何太碧鄒 鋮劉芮言王 艷毛 丹何 彬

（1.西華大學(xué)汽車與交通學(xué)院，四川 成都 610039；2.中國石油川慶鉆探工程有限公司地質(zhì)勘探開發(fā)研究院，四川 成都 610051；3.成都工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 成都611731；4.成都技師學(xué)院，四川 成都 611743；5.中國重汽集團(tuán)成都王牌商用車有限公司，四川 成都 610300）

0 引言

“氫”被譽(yù)為21世紀(jì)的綠色新能源，氫能是一種高效、清潔、安全、可持續(xù)的二次能源［1-2]。加氫站的建造是推動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的奠基石。據(jù)H2Stations對全球加氫站的統(tǒng)計(jì)報(bào)告可知，2021年全球新增加氫站為142座，累計(jì)達(dá)到了685座。截至2022年3月底，中國已累計(jì)建成了264座加氫站。已建成的加氫站中有17座為制加氫一體站，其中有16座是水電解制氫加氫一體站［3]。壓縮機(jī)作為加氫站三大核心設(shè)備之一，其設(shè)備選型對加氫站安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、運(yùn)行至關(guān)重要［4]。

1 氫氣壓縮機(jī)使用現(xiàn)狀

壓縮機(jī)的種類繁多，按照壓縮氣體的方式不同，壓縮機(jī)分為容積式壓縮機(jī)和動(dòng)力式壓縮機(jī)兩大類［5-6]。目前國內(nèi)外多數(shù)采用的是一級(jí)容積式的隔膜壓縮機(jī)或液驅(qū)壓縮機(jī)。在壓縮機(jī)使用選擇上，國外加氫站以小排量、單一加注模式、高加注壓力為主要建站模式，因此以液驅(qū)為主［7]，而國內(nèi)加氫站則多以油氫合建站、綜合能源站為主要建站模式，因此以隔膜壓縮機(jī)為主。國內(nèi)外壓縮機(jī)使用選型分布情況如圖1所示。

圖1 國內(nèi)外加氫站壓縮機(jī)選型分布圖

為滿足氫能源的普遍使用，國內(nèi)外學(xué)者對氫氣壓縮機(jī)做了大量研究。國外學(xué)者Riofrio設(shè)計(jì)并制作了一種共振自由液體活塞壓縮機(jī)，利用進(jìn)氣壓力和油壓進(jìn)行壓縮，大大提高了壓縮效率。對于排放壓力，Kermani設(shè)計(jì)了一種新型離子液體活塞壓縮機(jī)，并在30 MPa排氣壓力條件下進(jìn)行了測試，測試結(jié)果證明壓縮機(jī)適用于低排放壓力。國內(nèi)學(xué)者馬會(huì)娟、袁想春等對大型氫氣壓縮機(jī)的內(nèi)部流程，及生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題（如回流管徑偏小、工作液流量不足、工作液溫度偏高、回流調(diào)節(jié)不穩(wěn)定，工作液管道泵維修不方便）提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施，確保設(shè)備長周期、安全、平穩(wěn)運(yùn)行［6-7]。國內(nèi)學(xué)者高碩對無油壓縮機(jī)動(dòng)力學(xué)和噪聲預(yù)測進(jìn)行了研究。主要工作有：①利用有限元分析軟件建立壓縮機(jī)有限元模型，并分別對其進(jìn)行模態(tài)分析，揭示其固有頻率和振型等振動(dòng)特性；②以多體動(dòng)力學(xué)仿真分析所得激勵(lì)為力邊界條件，利用有限元分析軟件進(jìn)行機(jī)體瞬態(tài)響應(yīng)分析，揭示機(jī)體表面振動(dòng)速度分布規(guī)律并評(píng)價(jià)機(jī)體振動(dòng)水平，為其結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)［8]。

