Заправка водородных баллонов: совместимость материалов, требования к отсутствию масла и основные отличия от заправки кислородом.

Заправка водородных баллонов: одна платформа, разные инженерные решения.

Когда газораспределительная компания или предприятие по производству промышленных газов добавляет возможность заправки водородных баллонов к существующему оборудованию для заправки кислородом и азотом, первоначально часто предполагается, что заправка водородом — это просто еще один газ, заправляемый тем же оборудованием. Это предположение частично верно — мы действительно поставляем компрессоры для заправки водородных баллонов на той же безмасляной поршневой платформе ZW, что и наши установки для заправки кислородом и азотом, — но оно скрывает несколько важных инженерных различий, которые необходимо учитывать при выборе спецификаций, материалов и эксплуатации оборудования.

Водород представляет собой уникальную проблему в качестве газа для сжатия по трем причинам: он имеет наименьший размер молекул среди всех элементов, что делает его чрезвычайно склонным к утечкам; он вызывает водородное охрупчивание многих марок стали при повышенном давлении; и он образует горючую смесь с воздухом в широком диапазоне концентраций (от 4 до 751 TP3T об./об.). Ни одно из этих свойств не влияет на эффективность сжатия так же, как, например, высокая молекулярная масса влияет на пропускную способность — они влияют на выбор материала, конструкцию герметизации, классификацию опасных зон и требования к вентиляции зданий.

В данной статье рассматриваются инженерные решения, специфичные для работы с водородом, при условии, что читатель уже понимает общие принципы безмасляного поршневого сжатия, рассмотренные в наших предыдущих статьях.

Почему водородное охрупчивание важно при заполнении баллонов

Водородное охрупчивание — это процесс, при котором атомарный водород диффундирует в кристаллическую решетку стали, снижая ее трещиностойкость, пластичность и усталостную прочность. Он происходит при контакте стали с молекулярным водородом под высоким давлением, который диссоциирует на атомарный водород на поверхности стали. Атомарный водород достаточно мал, чтобы диффундировать в микроструктуру стали.

Восприимчивость данной стали к водородному охрупчиванию зависит от:

• Марка и уровень прочности стали: Более прочные стали более подвержены риску — углеродистые стали с пределом прочности на растяжение выше примерно 900 МПа считаются подверженными повышенному риску. Стандартные углеродистые стали для сосудов под давлением (например, SA-516 Grade 70 с пределом прочности на растяжение около 485 МПа) имеют относительно низкую подверженность риску.
• Давление водорода: Восприимчивость возрастает с увеличением парциального давления водорода. При 150 бар (15 МПа) риск водородного охрупчивания значителен для чувствительных материалов.
• Температура: Наиболее критическим диапазоном для водородного охрупчивания является комнатная температура и температура немного выше нее. Очень высокие или очень низкие температуры снижают риск.
• Циклическая нагрузка: Скорость роста усталостных трещин в водородной атмосфере может быть значительно выше, чем на воздухе, для подверженных этому материалов — это важно для компонентов, которые подвергаются циклическим перепадам давления во время эксплуатации.

В компрессоре для заправки баллонов наибольшему риску подвержены следующие компоненты: корпус баллона конечной ступени, поршневой шток и сальник конечной ступени, узел выпускного клапана и трубопровод высокого давления. Все эти компоненты должны быть изготовлены из материалов, совместимых с водородом.

Выбор материалов для водородного топлива

На практике изменения в материалах для работы с водородом ограничиваются главным образом заключительной ступенью и системой разряда, где давление является максимальным. Первые одна-три ступени, работающие при умеренном давлении, используют те же материалы, что и варианты для кислорода и азота.

Проектирование герметизирующих систем: проблема герметичности

Молекулы водорода примерно в 14 раз меньше молекул азота и имеют вязкость примерно в 7 раз ниже. Эти свойства означают, что водород просачивается через зазоры, которые были бы газонепроницаемы для азота или кислорода. В поршневом компрессоре критически важными местами уплотнения являются:

• Сальниковая набивка штока поршня: Уплотнение между компрессионным цилиндром и распорным элементом. Утечка водорода через вентиляционные отверстия уплотнения штока происходит через вентиляционное отверстие распорного элемента — при работе с водородом это вентиляционное отверстие должно выводить водород в безопасное место за пределами здания, а не в окружающий воздух внутри компрессорной.
• Фланцы и крышки корпусов клапанов: Во всех статических соединениях в системе высокого давления необходимо использовать герметизацию «металл к металлу» или металлические прокладки, заключенные в ПТФЭ. Стандартные прокладки из спрессованного волокна, хорошо зарекомендовавшие себя в условиях работы с кислородом и азотом, могут допускать недопустимую утечку водорода.
• Соединения выпускных трубопроводов: Резьбовые соединения не рекомендуются для использования в водородной среде при давлении выше приблизительно 3 МПа. Предпочтительнее использовать сварные или фланцевые соединения с металлическими кольцевыми прокладками.
• Подключения измерительных приборов: Все соединения манометров и датчиков давления в секции высокого давления следует выполнять сваркой или с использованием трубных фитингов с металлическим уплотнением (Swagelok или аналогичные), а не резьбовых соединений.

