1、书书书设 计 研 究 年 期（总第 期）超高压隔膜压缩机热力工作过程与动力性能研究杨侨明，王高峰，赵兆瑞（广东佛燃科技有限公司，广东 佛山 ；上海理工大学，上海 ）摘要：氢气具有极佳的碳减排功效，目前应用快速范围不断扩大，需求量快速上升。而氢气储存与运输问题较大，通常需要高压加氢站的大容量供给，其中超高压氢气压缩机为核心技术与难点，通常采用隔膜压缩机进行设计开发。针对应用于加氢站的超高压隔膜压缩机进行热力学与动力学研究，分析其运行性能与稳定性在不同进气压力情况下的变化。结果表明：输气量随吸气压力的上升而快速上升，而功耗上升速度较慢；排气温度随吸气压力变化，有 的升高；活塞力变化强烈，且有反向力
2、作用，适合有对置配置平衡活塞力。关键词：加氢站；氢气压缩机；隔膜压缩机；热力性能；动力分析中图分类号：文献标志码：文章编号：（）收稿日期：基金项目：国家自然科学基金（），（，；，）：，：；设 计 研 究 年 期（总第 期）引言在碳中和目标下啊，煤炭、石油等传统化石能源的消费比重正在持续下降，非化石能源的消费比重将会持续增长。氢能作为一种高热值、多来源、可持续的二次清洁能源，作为“零碳”能源具有不俗的减碳能力，据国际氢能委员会预测，年氢能的规模化应用可减排 ，为目标减排量的 。是构建以可再生能源为主体的多元能源结构的重要载体，其制取、安全致密储输和高效利用技术已成为世界能源技术变革的重要方向 。
3、氢燃料电池产业能够使氢能源用于交通运输，代替传统的燃油车，实现零碳和零颗粒排放 。而在氢燃料电池车发展过程中，必须要建设大量的加氢站作为保障性基础设施。其中氢气压缩机能够高效、安全的将氢气进行增压处理，是加氢站的核心设备，同时也是加氢站产生故障的主要因素之一 。因此实现高效、高压、大排量的可靠氢气增压是氢能技术发展的重中之重。然而，截至 年年底，我国已建成加氢站 座，氢燃料电池汽车保有量约 辆，从数量和分布上都难以满足碳中和需求。究其原因，不仅由于氢燃料电池中的高压储存问题，更由于对高压氢燃料的供给难度问题，使得加氢站的设计加工工作步履缓慢，而其中氢气压缩机作为核心部件，难度较大。隔膜式压缩机
4、主要依靠活塞挤压液压油，从而由液压油带动金属膜片，最终依靠金属膜片完成对氢气的压缩。由于膜腔中压缩介质不与润滑油接触，且膜片密封性能好 ，所以隔膜式压缩机适合压缩高纯氢气且气体无泄漏，是加氢站建设的首选机型。在本文中，对隔膜式压缩机的核心动力性能，以及运转过程中的动力性能进行分析计算，并预测其应用于加氢站工况下的性能优化方法，旨在为未来氢燃料电池汽车的开发应用奠定基础。系统分析与计算方法在常规加氢站中，分为站外制氢加氢站和站内制氢加氢站两种，分别通过自身设备产氢储氢供氢，或通过氢气运输管路或载具运氢加氢。而无论哪种设备中，均需要通过氢气压缩机，提供 以上的供气压力，其中区别主要在于运输或产氢侧
5、压力的不同。因此，所选设备需要在较大的吸气压力变化范围内，保证高压氢气的供给，这非常适合隔膜式压缩机的应用。因此，在计算过程中，我们选择 作为排气压力，吸气压力在 内变化。选择一款容积流量为 的隔膜压缩机组进行预测分析，电动机直接驱动，并调用 进行氢气热物性计算。热力计算在热力计算中，主要基于所提供的工作状态参数与氢气热力学参数，基于多方压缩过程，计算在不同实际过程中，隔膜压缩机的输气量、功耗、效率、排气温度等参数，为后续动力计算提供基础。隔膜压缩机的压缩比由方程（）确定。（）式中 压缩比 压力，下标 和 分别表示排放和吸入图 加氢站设备流程图设 计 研 究 年 期（总第 期）通过方程（）初步
6、计算氢气的排气温度。（）式中 温度，绝热压缩过程指数体积系数 和流量系数 分别由方程（）和（）确定。（）（）（）式中 相对余隙容积 膨胀过程指数 压力系数 温度系数 泄漏系数进气条件下标准工况的排气量可以通过公式（）求得（）其中下标 表示标准工况。基于排气量和排气系数，通过公式（）求得行程容积（）对于单作用缸，气缸直径通过公式（）求得 槡 （）式中 气缸行程，压缩机转速，同级气缸数指示功率可以通过公式（）求得 ()（）式中 气缸实际行程容积，考虑压力损失后的气缸实际排、吸气压力，公称吸、排气状态下气体压缩性系数轴功率通过公式（）求得（）式中 压缩机机械功率，动力计算在动力计算中，主要基于热力计
7、算过程得到的压力、功耗等参数，结合隔膜压缩机运动过程，分析系统在不同转角、不同工况下的动力与转矩随时间变化关系，最终为电机与压缩机稳定性分析提供基础。图 表示曲柄连杆机构的几何关系。规定曲柄转角 的起始位置为外止点位置，即外止点时 ，任意转角 时活塞的位移为 ，速度为 ，加速度为 ，由此可得活塞的运动关系为 （）（）（）()（）（）（）式中 曲柄半径，连杆长度，曲柄半径与连杆长度之比 曲轴旋转的角速度，当压缩机正常运转时，主要有以下 种作用力：一是由气体压力产生的气体力；二是曲柄连杆运动时的惯性力；三是相对运动表面的摩擦力。气体力：规定使活塞杆受拉的气体力为正，使活塞杆受拉的气体力为负。（）惯
