求书所指示的以外，本申请不受已具体示出和描述的内容的限制。本文所引用的所有出版物和参考文献均明确地全文以引用方式并入。

Claims (12)

1.一种压力封隔器，包括：

凸缘部分；

多个封隔杯，所述多个封隔杯联接到所述凸缘部分，其中所述多个封隔杯中的一个或多个封隔杯包括至少一个注入通道，所述至少一个注入通道延伸穿过所述封隔杯并且终止于至少一个注入端口；和

密封件，所述密封件与所述多个封隔杯中的至少一个封隔杯邻接。

2.根据权利要求1所述的压力封隔器，还包括至少一个排气端口，所述至少一个排气端口与延伸穿过所述多个封隔杯的至少一个排气口流体连通。

3.根据权利要求1所述的压力封隔器，其中所述多个封隔杯和所述至少一个注入通道是使用增材制造技术形成的。

4.根据权利要求1所述的压力封隔器，其中所述注入通道接收氢气，以冷却所述压力封隔器。

5.根据权利要求1所述的压力封隔器，其中所述压力封隔器包围所述压力封隔器能够在其中操作的氢气压缩机的活塞杆。

6.一种生产用于氢燃料车辆的压缩氢气燃料的系统，所述系统包括：

包括压力封隔器的氢气压缩机，所述压力封隔器包括：

凸缘部分；和

多个封隔杯，所述多个封隔杯联接到所述凸缘部分，其中所述多个封隔杯中的一个或多个封隔杯包括至少一个注入通道，所述至少一个注入通道延伸穿过所述封隔杯并且终止于至少一个注入端口；

至少一个排气端口，所述至少一个排气端口与延伸穿过所述多个封隔杯的至少一个排气口流体连通；

冷却回路；和

多个流体回路，所述多个流体回路将所述压力封隔器的所述至少一个排气口联接到冷箱。

7.根据权利要求6所述的系统，其中所述多个流体回路被配置为将加热的氢气从所述至少一个排气口传送到所述冷却回路并且进一步将冷却的氢气传送到所述至少一个注入通道，以冷却所述压力封隔器。

8.根据权利要求6所述的系统，其中所述冷却回路是冷箱。

9.根据权利要求6所述的系统，其中单独的冷却回路用于保持密封元件之间的压差。

10.根据权利要求6所述的系统，其中设计的几何形状经过优化，以提高传热速率。

11.根据权利要求7所述的系统，其中所述系统被配置在车辆加氢设施中，所述车辆加氢设施被配置为产生并分配作为所述氢燃料车辆的燃料的压缩氢气。

12.根据权利要求11所述的系统，其中所述系统以400kg/hr至500kg/hr的速率和850巴至900巴分配所述压缩氢气作为燃料。