雙活塞作用結構兩級壓縮加氫裝置設計

王蘭紅　王登強　王銳　王建軍　王鋒

摘要：近年來加氫裝置越來越受到各研究機構的重視，雙活塞作用結構兩級壓縮加氫裝置設計是該裝置使用過程的重要一部分，論證好優化設計和工作過程，從根本上保證裝置不存在先天性弊端的劣勢。本文從前期設計到樣機實驗都及時與現有同類型裝置進行對比，優化結構和工作過程，確保裝置安全有效運行。

關鍵詞：雙活塞;兩級壓縮;加氫裝置

中圖分類號：TH133.4???????????文獻標識碼：A

收稿日期：2020-05-10

作者簡介：王蘭紅（1979-），女，副教授，研究方向：汽車電器設備;王登強（1989-），男，講師，研究方向：汽車動力裝置;王銳（1982-），女，副教授，研究方向：新能源汽車;王建軍（1979-），男，講師，研究方向：財務管理，項目績效評價。

隨著近年來氫能源的開發利用，各研究機構對于氫相關的研究不斷增加[1]。尤其是在國家層面政策的利好，據調查到2030年，我國規劃建設1000座加氫站，而現已建成的加氫站僅有26座，以目前壓縮機市場價格200萬/套計算，加氫站壓縮機市場至2030年將達到20億元[2]。到2050年，加氫站壓縮機的市場規模將達到百億級別。在國內大力發展氫能源的同時，國際市場前景更加廣闊。本文以一款新型加氫裝置為研究對象，重點研究裝置的系統組成、工作過程以及市場優勢。

1 系統組成

雙活塞作用結構兩級壓縮加氫裝置由油泵電機、油冷卻器、換向閥組（內涵氮氣置換機構、氫氣壓縮機構）、回油過濾器、吸油過濾器、箱體、油缸及壓縮缸等組成，連接方式如圖1所示。

油冷卻器：壓縮機運行過程中，氣體壓縮會發熱，液壓系統工作時油溫會升高，因此配套冷卻系統，冷卻系統為風冷式，結構簡單，可靠性高。

換向閥組：壓縮機控制系統包括PLC控制柜和系統配套各傳感器、執行器等部件。控制系統全自動設計，壓縮機運行、停機、報警、自檢全部為自動控制，無須人工干預。由于氫氣易燃易爆，因此檢修維護后，系統開機前必須將壓縮機內部的空氣置換掉，壓縮機自帶氮氣置換系統，方便操作，保障安全。

箱體靜音設計：壓縮機配套隔音防雨箱體。箱體采用多層隔音結構組合，以降低噪音傳播，箱體外1m處噪音小于85dB，特別的結構設計能防止氫氣聚集。

回油過濾器、吸油過濾器：壓縮機工作運行過程中過濾壓縮油。

2 關鍵部件工作原理

雙活塞作用結構兩級壓縮加氫裝置工作過程穩定可靠，在同一個壓縮缸內完成兩級壓縮。如需要進一步提高壓縮氣體壓力可以串聯相同規格的壓縮機即可完成[3]，工作過程如圖2所示。其中壓縮缸可以往復壓縮，在不同腔內完成兩級壓縮。壓縮機采用電機驅動油泵供油，推動油缸活塞運動，同步帶動氣缸活塞運動，通過換向集成系統進行換向，完成氣體壓縮做功。

3 設計優勢

3.1 制造成本低，故障率低

雙活塞作用結構兩級壓縮加氫裝置的制造成本僅為隔膜式的50%左右。目前氫氣壓縮機成本占整個加氣站建設成本的30%，該裝置的推廣應用可以有效降低續加氫站的建設成本，并且結構簡單，易損件少、故障點少、維修率低，其運動部件數量僅為機械式的5%、隔膜式的10%左右。

3.2 維護成本低，維護周期長

雙活塞作用結構兩級壓縮加氫裝置采用了無油潤滑的特別結構設計，密封易損件的使用壽命長。隔膜式通過隔膜在隔膜腔往復撓曲實現氣體壓縮，容易在膜片與缸體連接邊緣受往復應力部位發生斷裂，易損件隔膜的使用壽命短[4]。雙活塞作用結構兩級壓縮加氫裝置氣缸采用鏡面處理，密封件采用自潤滑材料制造，摩擦力小、磨損量低。目前試驗樣機上的液壓活塞密封件的使用壽命已超過16000h。雙活塞作用結構兩級壓縮加氫裝置維護成本僅為隔膜式的50%左右。