隨著國內(nèi)加氫站壓縮機(jī)市場發(fā)展，部件國產(chǎn)化需求日益迫切，因?yàn)閲膺M(jìn)口成本高以及后期需求供應(yīng)周期長，國內(nèi)許多企業(yè)都在自主研究壓縮機(jī)。如海德利森公司已具備國產(chǎn)化能力，該公司的壓縮機(jī)有十大特點(diǎn)：耐氫材料全球領(lǐng)先、無潤滑油安全可靠、結(jié)構(gòu)經(jīng)典設(shè)計(jì)合理、維護(hù)簡單成本低、雙缸設(shè)計(jì)綜合能耗低、散熱效果好安全性高、頻繁啟停適合綜合工況、一機(jī)多用模式靈活、活塞壽命長無污染、排氣量可調(diào)節(jié)能環(huán)保。國內(nèi)企業(yè)康普銳斯對壓縮機(jī)的研究內(nèi)容包括：①密封、檢測、防護(hù)設(shè)計(jì)—杜絕液壓油污染氫氣；②獨(dú)有的檢測系統(tǒng)，降級(jí)容積余隙；③二級(jí)、多級(jí)壓縮降低能耗；④整體結(jié)構(gòu)簡單，降低故障。

2 加氫站及工藝流程簡介

加氫站可分為站內(nèi)制氫和站外制氫。國內(nèi)目前以站外制氫加氫站為主，因此筆者重點(diǎn)關(guān)注站外制氫加氫站的工藝流程。

氫氣長管拖車將5～20 MPa的低壓氫氣運(yùn)輸?shù)郊託湔緝?nèi)，然后通過卸氣柱，將氫氣輸送到壓縮機(jī)，經(jīng)壓縮機(jī)將氫氣增壓到45 MPa、70 MPa或者更高壓力，接著經(jīng)順序控制盤將高壓氫氣按照高、中、低分級(jí)儲(chǔ)存的方式存儲(chǔ)在氫氣瓶內(nèi)［9]。此時(shí)如有車輛需要加注時(shí)，加氫機(jī)可以直接從氫氣長管拖車取氣或者從低壓儲(chǔ)氫罐、中壓儲(chǔ)氫罐、高壓儲(chǔ)氫罐按順序取氣進(jìn)行加注［10-11]，完成整個(gè)加氫過程（圖2）。

圖2 氫氣長管拖車供氫加氫站工藝流程示意圖

3 氫氣壓縮機(jī)選型要點(diǎn)及測度

加氫站對壓縮機(jī)的選型要從技術(shù)性、適用性、安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性五個(gè)維度出發(fā)進(jìn)行深度考量。

壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)需達(dá)到《汽車加油加氣加氫站技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：GB 50156》和《壓縮機(jī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》。

3.1 適用性

氫氣壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)應(yīng)和使用條件達(dá)到一致性，首先要滿足供氣量與壓力的要求［12]。壓縮機(jī)的進(jìn)、排壓力，容積流量，排氣溫度，功率和效率應(yīng)該滿足相應(yīng)加氫站使用要求［13]。

3.1.1 排氣壓力

壓縮機(jī)的排氣壓力通常指最終排出壓縮機(jī)的氣體壓力，排氣壓力一般在氣體最終排出處。

3.1.2 容積流量

壓縮機(jī)容積流量，通常是指單位時(shí)間內(nèi)，將壓縮機(jī)最后一級(jí)排出的氣體量換算到第一級(jí)進(jìn)口狀態(tài)的壓力和溫度時(shí)的氣體容積值。定義為：

