氢燃料电池用离心式空压机气动性能试验技术

2022-04-21程志曾纯

现代制造技术与装备 2022年3期

程志曾纯

（中车株洲电机有限公司，株洲 412001）

在“双循环”“碳中和”“碳达峰”的新发展格局下，氢能产业迎来新的机遇。氢燃料电池具有零排放、加注时间短、续航里程长以及低温启动性好等优点，氢燃料电池汽车及其产业链的发展将是我国未来氢能发展的重要方向。空压机是氢燃料电池空气供应系统的核心部件，通过对进堆空气进行增压提高氢燃料电池的功率密度和效率。常用的空压机类型有滑片式、螺杆式、离心式、涡旋式以及罗茨式等。离心式空压机具有结构紧凑、响应快、无油、寿命长以及效率高等特点，是今后主流的发展方向[1]。对于实际运行的氢燃料电池，空压机作用后空气的压强、流量直接影响电堆的工作状况。气动性能测试是空压机整机性能评价的重要方式，因此开展氢燃料电池用离心式空压机气动性能试验技术研究具有重要的实际意义。

目前，机械行业标准《离心和轴流式鼓风机和压缩机热力性能试验》（JB/T 3165—1999）适用于普通的离心式空压机，但是缺少对氢燃料电池用离心式空压机的针对性设计[2]；《燃料电池电动汽车用空气压缩机试验方法》（T/CAAMTB 13—2020）适用于所有类型的燃料电池用空压机，提出了通用测试要求，但未给出具体的气动测试管路方案和试验方法[3]。文献[4]、文献[5]介绍了一套氢燃料电池离心空压机性能测试系统，侧重于测控系统设计。文献[6]、文献[7]、文献[8]中均给出了测量氢燃料电池用空压机气动性能的测试装置，可以对空压机出气口的流量、温度、压强可以进行测量，不包括进气口的测量，测量装置简易，内容不够全面和具体。综上所述，对于氢燃料电池用离心式空压机气动性能试验技术的研究是不全面的。因此，从氢燃料电池用离心式空压机的特点入手，结合相关标准，研制了气动测试管路，同时根据总体测试需求搭建了一套完整试验系统，总结了具体的试验方法和步骤，用于指导实际试验。

1 气动测试管路方案

在燃料电池的空气供应系统中，空气先经过空气滤清器过滤，由管路流到空压机中进行升温增压，再经过冷却、增湿后进入电堆进行化学反应，最后经过背压阀排出。为了降低噪声，一般在背压阀后面会接上管路和消声器[9]。与普通空压机相比，氢燃料电池用离心空压机出气口的压强更大、出口温度更高，同时其气浮轴承是利用气体在轴与轴承内表面间的楔形空间产生压力气膜来支承载荷。为了避免空气中杂质使轴承磨损甚至损坏，需要在进气管路配置空气过滤器。氢燃料电池用离心式空压机在运行过程中会产生诸多噪声，其中空气动力噪声是最显著的噪声源。为了降低噪声，需要在出气管路安装消音器[10]。氢燃料电池用离心式空压机转速通常高达100 000 r·min-1，测试时需要关注其转子动力学特性，防止轴振超过限值。离心式空压机在低流量时会发生喘振现象，将严重影响系统的性能和空压机的使用寿命，需特别关注喘振点。进入氢燃料离心式空压机的气体除从出气口排出外，还有部分气体用来冷却轴承，出气口质量流量大于进气口质量流量。由于采用永磁电机，可以通过电频率计算同步转速得到空压机的实际转速。

氢燃料电池用离心式空压机气动性能试验时需要测量不同转速下的进出口的空气流量、压力及温度，气动测试管路需要包括进管道分为进气段和出气段两部分。气动测试管路方案设计方案可参考 JB/T 3165—1999 中的“进、出气试验装置管路方案”和T/CAAMTB 13—2020 中的“输出特性试验台架”。其中，JB/T 3165—1999 的管路系统设计说明详细，但是其中采用节流元件（孔板、文丘里管和喷嘴）上、下游取压口的差压来确定流量，未针对性对氢燃料电池用离心式空压机的特点进行设计。T/CAAMTB 13—2020 说明了测试管路中需要安装温度传感器、压力传感器、流量计和调节阀，但是没有明确的管道测试方案，没有流量计等关键部件的选型和布置规范。

本文设计的气动测试管路系统是针对氢燃料电池用离心式空压机的气动性能试验设计的，是整套试验系统的关键组成部分。该系统主要由空气过滤器、流量计、调节阀、消音器以及相应的连接管路等组成，如图1 所示，主要要求如下。

