双活塞作用结构两级压缩加氢装置设计

王兰红　王登强　王锐　王建军　王锋

摘要：近年来加氢装置越来越受到各研究机构的重视，双活塞作用结构两级压缩加氢装置设计是该装置使用过程的重要一部分，论证好优化设计和工作过程，从根本上保证装置不存在先天性弊端的劣势。本文从前期设计到样机实验都及时与现有同类型装置进行对比，优化结构和工作过程，确保装置安全有效运行。

关键词：双活塞;两级压缩;加氢装置

中图分类号：TH133.4           文献标识码：A

收稿日期：2020-05-10

作者简介：王兰红（1979-），女，副教授，研究方向：汽车电器设备;王登强（1989-），男，讲师，研究方向：汽车动力装置;王锐（1982-），女，副教授，研究方向：新能源汽车;王建军（1979-），男，讲师，研究方向：财务管理，项目绩效评价。

随着近年来氢能源的开发利用，各研究机构对于氢相关的研究不断增加[1]。尤其是在国家层面政策的利好，据调查到2030年，我国规划建设1000座加氢站，而现已建成的加氢站仅有26座，以目前压缩机市场价格200万/套计算，加氢站压缩机市场至2030年将达到20亿元[2]。到2050年，加氢站压缩机的市场规模将达到百亿级别。在国内大力发展氢能源的同时，国际市场前景更加广阔。本文以一款新型加氢装置为研究对象，重点研究装置的系统组成、工作过程以及市场优势。

1 系统组成

双活塞作用结构两级压缩加氢装置由油泵电机、油冷却器、换向阀组（内涵氮气置换机构、氢气压缩机构）、回油过滤器、吸油过滤器、箱体、油缸及压缩缸等组成，连接方式如图1所示。

油冷却器：压缩机运行过程中，气体压缩会发热，液压系统工作时油温会升高，因此配套冷却系统，冷却系统为风冷式，结构简单，可靠性高。

换向阀组：压缩机控制系统包括PLC控制柜和系统配套各传感器、执行器等部件。控制系统全自动设计，压缩机运行、停机、报警、自检全部为自动控制，无须人工干预。由于氢气易燃易爆，因此检修维护后，系统开机前必须将压缩机内部的空气置换掉，压缩机自带氮气置换系统，方便操作，保障安全。

箱体静音设计：压缩机配套隔音防雨箱体。箱体采用多层隔音结构组合，以降低噪音传播，箱体外1m处噪音小于85dB，特别的结构设计能防止氢气聚集。

回油过滤器、吸油过滤器：压缩机工作运行过程中过滤压缩油。

2 关键部件工作原理

双活塞作用结构两级压缩加氢装置工作过程稳定可靠，在同一个压缩缸内完成两级压缩。如需要进一步提高压缩气体压力可以串联相同规格的压缩机即可完成[3]，工作过程如图2所示。其中压缩缸可以往复压缩，在不同腔内完成两级压缩。压缩机采用电机驱动油泵供油，推动油缸活塞运动，同步带动气缸活塞运动，通过换向集成系统进行换向，完成气体压缩做功。

3 设计优势

3.1 制造成本低，故障率低

双活塞作用结构两级压缩加氢装置的制造成本仅为隔膜式的50%左右。目前氢气压缩机成本占整个加气站建设成本的30%，该装置的推广应用可以有效降低续加氢站的建设成本，并且结构简单，易损件少、故障点少、维修率低，其运动部件数量仅为机械式的5%、隔膜式的10%左右。

3.2 维护成本低，维护周期长

双活塞作用结构两级压缩加氢装置采用了无油润滑的特别结构设计，密封易损件的使用寿命长。隔膜式通过隔膜在隔膜腔往复挠曲实现气体压缩，容易在膜片与缸体连接边缘受往复应力部位发生断裂，易损件隔膜的使用寿命短[4]。双活塞作用结构两级压缩加氢装置气缸采用镜面处理，密封件采用自润滑材料制造，摩擦力小、磨损量低。目前试验样机上的液压活塞密封件的使用寿命已超过16000h。双活塞作用结构两级压缩加氢装置维护成本仅为隔膜式的50%左右。

3.3 可频繁启动、槽车利用率高

机械式、隔膜式均为曲轴连杆机构驱动，启动时须先将缸内气体平衡，待电机达到额定转速后再进行加载，原理与汽车发动时需挂空挡相同，因此都需要额外配套卸载排气系统，且无法实现频繁启停机。“液驱压缩机”中的电机和缸体靠液压系统连接，可快速、稳定、可靠地实现加载和卸载控制，启停频率可达10次/min，非常适合车辆加氢的间歇性压缩工况。加氢站液双活塞作用结构两级压缩加氢装置采用二级压缩，单级压缩比在2左右，实现了更低的压缩排气温度和更高的压缩效率。目前加氢站槽车最终的卸车压力一般为5MPa，有效容积使用率不到75%;采用“液驱压缩机”可将槽车卸压降低至2MPa，有效容积使用率提高到90%，单此一项可降低15%的加氢站运输成本。

3.4 可雙模工作、油气缸分离

目前国内运营的示范站加氢压力多为35MPa，而美国、日本等氢能利用先进国家的加氢站加氢压力多为70MPa。双活塞作用结构两级压缩加氢装置可以实现35MPa/70MPa双模切换，对应的压缩机排气压力分别为45MPa/90MPa。在满足现行示范运行的同时，兼容未来加氢站压力等级提升的需求，可以减少加氢站建设的重复投资[5]。氢燃料电池对氢气的纯度要求很高，隔膜式通过隔膜将油气隔离，一旦发生膜片破裂，油和氢气就会发生混合。该装置压缩缸设计了特别的保护性分离结构，不但保证正常工作过程中油气分离，而且当密封件损坏时，液压油和氢气将分别进入对应的腔内，仍然保持分离，避免了氢气的污染及后续可能发生的氢燃料电池的损坏。

3.5 排气量大，行程长，往复频率低，容积效率高，易损件寿命长

双活塞作用结构两级压缩加氢装置有较大的缸径和行程，更容易在较低的往复速度下达到较高排量。如隔膜式往复频率为420次/min，活塞线速度为1.8m/s，液压活塞往复频率仅为30次/min，线速度0.3m/s，但是双活塞作用结构两级压缩加氢装置排量却达到隔膜机的2.4倍。因此液压活塞易损件寿命更长。同时由于行程长，容积效率高。进气压力15MPa时，隔膜式单位能耗为0.11kwh/Nm3，液压式仅为0.045Kwh/Nm3，液压式比隔膜式能耗降低约60%，加氢站年电耗节约50余万元。

4 總结

双活塞作用结构两级压缩加氢装置设计是该装置使用过程的重要一部分，论证好优化设计和工作过程，从根本上保证装置不存在先天性弊端的劣势。本文从前期设计到样机实验都及时与现有同类型装置进行对比，优化结构和工作过程，确保装置安全有效运行。

参考文献：

[1]成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2007.

[2]屈宗长.同步回转式压缩机的几何理论[J].西安交通大学学报，2003（07）：731-733.

[3]傅俐，肖宝寿，金萍.大型往复式氢气压缩机卸荷器的节能技术改造[J].能源工程，2016（03）：42-44.

[4]宋云，康振生，黄成宝，等.含硫化氢介质的往复压缩机设计选材[J].压缩机技术，2012（11）：19-21.

[5]刘增庆，李进，黄宏林.重整氢增压机结焦设备故障分析及消减措施探讨[J].石油化工应用，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