式中，qv為壓縮機(jī)容積流量，m3／min；qv，d為末級(jí)測得的單位時(shí)間氣體排出的容積，m3／min；Pd為qv，d所對應(yīng)的氣體壓力，Pa；Td為qv，d所對應(yīng)的氣體溫度，K；P1為第一級(jí)進(jìn)口狀態(tài)下的氣體壓力，Pa；T1為第一級(jí)進(jìn)口狀態(tài)下的氣體溫度，K；Z1為相對應(yīng)于P1、T1時(shí)的氣體壓縮系數(shù)，無因次；Zd為相對應(yīng)于Pd、Td時(shí)的氣體壓縮系數(shù)，無因次；qφ為單位時(shí)間內(nèi)分離出的水分換算到第一級(jí)進(jìn)口狀態(tài)時(shí)的容積，其中，mw為單位時(shí)間內(nèi)分離出的水的質(zhì)量，kg／min；ps1為相對于溫度T1時(shí)的水蒸氣飽和壓力，Pa；ρs1為相對于溫度T1時(shí)的飽和水蒸氣密度，m3／kg；qc為中途清除掉的氣體換算到第一級(jí)進(jìn)口狀態(tài)的容積，m3／min。

加氫站可通過日加注能力和服務(wù)車輛數(shù)量來確定合適的容積流量，進(jìn)而選擇相應(yīng)的壓縮機(jī)。

3.1.3 排氣溫度

壓縮機(jī)的排氣溫度Td是指每一級(jí)排出氣體的溫度。

式中，Td為排氣溫度，K；Ts為進(jìn)氣溫度，K；ε為名義壓力比，無因次；n為壓縮過程指數(shù)，無因次。

3.1.4 功率和效率

壓縮機(jī)單位時(shí)間內(nèi)所消耗的功稱為功率，是用來衡量壓縮機(jī)消耗動(dòng)力的大小。

指示功率：

式中，pi為指示功率，W；p′sj為實(shí)際進(jìn)氣壓力，Pa；λvj為級(jí)間析水系數(shù)，無因次；Vhj為工作容積，L；nTj為級(jí)的溫度過程指數(shù)，無因次；εj為名義壓力比，無因次；δ0j為級(jí)的進(jìn)、排氣相對壓力損失之和，Pa；Zsj為進(jìn)氣狀態(tài)下的壓縮因子，無因次；Zdj為排氣狀態(tài)下的壓縮因子，無因次。

壓縮機(jī)的效率表示壓縮機(jī)工作的完善程度，用理想壓縮機(jī)所需功率和實(shí)際壓縮機(jī)所需功率之比來表示，以此評(píng)價(jià)壓縮機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。

式中，ηi-is為等溫指示效率，無因次；pis為壓縮機(jī)所需功率，W；pi為實(shí)際壓縮機(jī)功率，W。

3.2 安全性

壓縮機(jī)整撬設(shè)計(jì)應(yīng)滿足《加氫站安全技術(shù)規(guī)范：GB／T 34584-2017》和《壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)、泵安裝工程施工及驗(yàn)收規(guī)范：GB 50275-2010》。

壓縮機(jī)整撬的安全性由各模塊元件所要求的安全性來保障。主要有泄壓閥、進(jìn)出口的自動(dòng)切斷閥、主管道的安全閥、振動(dòng)保護(hù)裝置、膜片破裂和膜片泄露檢測裝置、壓縮機(jī)連鎖報(bào)警停機(jī)裝置、異常泄露自動(dòng)報(bào)警停機(jī)裝置等。

3.3 可靠性

可靠性可從壓縮機(jī)零部件的耐久性、設(shè)計(jì)壽命和壓縮機(jī)平均無故障運(yùn)營間隔時(shí)間（MTBF）來考量［14]。

零部件主要包括：底座、曲軸箱、曲軸連桿運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、缸體部件、儀表、儀器、安全閥、調(diào)壓閥、管道和各溫度傳感器、電機(jī)。

若加氫站的運(yùn)行日志完整，可將各無故障間隔時(shí)間t1，t2……tn相加，除以無故障次數(shù)n即可得到平均無故障時(shí)間間隔（MTBF），用t表示。即

