進氣壓力與溫度對加氫站隔膜壓縮機性能的影響分析

林世響

（福建雪人股份有限公司，福建福州 350200）

0 引言

近年來，氫能源作為未來能源的重要一極，具有清潔、中間能源等特質(zhì)，已經(jīng)越來越受到重視。而加氫站是氫能源發(fā)展中最為重要的環(huán)節(jié)。氫氣隔膜壓縮機又是加氫站中的核心裝備，其在運行過程中有高溫高壓和耗能等特點。研究氫氣隔膜壓縮機的冷卻對節(jié)約能耗，提高壓縮機壽命都很有意義。丁國良等[1]比較了多種壓縮機組冷卻方式效果，總結(jié)了多個改進方向。孫李等[2]提出基于模糊聚類方法來分析機組冷卻對運行性能的影響。黃永帥等[3]提出了影響板式換熱器蒸發(fā)換熱和壓降的幾個重要影響因素。賴展程等[4]提出Z 型半圓形通道相變兩相流的數(shù)值模型，給出了一種壓縮機組內(nèi)部換熱器的計算方法。戴萍[5]在LNG 接收站工藝中，使用LNG 進行預(yù)冷卻，提升了安全性的同時實現(xiàn)了很好的節(jié)能效果。徐鵬等[6]把預(yù)冷器和回熱器結(jié)合起來應(yīng)用到超臨界二氧化碳閉式布雷頓循環(huán)系統(tǒng)中，通過調(diào)節(jié)預(yù)冷和回熱間的協(xié)同性，提高了整個系統(tǒng)的熱效率。唐嘉等[7]使用Aspen 對天然氣液化過程中帶預(yù)冷和不帶預(yù)冷做了效率、成本等比較分析，結(jié)論顯示預(yù)冷在能耗上表現(xiàn)突出。孫沖等[8]以比功耗為目標函數(shù)，建立計算模型，對高含氮天然氣液化工藝中壓縮器進氣預(yù)冷溫度進行了敏感性分析，得出高效預(yù)冷溫度區(qū)域。研究冷卻對壓縮機的影響更多集中在制冷壓縮機上，加氫站氫氣壓縮機是重要耗能產(chǎn)品，隨著氫能的逐漸發(fā)展，對氫氣隔膜壓縮機的冷卻研究同樣具有非常重要的意義。本文通過對氫氣隔膜壓縮機的熱力學(xué)性能進行理論分析，研究不同吸氣壓力和吸氣溫度對氫隔膜壓縮機組的性能影響，目的是實現(xiàn)加氫站的節(jié)能運營。

壓縮機是整個加氫站的心臟，是將原料氫氣壓縮加壓使之壓力升高但不大于設(shè)定壓力的設(shè)備，氫氣壓縮機在運轉(zhuǎn)期間，氫氣經(jīng)壓縮后，壓力升高，氣體溫度升高，氣缸內(nèi)壁溫度高，潤滑油的性能下降，加速氣缸的磨損[9]。排氣溫度過高，還導(dǎo)致壓縮排氣管路閥門和膜片壽命大幅下降，造成安全事故[10]。目前隔膜壓縮機在使用中都進行進氣預(yù)冷，來避免排氣溫度過高，但是對于排氣溫度的設(shè)定各家差別較大，沒有專門的計算研究。現(xiàn)對隔膜壓縮機的冷卻進行優(yōu)化設(shè)計，在保證壓縮機整體能耗較低的情況下，盡可能合理設(shè)置壓縮機運行工況。

加氫站是給燃料電池汽車提供氫氣的燃氣站，最早的氫氣加注站也許可以追溯到1980年代位于美國Los Alamos 的加氫站[11]，當時美國阿拉莫斯國家實驗室為了驗證液態(tài)氫氣作為燃料的可行性而建造了該站，之后越來越多的加氫站逐漸建成。

國內(nèi)自2006年建造第一座加氫站以來，截至2019年底，我國累計建成加氫站61 座。期間加氫站的建設(shè)數(shù)量年復(fù)合增長率高達46%。已經(jīng)投入運營的加氫站52 座[12]。根據(jù)亞化咨詢預(yù)計，至2020年底，中國將成為繼日本之后又一個加氫站數(shù)量過百的國家[13]。2019年6月，中國氫能聯(lián)盟發(fā)布了《中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書》，其中規(guī)劃了中國氫能及燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展路線圖，按其規(guī)劃，我國加氫站的發(fā)展目標是2025年200 座、2030年1,500 座、2050年10,000 座[14]。

