扁平钢带交错缠绕式高压储氢容器的安全可靠性分析

氢能是近年来研究较多的清洁新能源之一。在氢能利用上,氢的安全储运是整个氢能利用的关键技术之一,而氢的储运目前仍然以高压储氢为主,高压储氢容器是氢的储运关键核心设备。扁平钢带交错缠绕式高压容器以其制造成本低、可靠性高、易于实现在线监控、失效具有抑爆等特点而有利于应用在高压储氢。从该类容器的环向强度、轴向强度、钢带预应力控制、疲劳强度、抑爆性能和在线监控等方面用实例加以分析。     

加氢站高压储氢容器安全性分析

氢能作为“能源互联网”的纽带,不仅来源广泛、低碳环保、灵活高效、应用场景多,还便于储备和运输。氢气储运是氢能发展中的重要环节,而高压储氢容器的安全性是长期困扰氢气储运的问题。以加氢站固定式高压储氢容器为研究对象,针对不同结构的加氢站系统,总结了其中储氢容器的特点。对近3年储氢系统中高压储氢容器发生的事故进行汇总,从设计、配件、设备、人才方面存在的安全问题进行分析,并提出安全性相关的建议,对未来高压储氢容器的发展方向进行了展望。     

碳纤维复合材料高压储氢容器研究与结构设计

氢能的储运技术是氢能利用的关键环节之一。对车用燃料氢气的储存技术进行了综述和比较,提出高压储氢是氢气储存的主要方向之一。阐述了碳纤维复合材料高压容器的技术原理和结构特点,通过改进压力容器的结构形式,达到防止氢气渗漏、延长容器使用寿命、提高系统储氢量等综合性能。     

轻质复合材料高压容器的研究和结构设计

轻质复合材料高压容器的应用越来越广泛,随着氢能和天然气等清洁燃料在汽车中的应用,其轻量化和安全性的研究显得特别重要。主要进行高压储氢容器的研究与结构设计,该结构采用高强度铝合金内胆、外缠绕高强度纤维复合材料构成压力容器,它具有质量轻、防渗漏、耐压能力强等特点;通过提高储氢压力和减轻容器重量来提高储氢密度,储氢密度可达到5%以上;设计中改进了纤维缠绕的预应力分布,在操作时降低了铝内胆的平均应力,提高了容器的抗疲劳性能和综合安全性能。     

氢能发展的意义及储氢技术现状

本文对氢能发展的意义进行了介绍，阐述了我国近几年在氢能源发展和氢燃料电池车方面的相关支持性文件。并针对氢能储运环节，分别介绍了国内高压气态储氢、低温液态储氢、金属氢化物储氢和有机液态储氢四种方式的发展现状以及标准研究现状。     

制储氢技术经济性分析与前景展望

氢气不仅是一种重要的工业资源，也是“零碳社会”下重要的清洁能源，氢能技术在交通、能源、冶金和化工等领域拥有广阔的应用前景。不过，生产成本、储运技术、安全问题等也长期制约着氢能，尤其是绿氢的应用发展。应明确的是，无论高压储运、氢液化等物理储运方式，或基于“Power to X”策略的化学储氢方式，均难以避免高额的全周期能耗。在理解过程能效，考虑不同储运方式下氢能全生命周期成本的基础上，对比各类技术经济性。其中，液氢和液氨的燃料利用途径在不同时期下均具有良好的经济性，更适宜用作氢能大规模供热供电场下的储运技术。基于此，对制、储氢技术及成本期望进行了归纳，并讨论了氢(氨)能源在大规模发电领域应用的技术经济问题，借鉴不同国家地区氢能发展思路，以期对我国氢能储运技术发展提供参考。     

氢能未来与储氢金属材料技术

氢能是21世纪的重要二次能源。介绍了氢气的储运技术，特别是金属氢化物储氢技术的原理和特性。简要介绍了由普通氢气制备高压高纯氢气的装置和工艺流程。     

固体储氢材料的研究进展

氢的廉价制取、安全储运以及高效应用是目前氢能研究领域的重点,而安全、高效的氢储运是实现氢能规模化应用的技术关键,因此高容量固态储氢材料的研发具有重要的学术意义和应用价值。固体材料储氢因储氢密度大、安全系数高而成为最有前景的储氢技术,得到了研究者们的广泛关注。本文针对目前国内外固体储氢材料研究现状,论述了几种固体储氢材料的研究进展,包括物理吸附类储氢材料、金属基储氢材料、配位氢化物和水合物储氢材料。重点评述了固态储氢材料中最具发展潜力的镁基储氢材料,并阐述了合金化、纳米化、添加催化剂以及复合轻金属配位氢化物等几种改性方法对镁基储氢材料储氢机理、微观结构、热力学性能、动力学性能的影响。制氢-储氢-用氢一体集成化设计应是固态储氢尤其是镁基储氢产业化应用发展道路,而镁基固态储运氢技术的发展,将可能实现氢气安全高效及大规模储运。     

