雙活塞作用結(jié)構(gòu)兩級(jí)壓縮加氫裝置設(shè)計(jì)

王蘭紅　王登強(qiáng)　王銳　王建軍　王鋒

摘要：近年來(lái)加氫裝置越來(lái)越受到各研究機(jī)構(gòu)的重視，雙活塞作用結(jié)構(gòu)兩級(jí)壓縮加氫裝置設(shè)計(jì)是該裝置使用過(guò)程的重要一部分，論證好優(yōu)化設(shè)計(jì)和工作過(guò)程，從根本上保證裝置不存在先天性弊端的劣勢(shì)。本文從前期設(shè)計(jì)到樣機(jī)實(shí)驗(yàn)都及時(shí)與現(xiàn)有同類(lèi)型裝置進(jìn)行對(duì)比，優(yōu)化結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程，確保裝置安全有效運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：雙活塞;兩級(jí)壓縮;加氫裝置

中圖分類(lèi)號(hào)：TH133.4???????????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

收稿日期：2020-05-10

作者簡(jiǎn)介：王蘭紅（1979-），女，副教授，研究方向：汽車(chē)電器設(shè)備;王登強(qiáng)（1989-），男，講師，研究方向：汽車(chē)動(dòng)力裝置;王銳（1982-），女，副教授，研究方向：新能源汽車(chē);王建軍（1979-），男，講師，研究方向：財(cái)務(wù)管理，項(xiàng)目績(jī)效評(píng)價(jià)。

隨著近年來(lái)氫能源的開(kāi)發(fā)利用，各研究機(jī)構(gòu)對(duì)于氫相關(guān)的研究不斷增加[1]。尤其是在國(guó)家層面政策的利好，據(jù)調(diào)查到2030年，我國(guó)規(guī)劃建設(shè)1000座加氫站，而現(xiàn)已建成的加氫站僅有26座，以目前壓縮機(jī)市場(chǎng)價(jià)格200萬(wàn)/套計(jì)算，加氫站壓縮機(jī)市場(chǎng)至2030年將達(dá)到20億元[2]。到2050年，加氫站壓縮機(jī)的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到百億級(jí)別。在國(guó)內(nèi)大力發(fā)展氫能源的同時(shí)，國(guó)際市場(chǎng)前景更加廣闊。本文以一款新型加氫裝置為研究對(duì)象，重點(diǎn)研究裝置的系統(tǒng)組成、工作過(guò)程以及市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)。

1 系統(tǒng)組成

雙活塞作用結(jié)構(gòu)兩級(jí)壓縮加氫裝置由油泵電機(jī)、油冷卻器、換向閥組（內(nèi)涵氮?dú)庵脫Q機(jī)構(gòu)、氫氣壓縮機(jī)構(gòu)）、回油過(guò)濾器、吸油過(guò)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(jī)運(yùn)行過(guò)程中，氣體壓縮會(huì)發(fā)熱，液壓系統(tǒng)工作時(shí)油溫會(huì)升高，因此配套冷卻系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)為風(fēng)冷式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高。

換向閥組：壓縮機(jī)控制系統(tǒng)包括PLC控制柜和系統(tǒng)配套各傳感器、執(zhí)行器等部件?？刂葡到y(tǒng)全自動(dòng)設(shè)計(jì)，壓縮機(jī)運(yùn)行、停機(jī)、報(bào)警、自檢全部為自動(dòng)控制，無(wú)須人工干預(yù)。由于氫氣易燃易爆，因此檢修維護(hù)后，系統(tǒng)開(kāi)機(jī)前必須將壓縮機(jī)內(nèi)部的空氣置換掉，壓縮機(jī)自帶氮?dú)庵脫Q系統(tǒng)，方便操作，保障安全。

箱體靜音設(shè)計(jì)：壓縮機(jī)配套隔音防雨箱體。箱體采用多層隔音結(jié)構(gòu)組合，以降低噪音傳播，箱體外1m處噪音小于85dB，特別的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能防止氫氣聚集。

回油過(guò)濾器、吸油過(guò)濾器：壓縮機(jī)工作運(yùn)行過(guò)程中過(guò)濾壓縮油。

2 關(guān)鍵部件工作原理

雙活塞作用結(jié)構(gòu)兩級(jí)壓縮加氫裝置工作過(guò)程穩(wěn)定可靠，在同一個(gè)壓縮缸內(nèi)完成兩級(jí)壓縮。如需要進(jìn)一步提高壓縮氣體壓力可以串聯(lián)相同規(guī)格的壓縮機(jī)即可完成[3]，工作過(guò)程如圖2所示。其中壓縮缸可以往復(fù)壓縮，在不同腔內(nèi)完成兩級(jí)壓縮。壓縮機(jī)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)油泵供油，推動(dòng)油缸活塞運(yùn)動(dòng)，同步帶動(dòng)氣缸活塞運(yùn)動(dòng)，通過(guò)換向集成系統(tǒng)進(jìn)行換向，完成氣體壓縮做功。

3 設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)

3.1 制造成本低，故障率低

雙活塞作用結(jié)構(gòu)兩級(jí)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(jī)成本占整個(gè)加氣站建設(shè)成本的30%，該裝置的推廣應(yīng)用可以有效降低續(xù)加氫站的建設(shè)成本，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易損件少、故障點(diǎn)少、維修率低，其運(yùn)動(dòng)部件數(shù)量?jī)H為機(jī)械式的5%、隔膜式的10%左右。