Классификация опасных зон и вентиляция

Водород образует с воздухом легковоспламеняющуюся смесь в концентрациях от 41Т3Т до 751Т3Т по объему. Такой широкий диапазон воспламеняемости означает, что даже небольшая утечка может создать легковоспламеняющуюся атмосферу. Любое помещение, содержащее оборудование для сжатия водорода, должно быть классифицировано как опасная зона и спроектировано соответствующим образом.

Типичная классификация компрессорной камеры для заправки водородных баллонов:

• Зона 1 (согласно IEC 60079-10-1): Пространство в пределах 1 метра от любого соединения газопровода водорода или потенциального места утечки, включая выходное соединение компрессора, крышки клапанов и вентиляционное отверстие распорной детали.
• Зона 2: Внутреннее устройство компрессорной, при условии надлежащей вентиляции (как правило, не менее 12 воздухообменов в час).

Все электрооборудование, установленное в компрессорном помещении, должно соответствовать классификации зоны. Наши компрессорные двигатели и панели управления для работы с водородом соответствуют требованиям ATEX зоны 1 или зоны 2, в зависимости от ситуации, и имеют взрывозащищенные (Ex d) или взрывозащищенные (Ex e) корпуса.

Вентиляция обязательна. Компрессорное помещение должно быть механически вентилируемым с подачей воздуха снизу и вытяжкой сверху (водород легче воздуха и накапливается на уровне потолка). На уровне потолка должен быть установлен детектор водорода со звуковой и визуальной сигнализацией и автоматическим включением вентилятора. Некоторые национальные нормативные акты также требуют автоматического отключения компрессора при срабатывании сигнализации о высокой концентрации водорода.

Безмасляная работа: одно и то же требование, разные рассуждения.

В случае кислорода требуется безмасляная компрессия, поскольку загрязнение маслом создает риск возгорания и взрыва в присутствии кислорода под высоким давлением. В случае водорода причины иные, но вывод тот же.

Требования к чистоте водорода для наиболее требовательных применений в последующих отраслях — снабжение топливных элементов, реакторы гидрирования, производство полупроводников, калибровочный газ — предусматривают общее содержание масла менее 0,01 мг/м³ (ISO 8573-1 Класс 0). Загрязнение водорода маслом также наносит ущерб:

• Мембранно-электродные сборки (МЭС) топливных элементов: Даже следовые отложения масла на протонно-обменной мембране необратимо снижают эффективность и срок службы элемента.
• Катализаторы в реакторах гидрирования: Масло отравляет активные центры на нанесенных на подложку металлических катализаторах, вызывая необратимую деактивацию.
• Точность калибровочного газа: Загрязнение водородной калибровочной смеси маслом изменяет ее состав и делает недействительной ее сертификацию.

В наших компрессорах серии ZW для заправки водородом используются поршневые кольца из ПТФЭ с сухим ходом на всех ступенях, с той же конструкцией разделительных элементов, что и в кислородных вариантах. Выходной водород соответствует классу 0 по стандарту ISO 8573-1 без последующей фильтрации.

Сравнение: заправка баллонов кислородом, азотом и водородом.

Может ли один и тот же компрессор заправлять как кислородом, так и водородом?

Технически, один и тот же аппарат может быть сконфигурирован на заводе для работы с обоими газами, но мы не рекомендуем использовать один компрессор для заправки как кислородных, так и водородных баллонов. Причины тому — практические:

• Переключение газопровода с кислорода на водород требует полной продувки и очистки азотом всех поверхностей, контактирующих с газом, — это трудоемкая процедура, создающая сложности в эксплуатации.
• Баллоны с кислородом и водородом необходимо заправлять в отдельных помещениях с разным уровнем безопасности — использование одного и того же компрессора в обоих помещениях требует перемещения аппарата или прокладки длинных нагнетательных трубопроводов.
• Риск перекрестного загрязнения кислорода и водорода — даже в следовых количествах — неприемлем: загрязненный водородом кислородный баллон представляет серьезную опасность взрыва.

Мы поставляем специализированные компрессоры для каждого вида газа, использующие одну и ту же платформу ZW и множество общих компонентов, но сконфигурированные и очищенные специально для конкретного вида газа.

Для обсуждения технических характеристик компрессора для заправки водородных баллонов посетите наш сайт. страница компрессора для заправки баллонов азотом и водородом или свяжитесь с нашей инженерной командой с данными вашего технологического процесса.