多层包扎式储氢压力容器研究进展

氢能具有能量密度高、污染少等特点，其储存与利用对于我国实现“双碳”目标具有重大的意义。层板包扎式压力容器是一种广泛应用于加氢站、制氢站和电厂的储氢装置，具有制造难度低、生产成本低和避免深焊缝对容器产生危害等优势，同时其实际应力分布状态是目前的研究难点。固定式高压储氢容器从结构和制造工艺主要分为绕带式和层板包扎式两类，对于绕带式储氢容器的研究和应用报道较多，而对层板包扎式储氢容器的研究和应用报道很少。为了推广这项技术，依照国内储氢工程现状，兼顾个性与共性问题，从材料、结构、设计方法、制造等方面综述了层板包扎式储氢容器的研究进展。     

车载储氢技术的发展现状及展望

氢能作为一种无污染的清洁新能源正日益受到重视,氢的存储和运输是氢能发展的关键问题。氢能在汽车上的应用正在得到研究。笔者综述了高压气态储氢技术、金属氢化物储氢技术、物理吸附储氢技术、液态有机化合物储氢技术和低温液态储氢技术的原理,总结了各种技术的优缺点,介绍了其研究现状,并对车载储氢技术的未来发展进行了展望。     

Design of a small solar-powered desalination system

A design is presented for a solar/thermal system configured to power a reverse osmosis (RO) desalination unit to produce 7000 gallons of fresh water in an eight hour period. A field of line-focus tracking solar collectors is used to heat a high pressure liquid-vapor water storage tank supplying two compound reciprocating steam engines, one direct-connected to the RO high-pressure pump and the other to an electric generator for auxiliary power. An auxiliary heating loop with an oil-fired boiler is also used to supply the steam engines.The system operates in either all-solar, all-oil, or mixed solar/oil modes. Primary operating mode is assumed to be a mixed solar/oil mode in which the oil-fired boiler is used only to prevent shutdown of the RO system during the course of a partly sunny day. In this mode, the RO system does not come on line in the morning until the solar collector field has brought the high-pressure storage tank to a point near maximum operating pressure. Thereafter, the oil-fired boiler comes on automatically whenever the storage tank is drawn down to a pressure near minimum full-power operation (due to inadequate or intermittent insolation) and remains on, supplying the steam engines, until the solar collectors have again brought the storage tank to the high-pressure cutoff.In the all-solar mode, the system continues to operate at reduced power as storage tank pressure drops below the point at which the oil-fired boiler would otherwise come on. A portion of the RO system is shut down to maintain pressure in the remainder.The all-oil mode is used whenever fresh water is required during non-sunny periods, or to increase fresh water production in sunny periods.     

高压空气储罐的可靠性分析

主要利用ANSYS有限元软件对高压空气储罐进行应力分析,获得了高压空气储罐的应力强度分布图,可知该高压空气储罐的最大应力强度发生在球壳与过渡段连接部位球壳内壁,最大应力为强度为345.215MPa。然后进行可靠性分析,经过分析获得了高压空气储罐在置信度为95%的情形下,初值极限状态Z0的概率平均值为3.264 8%,即说明容器的可靠度为96.735 2%,并绘制了Z在置信度为95%的情形下的分布图和输出结果参数的灵敏度图,通过此次分析证明了该储罐是安全的,再次证明了ANSYS软件为压力容器实际工程应用中提供了可靠的、高效的理论依据。     

高压氢气储运设施泄漏喷射火过程预测模型及其验证

近年氢能已迅速成为能源领域“新宠”,正在迎来快速发展的战略机遇期,但氢安全问题仍然是制约其发展的关键,尤以高压氢气储运设施泄漏后引发喷射火灾害较为突出。为了探究高压氢气泄漏过程并对其引发喷射火灾特性参数变化进行评估,本文采用理论分析和实例验证相结合的方法对两起高压氢气泄漏实验案例（90 MPa氢气瓶和6 MPa氢气管道）进行了研究。结果表明：通过模型精度检验,Abel-Nobel气体状态方程适用于当前常用的多种高压氢气储运设施泄漏过程的描述。基于Abel-Nobel气体状态方程、火焰尺寸模型、辐射分数模型和热辐射模型构建的高压氢气泄漏喷射火过程预测模型对实验案例中的泄漏出口气体质量流量、氢喷射火焰长度和辐射热场等的模拟计算结果与实验测量数据基本一致,验证了模型有效性及所含假设合理性。另外在计算中还需要结合实际情况充分考虑高压氢气储运设施发生泄漏时产生的能量损失以及等温流动过程,从而对模型预测精度进行修正。上述结论对于工程实际、氢能安全利用以及灾害预防等具有重要现实意义。     

