超高压隔膜压缩机热力工作过程与动力性能研究

2023-09-13杨侨明王高峰赵兆瑞

压缩机技术 2023年4期

杨侨明，王高峰，赵兆瑞

(1.广东佛燃科技有限公司，广东佛山 528244；2.上海理工大学，上海 200093)

1 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，2050年氢能的规模化应用可减排6×109t CO2，为目标减排量的20%。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[1]。

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[2]。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[3]。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2021年年底，我国已建成加氢站255座，氢燃料电池汽车保有量约9315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[4]，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。

2 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35 MPa以上的供气压力，其中区别主要在于运输或产氢侧压力的不同。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45 MPa作为排气压力，吸气压力在5～20 MPa内变化。选择一款容积流量为6.87 m3/h的隔膜压缩机组进行预测分析，电动机直接驱动，并调用Nist Refprop 9.1进行氢气热物性计算。

2.1 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(1)确定。

(1)

式中ε——压缩比

p——压力，MPa

下标d和s分别表示排放和吸入

图1 加氢站设备流程图

通过方程(2)初步计算氢气的排气温度。

(2)

式中T——温度，K

κ——绝热压缩过程指数

体积系数λV和流量系数λd分别由方程(3)和(4)确定。

(3)

λd=λVλPλTλl

(4)

式中α——相对余隙容积

m——膨胀过程指数

λP——压力系数

λT——温度系数

λl——泄漏系数

进气条件下标准工况的排气量可以通过公式(5)求得

(5)

其中下标0表示标准工况。

基于排气量和排气系数，通过公式(6)求得行程容积

(6)

对于单作用缸，气缸直径通过公式(7)求得

(7)

式中s——气缸行程，m

n——压缩机转速，r/min

i——同级气缸数

指示功率可以通过公式(8)求得

(8)

Z1，Z2——公称吸、排气状态下气体压缩性系数

轴功率通过公式(9)求得

(9)

式中ηm——压缩机机械功率，%

2.2 动力计算

在动力计算中，主要基于热力计算过程得到的压力、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2表示曲柄连杆机构的几何关系。规定曲柄转角θ的起始位置为外止点位置，即外止点时θ=0，任意转角θ时活塞的位移为x，速度为v，加速度为a，由此可得活塞的运动关系为

图2 曲柄连杆机构动力矢量图

(10)

(11)

a=rw2(cosθ+λcos2θ)

(12)

式中r——曲柄半径，m

l——连杆长度，m

λ——曲柄半径与连杆长度之比

w——曲轴旋转的角速度，rad/s

当压缩机正常运转时，主要有以下3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。

Fg=∑piApi

(13)

惯性力：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(12)，可以求得往复惯性力的计算公式为

FIS=msw2r(cosθ+λcos2θ)

(14)

式中ms——往复运动部件的质量，kg

旋转惯性力的计算公式为

FIr=mrrw2

(15)

式中mr——不平衡旋转质量，kg

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

可以视为定值。通常往复摩擦力占总摩擦功耗的60%～70%，旋转摩擦力占总摩擦功耗的40%～30%。其计算公式如下

(16)

(17)

其中Ni——相应的指示功率，W

S——活塞行程，m

作用在曲柄销上的连杆力Fl可分解为垂直于曲柄方向的切向力FT及沿曲柄方向的法向力FR，其计算公式分别为

FT=Flsin(θ+β)

(18)

FR=Flcos(θ+β)

(19)

3 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1所示。

表1 隔膜压缩机参数

由图3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3 功耗与输气量随进气压力的变化

图4示出了进气压力为10 MPa，排气压力42 MPa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，这是因为在压比一定的情况下，压缩机对气体的输入功是相同的，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。