3.4 經(jīng)濟(jì)性

系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性可以通過以下指標(biāo)進(jìn)行考量：①壓縮機(jī)的能耗來自于電力、冷卻水、潤滑油。選擇時(shí)可以采用相同進(jìn)氣壓力的情況下，不同型號(hào)壓縮機(jī)所產(chǎn)生的能耗的的方法來對比分析。②初投資，包括：機(jī)器設(shè)備購置、安裝調(diào)試等費(fèi)用。③壓縮機(jī)日常維護(hù)及保養(yǎng)費(fèi)用［15]。日常適當(dāng)?shù)鼐S護(hù)有利于整個(gè)加氫站的工作效率，然而過多的維護(hù)和保養(yǎng)會(huì)浪費(fèi)人力和財(cái)力資源。維修費(fèi)用包括備品配件、維修人員費(fèi)用等。通常，完全因維修壓縮機(jī)帶來的生產(chǎn)損失費(fèi)用，可用平均年消耗費(fèi)用來評(píng)估，即

式中，F(xiàn)a為平均年消耗費(fèi)用，元；Mpa為每年初投資折舊費(fèi)，元；N為機(jī)器設(shè)備使用年限，一般為15～30年；Fa按年復(fù)利i計(jì)算的提成因子，無因次（圖3）；Mm為機(jī)器設(shè)備安置費(fèi)，萬元；Mp為廠房建造費(fèi)，萬元；Mi為機(jī)器設(shè)備安裝費(fèi)，元；MO為年操作運(yùn)行費(fèi)，元；me為每小時(shí)動(dòng)力費(fèi)，元；mw為每小時(shí)水費(fèi)，元；mo為每小時(shí)潤滑費(fèi)，元；h為年運(yùn)行小時(shí)數(shù)，個(gè)；Ml為運(yùn)行人員年工資數(shù)，萬元；Mr為每年修理費(fèi)，萬元；Ms為配件更換費(fèi)，元；M2為修理人員費(fèi)用，元。

圖3 年復(fù)提成因子圖

在加氫站規(guī)模和服務(wù)車輛確定的情況下，通過技術(shù)性、適用性、安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性綜合分析來確定最佳配套的壓縮機(jī)。

4 兩種主要形式壓縮機(jī)比較分析

隔膜壓縮機(jī)的氣缸由膜腔來構(gòu)成，通過曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)連桿擺動(dòng)形成活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使得液壓油壓力升降，從而推動(dòng)膜片往復(fù)擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)吸氣、壓縮、排氣循環(huán)往復(fù)的過程［16]。隔膜壓縮機(jī)在工作中氣體不與任何潤滑油接觸，與外界是完全隔絕的狀態(tài)，適用于壓縮純度極高的氣體。隔膜壓縮機(jī)原理圖如圖4所示。

圖4 隔膜壓縮機(jī)原理示意圖

液驅(qū)式壓縮機(jī)為雙頭，是由液壓油作為驅(qū)動(dòng)介質(zhì)，通過驅(qū)動(dòng)側(cè)活塞帶動(dòng)氣體加壓活塞運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)氣體的吸入和推出，活塞一個(gè)往復(fù)循環(huán)可以實(shí)現(xiàn)兩次加壓，加壓效率高［17]。液驅(qū)壓縮機(jī)原理圖如圖5所示。

圖5 液驅(qū)壓縮機(jī)原理示意圖

1）隔膜壓縮機(jī)。①優(yōu)點(diǎn)：工作中不與氫氣接觸，密封效果好［18]；安全系數(shù)高，膜片中設(shè)置安全報(bào)警傳感器可在毫秒級(jí)響應(yīng)；對比500 kg壓縮機(jī)，能耗低；氫氣泄漏量低；加氫站首選類型，客戶認(rèn)可度高。②缺點(diǎn)：基礎(chǔ)理論儲(chǔ)備差，“先天基因”決定流量??；進(jìn)口膜片費(fèi)用高，關(guān)鍵設(shè)備可靠性低；不適應(yīng)頻繁啟停，設(shè)備笨重且安裝維護(hù)復(fù)雜。