（1）流量计是整个系统中重要部件，应尽可能使常用量处在流量范围上限的1/2 ～2/3。流量计需要明确以下工作参数进行流量范围和仪表口径确定：被测介质的名称、组分，工作状态的最小、常用、最大流量，介质的最低、常用、最高压强和温度，工作状态下介质的粘度。在本管路系统中，为了保证出气管路流量测量的范围宽，出气管路选用了量程较大、测量精度高的热式质量流量计进行流量测量[11-12]。为了保证进气管路压强损失小，避免较大的负压进入空压机，进气管路选用了几乎没有压损的双扭线质量流量计测量进气流量。该流量计前面不需加任何直管段，其结构简单，流量计算方便。

（2）除流量计选择外，本系统流量测量管路、测量传感器均按照JB/T 3165—1999 执行。

（3）系统中调节阀采用球阀，包括主背压阀和小管径微调背压阀两种，可以精细调节背压值。

（4）在出气管路处安装有排空阀，可以在电机喘振或异常等发生时快速泄压降低风险。

（5）该系统中流量、温度、压力传感器及电动阀、排空阀配备标准4 ～20 mA 信号，便于远程连接和二次开发。

（4）本系统中的流量计、阀门、排空阀等均采用标准法兰式连接，便于后期更换和维护，增加了测试的通用性。

（6）供气管路系统耐压满足系统运行要求，管道材质选择304 不锈钢，出气管路上装有隔热防护，选用的仪器仪表能够满足温度和压力要求。

（7）管路上增加指针式压力表和温度表，可以本地显示温度压力数据，同时可以核对数显仪表的准确性。

（8）出气管路增加了一个90°弯管，增加了出气口管路布局的灵活性。

（9）消声器类型应选择阻抗复合式消声器，工作流量、压强、温度满足使用要求，设计消音量≥30 dB。

（10）过滤器宜采用实际车用过滤器，过滤精度不低于5 μm，使用过程中需根据污染程度定期更换。

2 完整试验系统搭建

完整试验系统包括电源系统、测量系统、控制系统和辅助系统4 大部分。电源系统主要包括驱动空压机的驱动器、给驱动器供电的可回馈直流电源及相关开关柜等；测量系统主要包括气动测试管路和加速度、轴振、温度、电量等参数的测量设备；控制系统用来远程操作和记录，并具有安全与保护功能，包括工业以太网交换机、PLC、工业计算机等硬件及上位机软件；辅助系统包括支承试验台、冷却设备及安全防护系统等。

整个试验系统搭建时，须充分根据场地结构进行布置，应美观大方，符合现场安全要求，具有电磁干扰和振动较少、适合人机操作等特征。布局方案如图2 所示。

3 试验方法

空压机的整体气动测试过程：驱动器控制空压机运转；空气经过流量计测量进气口流量，经过滤后进入进气段管道测量空压机进气口的压强、温度；吸入空压机的空气经过压缩、升温后，再流经出气段管道测量空压机出气口的温度、压强、流量，流经背压调节阀，再通过消音器排出。在进行气动性能试验前需要获取空压机的气动性能设计参数，具体试验过程如下。

3.1 试验前检查

所有设备必须完好且工作正常；检查安全措施是否到位；试验场所必须安全、通畅，进气口周围空间应在1.5 倍进口直径范围内不得有障碍物（并保证无任何异物可被吸入空压机），排气周围空间须保证在至少5 倍排气管道直径的轴向距离内无障碍物[2]；确认工装、紧固件的安装是否正确；确认空压机的电气连接和控制是否正常。

3.2 轻载测试

将组装好的空压机安装于试验平台上，布置传感器，连接电缆和水管，通冷却水；启动空压机至 300 r·min-1，短暂运行约2 s，停机检查其旋转方向，确保方向正确；连接进、出气测试管路。关闭放空阀，微调背压阀全开，可将主背压阀开至90%；启动空压机至允许运行转速（远离气浮轴承起飞转速），若出气压强太小可以关小主背压阀，运行过程中观察空压机和试验系统是否运行正常；若无异常情况出现，则保持背压阀开度不变，逐步升速至最大转速，若有异常应立即停机检查。

3.3 气动性能测试

轻载测试正常后方可进行，转动电机至要求转速，通过调节阀门（采用主背压阀和微调背压阀联合调节）开度控制流量和压力的变化；每个测试点要稳定运行后记录试验数据；需在该转速下阻塞边界到喘振边界的测试过程中测量多点；在靠近喘振边接点时，应逐步关小背压调节阀。当质量流量降低到一定程度时，会出现失稳状态。在流量临界位置，流体状态将发生变化，这个临界位置称作喘振点。记录喘振点数据，不允许空压机在喘振工况运行。试验过程中若出现喘振，必须立即调大出口阀门。如果试验过程中出现意外情况需要紧急停机，则应立即打开排空阀，泄压停机。同上，进行其他转速下的气动特性测试。