车用加氢站压缩机选型

何太碧邹 铖刘芮言王 艳毛 丹何 彬

（1.西华大学汽车与交通学院，四川 成都 610039；2.中国石油川庆钻探工程有限公司地质勘探开发研究院，四川 成都 610051；3.成都工贸职业技术学院，四川 成都611731；4.成都技师学院，四川 成都 611743；5.中国重汽集团成都王牌商用车有限公司，四川 成都 610300）

0 引言

“氢”被誉为21世纪的绿色新能源，氢能是一种高效、清洁、安全、可持续的二次能源［1-2]。加氢站的建造是推动氢能产业发展的奠基石。据H2Stations对全球加氢站的统计报告可知，2021年全球新增加氢站为142座，累计达到了685座。截至2022年3月底，中国已累计建成了264座加氢站。已建成的加氢站中有17座为制加氢一体站，其中有16座是水电解制氢加氢一体站［3]。压缩机作为加氢站三大核心设备之一，其设备选型对加氢站安全、可靠、经济、运行至关重要［4]。

1 氢气压缩机使用现状

压缩机的种类繁多，按照压缩气体的方式不同，压缩机分为容积式压缩机和动力式压缩机两大类［5-6]。目前国内外多数采用的是一级容积式的隔膜压缩机或液驱压缩机。在压缩机使用选择上，国外加氢站以小排量、单一加注模式、高加注压力为主要建站模式，因此以液驱为主［7]，而国内加氢站则多以油氢合建站、综合能源站为主要建站模式，因此以隔膜压缩机为主。国内外压缩机使用选型分布情况如图1所示。

图1 国内外加氢站压缩机选型分布图

为满足氢能源的普遍使用，国内外学者对氢气压缩机做了大量研究。国外学者Riofrio设计并制作了一种共振自由液体活塞压缩机，利用进气压力和油压进行压缩，大大提高了压缩效率。对于排放压力，Kermani设计了一种新型离子液体活塞压缩机，并在30 MPa排气压力条件下进行了测试，测试结果证明压缩机适用于低排放压力。国内学者马会娟、袁想春等对大型氢气压缩机的内部流程，及生产中出现的问题（如回流管径偏小、工作液流量不足、工作液温度偏高、回流调节不稳定，工作液管道泵维修不方便）提出了相应的改进措施，确保设备长周期、安全、平稳运行［6-7]。国内学者高硕对无油压缩机动力学和噪声预测进行了研究。主要工作有：①利用有限元分析软件建立压缩机有限元模型，并分别对其进行模态分析，揭示其固有频率和振型等振动特性；②以多体动力学仿真分析所得激励为力边界条件，利用有限元分析软件进行机体瞬态响应分析，揭示机体表面振动速度分布规律并评价机体振动水平，为其结构优化提供依据［8]。

随着国内加氢站压缩机市场发展，部件国产化需求日益迫切，因为国外进口成本高以及后期需求供应周期长，国内许多企业都在自主研究压缩机。如海德利森公司已具备国产化能力，该公司的压缩机有十大特点：耐氢材料全球领先、无润滑油安全可靠、结构经典设计合理、维护简单成本低、双缸设计综合能耗低、散热效果好安全性高、频繁启停适合综合工况、一机多用模式灵活、活塞寿命长无污染、排气量可调节能环保。国内企业康普锐斯对压缩机的研究内容包括：①密封、检测、防护设计—杜绝液压油污染氢气；②独有的检测系统，降级容积余隙；③二级、多级压缩降低能耗；④整体结构简单，降低故障。

2 加氢站及工艺流程简介

加氢站可分为站内制氢和站外制氢。国内目前以站外制氢加氢站为主，因此笔者重点关注站外制氢加氢站的工艺流程。

氢气长管拖车将5～20 MPa的低压氢气运输到加氢站内，然后通过卸气柱，将氢气输送到压缩机，经压缩机将氢气增压到45 MPa、70 MPa或者更高压力，接着经顺序控制盘将高压氢气按照高、中、低分级储存的方式存储在氢气瓶内［9]。此时如有车辆需要加注时，加氢机可以直接从氢气长管拖车取气或者从低压储氢罐、中压储氢罐、高压储氢罐按顺序取气进行加注［10-11]，完成整个加氢过程（图2）。