加氫站主要包括卸氣系統(tǒng)、壓縮系統(tǒng)、儲氫系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、加注系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。如圖1所示。冷卻系統(tǒng)分為為壓縮系統(tǒng)冷卻和加氫系統(tǒng)冷卻。

圖1 外部供氫加氫站

壓縮機作為加氫站內(nèi)的核心設(shè)備，承擔了氫氣增壓的重要作用，是氫能商業(yè)化發(fā)展的重要環(huán)節(jié)[15]。目前國內(nèi)加氫站常用的氫氣壓縮機主要有隔膜式壓縮機、液驅(qū)式壓縮機和離子液壓縮機等。但氫氣隔膜壓縮機是主流[16]，因為隔膜壓縮機具備潔凈度高、密封性好等優(yōu)點[17]。隔膜式壓縮機原理如圖2所示。壓縮機靠外來電機拖動隔膜壓縮機的帶輪，帶輪帶動曲軸旋轉(zhuǎn)，進而使活塞隨著連桿等往復(fù)運動件進行往復(fù)運動，活塞擠壓液壓油，液壓油擠壓金屬膜片形成的膜腔，通過和進排氣閥的協(xié)同工作，實現(xiàn)膜腔中的氫氣壓縮。為了保障循環(huán)過程中有連續(xù)的液壓油供應(yīng)，壓縮機中采用自動液壓泵進行及時供油。特設(shè)的膜片，將被壓縮的氣體與外界隔開。隔膜式壓縮機中，氣缸的職能由一個膜腔來完成。

圖2 隔膜壓縮機原理

膜腔是由具有穹形型面的蓋板和彈性膜片組成的空腔，膜片周邊被緊固在蓋板與機體之間，當膜片上下?lián)锨冃螘r，膜腔中的容積隨之變化，從而完成氣體的壓縮及排氣。金屬膜片式隔膜壓縮機采用液力驅(qū)動膜片，膜片可緊貼蓋板穹形表面，因此相對余隙很小，而且氣體與液體之間的膜片極薄，壓縮過程中散熱情況較好。目前氫氣金屬隔膜壓縮機的最高排氣壓力可達87.5 MPa，隔膜式壓縮機因其特殊的結(jié)構(gòu)，壓縮介質(zhì)不與任何潤滑劑接觸，氣缸不需要潤滑，密封性能非常好，因此可以壓縮純度極高的氣體，適合于壓縮和輸送稀有氣體[18]。

1 壓縮機的參數(shù)計算

本文的目的是通過理論模型，分析氫氣隔膜壓縮機在不同條件下的功耗變化規(guī)律。

隔膜壓縮機屬于容積式壓縮機，容積式壓縮機按吸氣終了容積Va與壓縮終了容積Vd之比為內(nèi)容積比分類，容積式壓縮機分為可變內(nèi)容積比式和固定內(nèi)容積比式兩類。具有吸、排氣自動閥（簡稱氣閥）的往復(fù)活塞式壓縮機屬前者；不同時具備吸、排氣閥的回轉(zhuǎn)式壓縮機屬后者，如單螺桿、雙螺桿、滑片式和渦旋式壓縮機等。

式中，Td為排氣溫度，K；Ta為吸氣溫度，K；kT為溫度絕熱指數(shù)；ε為壓比。

式中，pa為吸氣壓力，MPa；pd為排氣壓力，MPa。

溫度絕熱指數(shù)受溫度和壓力影響較小，對于氫氣的kT與壓力和溫度的關(guān)系詳見表1[19]。

表1 氫氣的溫度絕熱系數(shù)kT

所用的氫氣隔膜壓縮機為單級壓縮機，進氣壓力為5～20 MPa，額定排氣壓力為45 MPa，額定流量為每12 個小時500 kg，壓縮機的理論排氣量為7.5 m3/h。對于該壓縮機軸功率計算可采用式(3)[19]：