氢能储存技术最新进展

氢能是全球能源技术革命的重要发展方向,在氢能产业发展过程中,开发高效、安全和低成本的氢能储存技术是实现大规模用氢的必要保障和关键。本文综述了当前主流的四种氢能储存技术,即高压气态储氢、低温液态储氢、有机液态储氢、固体材料储氢的原理和技术特点,分析整理了这几种储氢技术的优缺点,讨论了各类储氢方式的最新研究现状和面临的关键挑战,并对未来储氢技术的优化和发展趋势进行了展望。可以发现,为了提高储氢量,研究人员都将重心放在开发具有成本效益、提高能量密度的储氢技术上。其中,高压气态储氢应着力开发低成本、高性能的碳纤维复合材料,降低Ⅳ型瓶的成本;低温液态储氢应把研究重点放在降低液压成本以及寻求廉价易得的保温材料上;对于有机液态储氢来说,寻求高效催化剂可以大幅度提高其储氢能力;固体材料储氢应着力研发高效催化剂,寻求可以提高氢气与材料相互作用力的途径。政府、企业及科研院应大力推进储氢技术的研究,加速氢能产业发展,早日实现碳中和目标。     

Concept,Design and Manufacture of a Prototype Hydrogen Storage Tank Based on Sodium Alanate

In the framework of the EC project STORHY (Hydrogen Storage for Automotive Applications), the prototype of a solid storage tank for hydrogen based on sodium alanate was developed. A storage tank containing 8 kg sodium alanate was designed and manufactured with the objective of fast refueling. To obtain the optimum design of the storage tank a simulation tool was developed and validated by experiments with a laboratory‐scale tubular reactor. Application of the simulation tool to different storage concepts and geometries yielded the final design. The chosen concept is modular, enabling simple scale‐up. This is the basis for the future development of fuel cell vehicle storage tanks containing 5 kg of hydrogen.     

Preliminary evaluation of the performance of an adsorption‐based hydrogen storage system

Using modeling and thermal simulations, the feasibility of an adsorption‐based hydrogen storage system for vehicles is evaluated. The storage capacity of a 150 L tank filled with a high surface‐area activated carbon is mapped for temperatures from 60 to 298 K and pressures up to 35 MPa. The thermal simulations are verified using experiments. For a storage capacity target of 5 kg, the adsorption‐based storage system will offer a storage advantage over the cryogenic gas storage if the residual mass of hydrogen in the tank is retrieved by heating. For a discharge rate of 1.8 g/s, the required heat is of the order of 500 W. The net energy requirements for the refueling has contributions from compression, precooling and tank cooling and can approach that for liquid hydrogen storage. With a good insulation and a maximum tank pressure of 35 MPa, the dormancy period can be extended to several weeks. © 2009 American Institute of Chemical Engineers AIChE J, 2009     

柴油加氢尾气中氢气的水合物法回收工业侧线试验

常规氢气回收方法的产品氢气压力偏低,需多级增压后才可被高压加氢装置利用,具有较高的氢气增压成本。水合物法回收加氢尾气具有压降损失小、产品氢气压力高的优点,可降低高压加氢装置的氢气增压成本。为降低高压加氢装置的用氢成本,本文开发了高压尾气的水合物法氢气回收技术。针对高压柴油加氢尾气,在茂名炼油厂建立了一套柴油加氢尾气中氢气水合物法回收的工业侧线试验装置,考察了不同条件下连续搅拌釜法回收柴油加氢尾气中氢气的分离效果。试验结果表明,水合物法可高效脱除CH₄和大部分的H₂S。连续进气工况下,处理脱硫后尾气时可将氢气体积分数从83.76%提高至91.65%,处理含硫尾气时可将H₂S体积分数从0.73%降至0.07%。     

NHD溶液脱碳高压闪蒸槽的改造总结

水煤浆气化装置由于净化脱碳系统负荷达到70%时,高压闪蒸槽多次出现带液现象。对高压闪蒸槽内部进行二次结构改造,但效果不理想,后又通过增加一套高压闪蒸槽的方法,彻底解决了高压闪蒸槽带液问题,通过4a的稳定运行表明,高压闪蒸槽改造是非常成功的。     

Design and optimization of hydrogen storage units using advanced solid materials: General mathematical framework and recent developments

This review presents the general mathematical framework of modeling, design and optimization of hydrogen storage using advanced solid materials. The emphasis is given on metal hydride storage tanks, since these systems have been well studied in the literature, both theoretically and experimentally, and are expected to offer significant advantages when current research and development efforts succeed in commercializing the required technology. Enhanced cooling during hydrogen filling of the storage tank is found to be essential to improve hydrogen storage time requirements. For this reason several innovative design strategies for heat exchanger configurations are presented and evaluated in terms of process design and performance improvement. Finally, control and optimization of certain operating conditions can also have a significant impact in hydrogen storage operation.     

固定式燃料电池储氢气瓶的研制

以固定式燃料电池储氢气瓶的广泛应用为背景,对12L碳纤维全缠绕储氢气瓶的开发进行了研究。本文对CYD-128树脂浇铸体的拉伸性能进行了测试,同时开展了T700-12K/CYD-128复合材料NOL环的层间剪切试验。在此基础上,利用商业CADWIND软件,根据气瓶的技术指标对其进行了碳纤维的缠绕铺层设计,并利用ANSYS有限元应力分析,以对复合材料气瓶的缠绕工艺方案进行验证。根据设计的线型完成35 MPa高压储氢气瓶的缠绕,各项指标均满足使用要求。