8、性力：惯性力包括往复惯性力和旋转惯性力，其大小取决于运动零件的质量和加速度。根据式（），可以求得往复惯性力的计算公式为 （）（）式中 往复运动部件的质量，旋转惯性力的计算公式为 （）式中 不平衡旋转质量，摩擦力：摩擦力包括往复摩擦力和旋转摩擦力，其大小取决于正压力和摩擦系数，并且随着转角变化。其数值较气体力和惯性力要小得多，因此图 曲柄连杆机构动力矢量图设 计 研 究 年 期（总第 期）可以视为定值。通常往复摩擦力占总摩擦功耗的 ，旋转摩擦力占总摩擦功耗的 。其计算公式如下（）()（）（）()（）其中 相应的指示功率，活塞行程，作用在曲柄销上的连杆力 可分解为垂直于曲柄方向的切向力 及沿曲柄方
9、向的法向力，其计算公式分别为 （）（）（）（）结果分析基于上述模型，在实际过程中，部分结构与计算参数选择如表 所示。由图 所示可以看出，隔膜压缩机功耗随进气压力的升高而不断升高，但在低压力部分升速较快，而在高压力区升高较慢。然而，在吸气压力升高的过程中，单位功耗是下降的，主要由于压比与压差的降低。但对比容量变化可以看出，在高吸气压力工况下，容积流量大幅上升，这主要是由于吸气密度上升导致的。而另一方面，随着压比的增加，余隙容积引起容积系数下降，也同样影响到了系统的性能。图 示出了进气压力为 ，排气压力 时，排气温度随压缩机进气温度的变化趋势。可以看出，排气温度都随进气温度的增大而增大，这是因为在
10、压比一定的情况下，压缩机对气体表 隔膜压缩机参数参数数值实际气体容积系数 压力系数 温度系数 机械传动效率 绝热效率 转速 图 功耗与输气量随进气压力的变化图 排气温度随进气温度变化曲线的输入功是相同的，气体获得热量相等，因此随进气温度升高，排气温度是增加的。在进气温度差别不大的情况下，压比较大的工况，气体受到的压缩功较大，获得热量较多，因此排气温度更高。图 可以看出，随吸气压力的升高，隔膜压缩图 行程容积利用率随吸气压力的变化（下转第 页）设 计 研 究 年 期（总第 期）图 超高压随动阀与其他控制阀门流量特性对比 结论采用计算流体力学方法，获得了超高压随动阀的流动特性与流量特性。通过对超高
11、压随动阀内稳态流场展开研究，获得了随动阀内部流场的压力、速度分布规律，结论如下：（）随动阀内主要压降发生在阀隙流道处，膜片承受的压力并不均匀。（）超高压随动阀全开时的压力 流量特性曲线呈非线性，且排油压力升高，流量增加越多。考虑液压油的可压缩性，流过随动阀的出口流量会比不考虑可压缩性减少。（）超高压随动阀的相对流量与相对开度之间呈快开流量特性关系，这表明超高压随动阀具备有快速启闭以及隔断流体流动的作用。参考文献：凌文，刘玮，李育磊，等 中国氢能基础设施产业发展战略研究 中国工程科学，（）：刘玮，董斌琦，刘子龙，等 加氢站氢气压缩机技术装备开发进展 装备制造技术，（）：丰电金凯威（苏州）压缩机有
12、限公司 一种随动阀测试工装：郁永章 容积式压缩机技术手册 北京：机械工业出版社，：李云，龙瑶妹，高秀峰，等 隔膜压缩机随动阀膜片应力的仿真分析 压缩机技术，（）：龚飞鹰，刘传君，何衍庆 控制阀实用手册 北京：化学工业出版社，赵蕾 阀芯运动过程液压滑阀内部流场的 计算 山西：太原理工大学，作者简介：葛云昊（），男，江苏镇江人，在读硕士，现就读于西安交通大学化学工程与技术学院，研究方向为化工装备结构及运行安全可靠性。：（上接第 页）机行程容积利用率有一定程度的提高。在吸气压力从 升高至 的过程中，行程容积利用率由 逐步升高至 ，且在低压力区的升高幅度更大。这主要由于压比对行程影响所导致，且在余隙容
13、积控制与容积系数影响方面有更重要的作用。图 可看出，单缸活塞力有 变化，并在 转角处达到最大值并稳定。活塞力在吸气瞬间有部分反向，而在压缩和吸气过程中大幅降低至 左右。整体来说，活塞力不平衡性较强，最好有对置配置，以保证电机的稳定运行。结论本文对隔膜压缩机进行动力学与热力学分析，图 活塞力随转角变化趋势不仅对不同工况下的压缩机运行特性、输气量、功耗、排气温度等进行分析，且研究了不同转角位置的活塞力大小，并得出以下结论（）输气量随吸气压力的上升而快速上升，而功耗上升速度较慢，且在低压力区尤其明显，主要由于吸气比容变化导致（）排气温度随吸气压力变化，有 的升高，主要受压比的影响（）活塞力变化强烈，且有反向力作用，由 变化，适合有对置配置平衡活塞力。参考文献：，（）（）：赵汝亮，刘宝来 氢燃料电池汽车在公交的推广应用 城市公共交通，（）：刘玮，董斌琦，刘子龙，等 加氢站氢气压缩机技术装备开发进展 装备制造技术，（）：刘可燃，邵家泉 核电厂隔膜压缩机膜片压力高故障分析及处理 硅谷，（）：林世响 进气压力与温度对加氢站隔膜压缩机性能的影响分析 制冷技术，（）：