2）液驅(qū)壓縮機(jī)。①優(yōu)點(diǎn)：模塊化設(shè)計(jì)，通過靈活選擇不同壓縮比的泵，來實(shí)現(xiàn)不同壓力等級(jí)和流量；可帶載啟停，頻繁啟停；成本低，可靠性高，易損部件少，維護(hù)成本低。②缺點(diǎn)：密封性要求高，氫氣可能泄露，單級(jí)壓縮比較低，單臺(tái)增壓量小，活塞機(jī)構(gòu)噪音大［19-20]。

5 壓縮機(jī)選型實(shí)例分析

日前，國內(nèi)加氫站主要依據(jù)氫氣氣源穩(wěn)定性和加注車輛穩(wěn)定性來確定壓縮機(jī)。對于設(shè)備配置方面國內(nèi)35 MPa加氫站的壓縮機(jī)技術(shù)參數(shù)多數(shù)采用表2的形式。

表2 加氫站技術(shù)參數(shù)表

國內(nèi)已建成的加氫站中多以示范點(diǎn)為主，多為小型或微型壓縮機(jī)，隨著我國對氫能產(chǎn)業(yè)鏈的布局規(guī)劃，相關(guān)公司開發(fā)了排氣量大于10 m3／min以上的大型隔膜壓縮機(jī)［21]。選取上海和浙江兩座加氫站大型壓縮機(jī)為例，來分析選取壓縮機(jī)的條件。

西上海加氫站選擇的是1 000 kg／12 h排量45 MPa進(jìn)氣壓力的液驅(qū)壓縮機(jī)，日加注量能達(dá)到1 100 kg左右［22]。該站主要通過以下兩種工況來選擇液驅(qū)壓縮機(jī)：①充分利用管束車余壓，正常管束車余壓一般會(huì)達(dá)到7 MPa左右，實(shí)際希望管束車余壓降到2～3 MPa；②加注車輛不穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)初期加注車輛實(shí)際數(shù)量和實(shí)際加注時(shí)間等不確定。

基于兩點(diǎn)原因選取液驅(qū)壓縮機(jī)有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①壓縮機(jī)可串并聯(lián)靈活切換。2臺(tái)1 000 kg／12 h液驅(qū)壓縮機(jī)在正常使用的前提下，進(jìn)口壓力在7～20 MPa時(shí)選擇兩臺(tái)壓縮機(jī)并聯(lián)使用，提高壓縮機(jī)排量；而在管束車壓力較低時(shí)（2～7 MPa），則將壓縮機(jī)從并聯(lián)模式切換為串聯(lián)模式，充分利用管束車余壓。壓縮機(jī)的串并切換可以保證在不同工況下充分使用，填補(bǔ)加注車輛不穩(wěn)定的空缺。②新增較多的安全模塊和功能。利用壓力差或者壓縮機(jī)對儲(chǔ)氫容器實(shí)現(xiàn)倒罐功能；壓縮機(jī)及瓶組的緊急放散功能；采用安全PLC和邏輯PLC雙PLC模式安全控制模式；實(shí)現(xiàn)對整站泄露檢測功能等。

浙江嘉善加氫站采用的是隔膜壓縮機(jī)，在建站初期計(jì)劃滿足50輛氫燃料電池客車的加注要求，日實(shí)際加注量為800～1 000 kg。嘉善加氫站選擇隔膜壓縮機(jī)有兩點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：①加注量較為穩(wěn)定，減少隔膜壓縮機(jī)頻繁啟停，易損件和膜片的壽命相對較長。根據(jù)目前站內(nèi)數(shù)據(jù)，壓縮機(jī)膜片壽命最長已達(dá)1年零3個(gè)月（膜片更換周期一般為6～8個(gè)月）。②控制流程上對壓縮機(jī)高低壓輸出上做了控制，更大地利用瓶組余壓，實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行。

從上述兩座加氫站的實(shí)際運(yùn)行工況來講，加注量較大而設(shè)計(jì)工況不同的情況下，隔膜壓縮機(jī)和液驅(qū)壓縮機(jī)的運(yùn)行效果都是比較好的。這兩座加氫站在選擇壓縮機(jī)前，不僅考慮了本站的自身因素，還考慮了相應(yīng)的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。