图2 氢气长管拖车供氢加氢站工艺流程示意图

3 氢气压缩机选型要点及测度

加氢站对压缩机的选型要从技术性、适用性、安全性、可靠性、经济性五个维度出发进行深度考量。

压缩机的设计、制造、检验需达到《汽车加油加气加氢站技术标准：GB 50156》和《压缩机设计标准》。

3.1 适用性

氢气压缩机的设计应和使用条件达到一致性，首先要满足供气量与压力的要求［12]。压缩机的进、排压力，容积流量，排气温度，功率和效率应该满足相应加氢站使用要求［13]。

3.1.1 排气压力

压缩机的排气压力通常指最终排出压缩机的气体压力，排气压力一般在气体最终排出处。

3.1.2 容积流量

压缩机容积流量，通常是指单位时间内，将压缩机最后一级排出的气体量换算到第一级进口状态的压力和温度时的气体容积值。定义为：

式中，qv为压缩机容积流量，m3／min；qv，d为末级测得的单位时间气体排出的容积，m3／min；Pd为qv，d所对应的气体压力，Pa；Td为qv，d所对应的气体温度，K；P1为第一级进口状态下的气体压力，Pa；T1为第一级进口状态下的气体温度，K；Z1为相对应于P1、T1时的气体压缩系数，无因次；Zd为相对应于Pd、Td时的气体压缩系数，无因次；qφ为单位时间内分离出的水分换算到第一级进口状态时的容积，其中，mw为单位时间内分离出的水的质量，kg／min；ps1为相对于温度T1时的水蒸气饱和压力，Pa；ρs1为相对于温度T1时的饱和水蒸气密度，m3／kg；qc为中途清除掉的气体换算到第一级进口状态的容积，m3／min。

加氢站可通过日加注能力和服务车辆数量来确定合适的容积流量，进而选择相应的压缩机。

3.1.3 排气温度

压缩机的排气温度Td是指每一级排出气体的温度。

式中，Td为排气温度，K；Ts为进气温度，K；ε为名义压力比，无因次；n为压缩过程指数，无因次。

3.1.4 功率和效率

压缩机单位时间内所消耗的功称为功率，是用来衡量压缩机消耗动力的大小。

指示功率：

式中，pi为指示功率，W；p′sj为实际进气压力，Pa；λvj为级间析水系数，无因次；Vhj为工作容积，L；nTj为级的温度过程指数，无因次；εj为名义压力比，无因次；δ0j为级的进、排气相对压力损失之和，Pa；Zsj为进气状态下的压缩因子，无因次；Zdj为排气状态下的压缩因子，无因次。

压缩机的效率表示压缩机工作的完善程度，用理想压缩机所需功率和实际压缩机所需功率之比来表示，以此评价压缩机的经济性。

式中，ηi-is为等温指示效率，无因次；pis为压缩机所需功率，W；pi为实际压缩机功率，W。

3.2 安全性

压缩机整撬设计应满足《加氢站安全技术规范：GB／T 34584-2017》和《压缩机、风机、泵安装工程施工及验收规范：GB 50275-2010》。

压缩机整撬的安全性由各模块元件所要求的安全性来保障。主要有泄压阀、进出口的自动切断阀、主管道的安全阀、振动保护装置、膜片破裂和膜片泄露检测装置、压缩机连锁报警停机装置、异常泄露自动报警停机装置等。