3.3 可頻繁啟動、槽車利用率高

機械式、隔膜式均為曲軸連桿機構驅動，啟動時須先將缸內氣體平衡，待電機達到額定轉速后再進行加載，原理與汽車發動時需掛空擋相同，因此都需要額外配套卸載排氣系統，且無法實現頻繁啟停機。“液驅壓縮機”中的電機和缸體靠液壓系統連接，可快速、穩定、可靠地實現加載和卸載控制，啟停頻率可達10次/min，非常適合車輛加氫的間歇性壓縮工況。加氫站液雙活塞作用結構兩級壓縮加氫裝置采用二級壓縮，單級壓縮比在2左右，實現了更低的壓縮排氣溫度和更高的壓縮效率。目前加氫站槽車最終的卸車壓力一般為5MPa，有效容積使用率不到75%;采用“液驅壓縮機”可將槽車卸壓降低至2MPa，有效容積使用率提高到90%，單此一項可降低15%的加氫站運輸成本。

3.4 可雙模工作、油氣缸分離

目前國內運營的示范站加氫壓力多為35MPa，而美國、日本等氫能利用先進國家的加氫站加氫壓力多為70MPa。雙活塞作用結構兩級壓縮加氫裝置可以實現35MPa/70MPa雙模切換，對應的壓縮機排氣壓力分別為45MPa/90MPa。在滿足現行示范運行的同時，兼容未來加氫站壓力等級提升的需求，可以減少加氫站建設的重復投資[5]。氫燃料電池對氫氣的純度要求很高，隔膜式通過隔膜將油氣隔離，一旦發生膜片破裂，油和氫氣就會發生混合。該裝置壓縮缸設計了特別的保護性分離結構，不但保證正常工作過程中油氣分離，而且當密封件損壞時，液壓油和氫氣將分別進入對應的腔內，仍然保持分離，避免了氫氣的污染及后續可能發生的氫燃料電池的損壞。

3.5 排氣量大，行程長，往復頻率低，容積效率高，易損件壽命長

雙活塞作用結構兩級壓縮加氫裝置有較大的缸徑和行程，更容易在較低的往復速度下達到較高排量。如隔膜式往復頻率為420次/min，活塞線速度為1.8m/s，液壓活塞往復頻率僅為30次/min，線速度0.3m/s，但是雙活塞作用結構兩級壓縮加氫裝置排量卻達到隔膜機的2.4倍。因此液壓活塞易損件壽命更長。同時由于行程長，容積效率高。進氣壓力15MPa時，隔膜式單位能耗為0.11kwh/Nm3，液壓式僅為0.045Kwh/Nm3，液壓式比隔膜式能耗降低約60%，加氫站年電耗節約50余萬元。

4 總結

雙活塞作用結構兩級壓縮加氫裝置設計是該裝置使用過程的重要一部分，論證好優化設計和工作過程，從根本上保證裝置不存在先天性弊端的劣勢。本文從前期設計到樣機實驗都及時與現有同類型裝置進行對比，優化結構和工作過程，確保裝置安全有效運行。

參考文獻：

[1]成大先.機械設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2007.

[2]屈宗長.同步回轉式壓縮機的幾何理論[J].西安交通大學學報，2003（07）：731-733.

[3]傅俐，肖寶壽，金萍.大型往復式氫氣壓縮機卸荷器的節能技術改造[J].能源工程，2016（03）：42-44.

[4]宋云，康振生，黃成寶，等.含硫化氫介質的往復壓縮機設計選材[J].壓縮機技術，2012（11）：19-21.

[5]劉增慶，李進，黃宏林.重整氫增壓機結焦設備故障分析及消減措施探討[J].石油化工應用，2015（11）：25.

Abstract：?In recent years， the hydrogenation unit has received more and more attention from various research institutions.The design of the dual-piston action structure two-stage compression hydrogenation unit is an important part of the whole life use process of the device. Demonstrating the optimal design and working process is fundamental Ensure that the device does not have the disadvantage of congenital defects. This article compares with the existing devices of the same type from the early design to the prototype experiment in a timely manner to optimize the structure and working process to ensure the safe and effective operation of the device.

Keywords：?Double Piston;Two-stage Compression;Hydrogenation Unit