選型建議。①根據(jù)氣源壓力：固定站氣源充足且氣源壓力主要為5～20 MPa，可選擇隔膜壓縮機(jī)。②根據(jù)加氫站的服務(wù)半徑以及服務(wù)車輛的類型及數(shù)量來確定加注量是否穩(wěn)定。若加注量較為穩(wěn)定建議采用隔膜壓縮機(jī)，在一定程度上能夠節(jié)約運(yùn)行能耗和建設(shè)成本。③如遇特殊的工況：頻繁啟停、不同壓力等級(jí)加注等情況?？蓛?yōu)先考慮液驅(qū)壓縮機(jī)。

選型關(guān)鍵點(diǎn)。①是看壓縮機(jī)的排量，不論哪種形式首先要滿足供氣量要求，主要包括有進(jìn)氣最低壓力、排氣最高壓力等。②是從整個(gè)壓縮機(jī)撬的設(shè)計(jì)上，主要包括三個(gè)方面：結(jié)構(gòu)形式（包括液驅(qū)和隔膜）；整個(gè)壓縮機(jī)撬是整體成撬的方式，還是開放式或集裝箱式的方式；需考慮周邊環(huán)境，若是存在噪音問題則需考慮隔音情況。同時(shí)，在設(shè)計(jì)封裝的時(shí)候會(huì)設(shè)置相應(yīng)安全措施，比如氫氣探頭、氧氣探頭等，保證整個(gè)壓縮機(jī)撬的安全。③是從選型注意事項(xiàng)方面考慮，壓縮機(jī)壓縮比及級(jí)數(shù)作為選型過程中比較重要的一個(gè)關(guān)注點(diǎn)。在兩種不同模式（管束車供氫和制氫供氫）下，壓縮機(jī)級(jí)數(shù)存在差異：以1.6 MPa為例，采用兩級(jí)壓縮的方式才能將氫氣壓力提高到45 MPa的出口壓力；冷態(tài)啟動(dòng)和頻繁啟動(dòng)，這是在設(shè)計(jì)工況時(shí)需重點(diǎn)考慮的因素；由于壓縮機(jī)需要提供外部冷源，因此需要對壓縮機(jī)設(shè)備的冷卻狀態(tài)和模式做重點(diǎn)考量。

6 結(jié)束語

氫能被視為低碳終極能源，車用加氫站是應(yīng)用推廣氫能的重要場景，而在加氫站建設(shè)中至關(guān)重要的就是設(shè)備的選型。壓縮機(jī)作為加氫站核心部件，不論是在自身價(jià)值還是使用價(jià)值上都舉重若輕。目前對于加氫站壓縮機(jī)的型號(hào)、參數(shù)等因素沒有具體的選型標(biāo)準(zhǔn)，并且國內(nèi)加氫站多以示范點(diǎn)為主且服務(wù)于指定公交車、物流輕卡、重卡等車輛，還不能達(dá)到正常運(yùn)營的效果。鑒于此，筆者認(rèn)為：首先應(yīng)確定加氫站服務(wù)的對象，繼而通過車輛數(shù)量確定一個(gè)日加氫量的大小，從而來確定壓縮機(jī)的流量；其次是車輛每天加氫時(shí)間、加注量，以此來確定壓縮機(jī)的工作軌線，是否頻繁啟停，長時(shí)間運(yùn)行，超負(fù)荷運(yùn)行等，從而來確定壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)；接著是創(chuàng)新性的選擇優(yōu)化，應(yīng)用可行的新技術(shù)，進(jìn)行創(chuàng)新構(gòu)思，提出新的選配方案；最后可以通過咨詢加氫站運(yùn)行、調(diào)試人員來了解不同壓縮機(jī)日常工作概況，對以后建站時(shí)選取具體類型的壓縮機(jī)提供建議。