3.3 可靠性

可靠性可从压缩机零部件的耐久性、设计寿命和压缩机平均无故障运营间隔时间（MTBF）来考量［14]。

零部件主要包括：底座、曲轴箱、曲轴连杆运动机构、缸体部件、仪表、仪器、安全阀、调压阀、管道和各温度传感器、电机。

若加氢站的运行日志完整，可将各无故障间隔时间t1，t2……tn相加，除以无故障次数n即可得到平均无故障时间间隔（MTBF），用t表示。即

3.4 经济性

系统的经济性可以通过以下指标进行考量：①压缩机的能耗来自于电力、冷却水、润滑油。选择时可以采用相同进气压力的情况下，不同型号压缩机所产生的能耗的的方法来对比分析。②初投资，包括：机器设备购置、安装调试等费用。③压缩机日常维护及保养费用［15]。日常适当地维护有利于整个加氢站的工作效率，然而过多的维护和保养会浪费人力和财力资源。维修费用包括备品配件、维修人员费用等。通常，完全因维修压缩机带来的生产损失费用，可用平均年消耗费用来评估，即

式中，Fa为平均年消耗费用，元；Mpa为每年初投资折旧费，元；N为机器设备使用年限，一般为15～30年；Fa按年复利i计算的提成因子，无因次（图3）；Mm为机器设备安置费，万元；Mp为厂房建造费，万元；Mi为机器设备安装费，元；MO为年操作运行费，元；me为每小时动力费，元；mw为每小时水费，元；mo为每小时润滑费，元；h为年运行小时数，个；Ml为运行人员年工资数，万元；Mr为每年修理费，万元；Ms为配件更换费，元；M2为修理人员费用，元。

图3 年复提成因子图

在加氢站规模和服务车辆确定的情况下，通过技术性、适用性、安全性、可靠性、经济性综合分析来确定最佳配套的压缩机。

4 两种主要形式压缩机比较分析

隔膜压缩机的气缸由膜腔来构成，通过曲轴转动带动连杆摆动形成活塞的往复运动，使得液压油压力升降，从而推动膜片往复摆动，实现吸气、压缩、排气循环往复的过程［16]。隔膜压缩机在工作中气体不与任何润滑油接触，与外界是完全隔绝的状态，适用于压缩纯度极高的气体。隔膜压缩机原理图如图4所示。

图4 隔膜压缩机原理示意图

液驱式压缩机为双头，是由液压油作为驱动介质，通过驱动侧活塞带动气体加压活塞运动实现气体的吸入和推出，活塞一个往复循环可以实现两次加压，加压效率高［17]。液驱压缩机原理图如图5所示。

图5 液驱压缩机原理示意图

1）隔膜压缩机。①优点：工作中不与氢气接触，密封效果好［18]；安全系数高，膜片中设置安全报警传感器可在毫秒级响应；对比500 kg压缩机，能耗低；氢气泄漏量低；加氢站首选类型，客户认可度高。②缺点：基础理论储备差，“先天基因”决定流量小；进口膜片费用高，关键设备可靠性低；不适应频繁启停，设备笨重且安装维护复杂。

2）液驱压缩机。①优点：模块化设计，通过灵活选择不同压缩比的泵，来实现不同压力等级和流量；可带载启停，频繁启停；成本低，可靠性高，易损部件少，维护成本低。②缺点：密封性要求高，氢气可能泄露，单级压缩比较低，单台增压量小，活塞机构噪音大［19-20]。

5 压缩机选型实例分析

日前，国内加氢站主要依据氢气气源稳定性和加注车辆稳定性来确定压缩机。对于设备配置方面国内35 MPa加氢站的压缩机技术参数多数采用表2的形式。

表2 加氢站技术参数表

国内已建成的加氢站中多以示范点为主，多为小型或微型压缩机，随着我国对氢能产业链的布局规划，相关公司开发了排气量大于10 m3／min以上的大型隔膜压缩机［21]。选取上海和浙江两座加氢站大型压缩机为例，来分析选取压缩机的条件。

西上海加氢站选择的是1 000 kg／12 h排量45 MPa进气压力的液驱压缩机，日加注量能达到1 100 kg左右［22]。该站主要通过以下两种工况来选择液驱压缩机：①充分利用管束车余压，正常管束车余压一般会达到7 MPa左右，实际希望管束车余压降到2～3 MPa；②加注车辆不稳定性，设计初期加注车辆实际数量和实际加注时间等不确定。