式中，δ為進排氣相對壓力損失之和，MPa；λv為析水系數(shù)；Vs為工作容積，L；nT為溫度過程指數(shù)；Zs為吸氣的氣體壓縮性系數(shù)；Zd為排氣的氣體壓縮性系數(shù)。

對于預(yù)冷先使用焓差對氫氣預(yù)冷前后的散熱量進行計算，基于環(huán)境溫度40 ℃，蒸發(fā)冷凝簡化為0 溫差和R22 制冷劑，計算出所需的制冷劑流量，最后使用制冷壓縮功計算，計算出不同制冷蒸發(fā)溫度下的制冷部分理論壓縮功耗[20]。

式中，h2為制冷劑冷凝溫度壓縮機排氣口的焓值，kJ/kg；h1為制冷劑對應(yīng)蒸發(fā)溫度的壓縮機進氣口焓值，kJ/kg；Q為預(yù)冷需要的制冷劑質(zhì)量流量，kg/s。

2 不同工況下氫氣壓縮機的性能分析

在進口壓力ps=5 MPa，排氣壓力為45 MPa 時，進口溫度為-5、5、15、25、35、45 ℃的壓縮機軸功率、排氣溫度、預(yù)冷功耗和壓縮機壓縮每千克氫氣耗能等參數(shù)（表2）。圖3 和圖4所示分別為壓縮機排氣溫度和軸功率隨進口溫度的變化、壓縮每千克氫氣功耗隨進口溫度的變化。

根據(jù)表2、圖3 和圖4 分析可知，在進口壓力在5 MPa 的設(shè)計條件下，進口溫度從-5 ℃上升到45 ℃的過程中：1）壓縮每千克氫氣功耗上升，上升速率為0.00344 kW/℃；壓縮機的排氣溫度上升，上升比率為2.288；2）在對氫氣進行預(yù)冷的時候同樣需要耗能，通過對需要的負荷選取合適型號的壓縮機，計算得出每千克預(yù)冷功耗。進一步得出每千克壓縮和預(yù)冷需要的總功耗曲線。在進口壓力為5 MPa 情況下，預(yù)冷溫度在5～15 ℃范圍內(nèi)最節(jié)能，壓縮機整體能耗最低。

圖3 吸氣壓力為5 MPa 時，壓縮機排氣溫度和軸功率隨進口溫度的變化

圖4 吸氣壓力為5 MPa 時，壓縮每千克氫氣功耗隨進口溫度的變化

表2 壓縮機參數(shù)（ps=5 MPa）

在進口壓力ps=10 MPa，排氣壓力為45 MPa時，進口溫度為-5、5、15、25、35 和45 ℃的壓縮機軸功率、排氣溫度、預(yù)冷功耗和壓縮機壓縮每千克氫氣耗能等參數(shù)（表3）。圖5 和圖6所示分別為壓縮機排氣溫度和軸功率隨進口溫度的變化、壓縮每千克氫氣功耗隨進口溫度的變化。

根據(jù)表3、圖5和圖6可知，進口壓力為10 MPa，進口溫度從-5 ℃上升到45 ℃的過程中：1）壓縮每千克氫氣功耗上升，上升速率為0.0096 kW/℃；壓縮機的排氣溫度上升，上升速率為1.508；2）對氫氣進行預(yù)冷時也需要耗能，通過對需要的負荷選取合適型號的壓縮機，計算得出每千克預(yù)冷功耗；進一步得出每千克壓縮和預(yù)冷需要的總功耗曲線；在進口壓力為10 MPa 情況下，預(yù)冷溫度在15～25 ℃最節(jié)能，壓縮機整體能耗最低。

表3 壓縮機參數(shù)（ps=10 MPa）

圖5 吸氣壓力為10 MPa 時，壓縮機排氣溫度和軸功率隨進口溫度的變化

圖6 吸氣壓力為10 MPa 時，壓縮每千克氫氣功耗隨進口溫度的變化

在進口壓力ps=15 MPa，排氣壓力為45 MPa時，進口溫度為-5、5、15、25、35 和45 ℃的壓縮機軸功率、排氣溫度、預(yù)冷功耗和壓縮機壓縮每千克氫氣耗能等參數(shù)（表4）。圖7 和圖8所示分別為壓縮機排氣溫度和軸功率隨進口溫度的變化、壓縮每千克氫氣功耗隨進口溫度的變化。