3.2 維護(hù)成本低，維護(hù)周期長(zhǎng)

雙活塞作用結(jié)構(gòu)兩級(jí)壓縮加氫裝置采用了無(wú)油潤(rùn)滑的特別結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，密封易損件的使用壽命長(zhǎng)。隔膜式通過(guò)隔膜在隔膜腔往復(fù)撓曲實(shí)現(xiàn)氣體壓縮，容易在膜片與缸體連接邊緣受往復(fù)應(yīng)力部位發(fā)生斷裂，易損件隔膜的使用壽命短[4]。雙活塞作用結(jié)構(gòu)兩級(jí)壓縮加氫裝置氣缸采用鏡面處理，密封件采用自潤(rùn)滑材料制造，摩擦力小、磨損量低。目前試驗(yàn)樣機(jī)上的液壓活塞密封件的使用壽命已超過(guò)16000h。雙活塞作用結(jié)構(gòu)兩級(jí)壓縮加氫裝置維護(hù)成本僅為隔膜式的50%左右。

3.3 可頻繁啟動(dòng)、槽車(chē)?yán)寐矢?/p>

機(jī)械式、隔膜式均為曲軸連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)須先將缸內(nèi)氣體平衡，待電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后再進(jìn)行加載，原理與汽車(chē)發(fā)動(dòng)時(shí)需掛空擋相同，因此都需要額外配套卸載排氣系統(tǒng)，且無(wú)法實(shí)現(xiàn)頻繁啟停機(jī)?！耙候?qū)壓縮機(jī)”中的電機(jī)和缸體靠液壓系統(tǒng)連接，可快速、穩(wěn)定、可靠地實(shí)現(xiàn)加載和卸載控制，啟停頻率可達(dá)10次/min，非常適合車(chē)輛加氫的間歇性壓縮工況。加氫站液雙活塞作用結(jié)構(gòu)兩級(jí)壓縮加氫裝置采用二級(jí)壓縮，單級(jí)壓縮比在2左右，實(shí)現(xiàn)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(chē)最終的卸車(chē)壓力一般為5MPa，有效容積使用率不到75%;采用“液驅(qū)壓縮機(jī)”可將槽車(chē)卸壓降低至2MPa，有效容積使用率提高到90%，單此一項(xiàng)可降低15%的加氫站運(yùn)輸成本。

3.4 可雙模工作、油氣缸分離

目前國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)的示范站加氫壓力多為35MPa，而美國(guó)、日本等氫能利用先進(jìn)國(guó)家的加氫站加氫壓力多為70MPa。雙活塞作用結(jié)構(gòu)兩級(jí)壓縮加氫裝置可以實(shí)現(xiàn)35MPa/70MPa雙模切換，對(duì)應(yīng)的壓縮機(jī)排氣壓力分別為45MPa/90MPa。在滿足現(xiàn)行示范運(yùn)行的同時(shí)，兼容未來(lái)加氫站壓力等級(jí)提升的需求，可以減少加氫站建設(shè)的重復(fù)投資[5]。氫燃料電池對(duì)氫氣的純度要求很高，隔膜式通過(guò)隔膜將油氣隔離，一旦發(fā)生膜片破裂，油和氫氣就會(huì)發(fā)生混合。該裝置壓縮缸設(shè)計(jì)了特別的保護(hù)性分離結(jié)構(gòu)，不但保證正常工作過(guò)程中油氣分離，而且當(dāng)密封件損壞時(shí)，液壓油和氫氣將分別進(jìn)入對(duì)應(yīng)的腔內(nèi)，仍然保持分離，避免了氫氣的污染及后續(xù)可能發(fā)生的氫燃料電池的損壞。

3.5 排氣量大，行程長(zhǎng)，往復(fù)頻率低，容積效率高，易損件壽命長(zhǎng)

雙活塞作用結(jié)構(gòu)兩級(jí)壓縮加氫裝置有較大的缸徑和行程，更容易在較低的往復(fù)速度下達(dá)到較高排量。如隔膜式往復(fù)頻率為420次/min，活塞線速度為1.8m/s，液壓活塞往復(fù)頻率僅為30次/min，線速度0.3m/s，但是雙活塞作用結(jié)構(gòu)兩級(jí)壓縮加氫裝置排量卻達(dá)到隔膜機(jī)的2.4倍。因此液壓活塞易損件壽命更長(zhǎng)。同時(shí)由于行程長(zhǎng)，容積效率高。進(jìn)氣壓力15MPa時(shí)，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(jié)約50余萬(wàn)元。

4 總結(jié)

雙活塞作用結(jié)構(gòu)兩級(jí)壓縮加氫裝置設(shè)計(jì)是該裝置使用過(guò)程的重要一部分，論證好優(yōu)化設(shè)計(jì)和工作過(guò)程，從根本上保證裝置不存在先天性弊端的劣勢(shì)。本文從前期設(shè)計(jì)到樣機(jī)實(shí)驗(yàn)都及時(shí)與現(xiàn)有同類(lèi)型裝置進(jìn)行對(duì)比，優(yōu)化結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程，確保裝置安全有效運(yùn)行。

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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