基于两点原因选取液驱压缩机有两个优点：①压缩机可串并联灵活切换。2台1 000 kg／12 h液驱压缩机在正常使用的前提下，进口压力在7～20 MPa时选择两台压缩机并联使用，提高压缩机排量；而在管束车压力较低时（2～7 MPa），则将压缩机从并联模式切换为串联模式，充分利用管束车余压。压缩机的串并切换可以保证在不同工况下充分使用，填补加注车辆不稳定的空缺。②新增较多的安全模块和功能。利用压力差或者压缩机对储氢容器实现倒罐功能；压缩机及瓶组的紧急放散功能；采用安全PLC和逻辑PLC双PLC模式安全控制模式；实现对整站泄露检测功能等。

浙江嘉善加氢站采用的是隔膜压缩机，在建站初期计划满足50辆氢燃料电池客车的加注要求，日实际加注量为800～1 000 kg。嘉善加氢站选择隔膜压缩机有两点优点：①加注量较为稳定，减少隔膜压缩机频繁启停，易损件和膜片的寿命相对较长。根据目前站内数据，压缩机膜片寿命最长已达1年零3个月（膜片更换周期一般为6～8个月）。②控制流程上对压缩机高低压输出上做了控制，更大地利用瓶组余压，实现压缩机的平稳运行。

从上述两座加氢站的实际运行工况来讲，加注量较大而设计工况不同的情况下，隔膜压缩机和液驱压缩机的运行效果都是比较好的。这两座加氢站在选择压缩机前，不仅考虑了本站的自身因素，还考虑了相应的评估标准。

选型建议。①根据气源压力：固定站气源充足且气源压力主要为5～20 MPa，可选择隔膜压缩机。②根据加氢站的服务半径以及服务车辆的类型及数量来确定加注量是否稳定。若加注量较为稳定建议采用隔膜压缩机，在一定程度上能够节约运行能耗和建设成本。③如遇特殊的工况：频繁启停、不同压力等级加注等情况。可优先考虑液驱压缩机。

选型关键点。①是看压缩机的排量，不论哪种形式首先要满足供气量要求，主要包括有进气最低压力、排气最高压力等。②是从整个压缩机撬的设计上，主要包括三个方面：结构形式（包括液驱和隔膜）；整个压缩机撬是整体成撬的方式，还是开放式或集装箱式的方式；需考虑周边环境，若是存在噪音问题则需考虑隔音情况。同时，在设计封装的时候会设置相应安全措施，比如氢气探头、氧气探头等，保证整个压缩机撬的安全。③是从选型注意事项方面考虑，压缩机压缩比及级数作为选型过程中比较重要的一个关注点。在两种不同模式（管束车供氢和制氢供氢）下，压缩机级数存在差异：以1.6 MPa为例，采用两级压缩的方式才能将氢气压力提高到45 MPa的出口压力；冷态启动和频繁启动，这是在设计工况时需重点考虑的因素；由于压缩机需要提供外部冷源，因此需要对压缩机设备的冷却状态和模式做重点考量。

6 结束语

氢能被视为低碳终极能源，车用加氢站是应用推广氢能的重要场景，而在加氢站建设中至关重要的就是设备的选型。压缩机作为加氢站核心部件，不论是在自身价值还是使用价值上都举重若轻。目前对于加氢站压缩机的型号、参数等因素没有具体的选型标准，并且国内加氢站多以示范点为主且服务于指定公交车、物流轻卡、重卡等车辆，还不能达到正常运营的效果。鉴于此，笔者认为：首先应确定加氢站服务的对象，继而通过车辆数量确定一个日加氢量的大小，从而来确定压缩机的流量；其次是车辆每天加氢时间、加注量，以此来确定压缩机的工作轨线，是否频繁启停，长时间运行，超负荷运行等，从而来确定压缩机结构；接着是创新性的选择优化，应用可行的新技术，进行创新构思，提出新的选配方案；最后可以通过咨询加氢站运行、调试人员来了解不同压缩机日常工作概况，对以后建站时选取具体类型的压缩机提供建议。