根據(jù)表4、圖7 和圖8 分析可知，在進口壓力為15 MPa 的設(shè)計條件下，進口溫度從-5 ℃上升到45 ℃的過程中：1）壓縮每千克氫氣，功耗上升，上升速率為0.009 kW/℃；壓縮機的排氣溫度上升，上升速率為1.347；2）在對氫氣進行預(yù)冷時需要耗能，通過對需要的負荷選取合適型號的壓縮機，計算得出每千克預(yù)冷功耗；進一步得出每千克壓縮和預(yù)冷需要的總功耗曲線；在進口壓力為15 MPa 情況下，預(yù)冷溫度在15～35 ℃最節(jié)能，壓縮機整體能耗最低。

表4 壓縮機參數(shù)（ps=15 MPa）

圖7 吸氣壓力為15 MPa 時，壓縮機排氣溫度和軸功率隨進口溫度的變化

圖8 吸氣壓力為15 MPa 時，壓縮每千克氫氣功耗隨進口溫度的變化

在進口壓力ps=20 MPa 時，進口溫度為-5、5、15、25、35、45 ℃的壓縮機軸功率、排氣溫度、預(yù)冷功耗和壓縮機壓縮每千克氫氣耗能等參數(shù)見表5。圖9 和圖10所示分別為壓縮機排氣溫度和軸功率隨進口溫度的變化、壓縮每千克氫氣功耗隨進口溫度的變化。

根據(jù)表5、圖9 和圖10 分析可知，在進口壓力為20 MPa 的設(shè)計條件下，在進口溫度從-5 ℃上升到45 ℃的過程中：1）壓縮每千克氫氣功耗會上升，上升速率為0.0072 kW/℃；壓縮機的排氣溫度會上升，上升速率為1.245；2）在對氫氣進行預(yù)冷時同樣需要耗能，通過對需要的負荷選取合適型號的壓縮機，計算得出每千克預(yù)冷功耗；進一步得出每千克壓縮和預(yù)冷需要的總功耗曲線；在進口壓力為20 MPa 情況下，預(yù)冷溫度在25～45 ℃范圍內(nèi)最節(jié)能，壓縮機整體能耗最低。

表5 壓縮機參數(shù)（ps=20 MPa）

圖9 吸氣壓力為20 MPa 時，壓縮機排氣溫度和軸功率隨進口溫度的變化

圖10 吸氣壓力為20 MPa 時，壓縮每千克氫氣功耗隨進口溫度的變化

3 結(jié)論

本文對氫氣隔膜壓縮機的熱力學(xué)性能進行理論分析，對不同的進氣壓力和進氣溫度進行研究，得出如下結(jié)論：

1）在同樣的進氣壓力下，隨著進氣溫度的升高，隔膜壓縮機排氣溫度會迅速上升，在吸氣壓力為5 MPa 時溫差最大，可以達到91.52 ℃；進口壓力越低，隔膜壓縮機排氣溫度上升的速率越大，上升比率最大值為2.288；

2）在同樣的進氣壓力下，隨著進氣溫度的升高，壓縮每千克氫氣功耗也會增加，在吸氣壓力為5 MPa 時功耗差最大，可以達到0.172 kW；進口壓力越低，壓縮每千克氫氣功耗增加的速率越大，速率最大值為0.00344 kW/℃；

3）不同進氣壓力下最節(jié)能的溫度范圍不同；進氣壓力為5 MPa 時，最節(jié)能的進氣溫度范圍為5～15 ℃；進氣壓力為10 MPa 時，最節(jié)能的進氣溫度范圍為15～25 ℃；進氣壓力為15 MPa 時，最節(jié)能的進氣溫度范圍為15～35 ℃；進氣壓力為20 MPa時，最節(jié)能的進氣溫度范圍為25～45 ℃；

4）對比分析每千克總功耗曲線的上升和下降斜率，得出不同進口壓力對不同進口溫度的敏感度不一致，進口壓力較大時，對溫度的敏感度較高，即在進口溫度變化時，每千克總功耗變化幅度較大，變化幅度最大值為0.10 kW/kg。