張萬凌 康 祥 李 云 高秀峰 李建杰 馮學(xué)強(qiáng)

（1.西安交通大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院；2.浙江強(qiáng)盛壓縮機(jī)制造有限公司）

氫燃料電池電動(dòng)汽車（Fuel Cell Electric Vehicle，F(xiàn)CEV）被認(rèn)為是降低排放、解決人類未來能源與環(huán)境問題的重要途徑之一。 FCEV發(fā)展和大規(guī)模應(yīng)用的前提是建設(shè)加氫站基礎(chǔ)設(shè)施。 加氫站主要設(shè)備包括高壓氫氣壓縮機(jī)、氫氣加注機(jī)、高壓氫氣儲(chǔ)罐、管路及控制系統(tǒng)等，其中高壓氫氣壓縮機(jī)是加氫站的核心與關(guān)鍵設(shè)備，其技術(shù)難度大，造價(jià)高，占整個(gè)加氫站建設(shè)成本的1/4左右。

通常加氫站的氫氣來源主要是采用槽車運(yùn)輸方案，槽車內(nèi)氫氣壓力為20 MPa。 長管拖車運(yùn)來的氫氣通過卸氣柱計(jì)量，再經(jīng)過壓縮機(jī)增壓后儲(chǔ)存到地面大容積高壓儲(chǔ)罐中；有車輛需要加氣時(shí)，由加注機(jī)從高壓儲(chǔ)罐取氣，將氫氣快速加入FCEV車載儲(chǔ)氫瓶中［1］；有時(shí)地面儲(chǔ)罐壓力和供氣能力不足時(shí)， 壓縮機(jī)也可直接將氫氣供給加注機(jī)；當(dāng)槽車壓力較高時(shí)，槽車也可直接給加注機(jī)供氣，以節(jié)省壓縮氫氣的能耗。 上述系統(tǒng)通過自動(dòng)控制閥件進(jìn)行管路切換，所有裝置自動(dòng)工作。

目前， 我國FCEV車載儲(chǔ)氫瓶的壓力等級(jí)多為35 MPa，加氫站相應(yīng)設(shè)備的壓力等級(jí)也是35 MPa，壓縮機(jī)的排氣壓力多設(shè)定為45 MPa。 而一些發(fā)達(dá)國家開發(fā)了70 MPa壓力等級(jí)的車載氫氣和加氫站系統(tǒng)，可將乘用車的續(xù)航里程提升到800 km。 此外，目前世界范圍內(nèi)的加氫站基本都處于示范運(yùn)行和嘗試階段，尤其是在我國，因此加氫站的氫氣需求量比較小，一般不超過500 Nm3/h。 如若FCEV未來要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用，必須發(fā)展高壓（70 MPa）大流量加氫站。 相應(yīng)地，壓縮機(jī)的供氣能力也要達(dá)到1 000 Nm3/h以上。 因此，有必要對(duì)70 MPa壓力等級(jí)加氫站用大流量氫壓機(jī)開展系統(tǒng)的技術(shù)研究和前瞻性的產(chǎn)品開發(fā)［2］。

我國在役35 MPa加氫站多采用隔膜壓縮機(jī)進(jìn)行氫氣增壓，也有少量采用往復(fù)活塞式、液驅(qū)活塞式和離子液體壓縮機(jī)［3］。 隔膜壓縮機(jī)不會(huì)污染被壓縮的氣體，并且單級(jí)壓比高；但其缺點(diǎn)是膜片容積有限，轉(zhuǎn)速不高，很難實(shí)現(xiàn)大流量，因此難以滿足未來70 MPa加氫站商業(yè)化發(fā)展大流量的使用需求。筆者利用熱動(dòng)力分析模型對(duì)70 MPa加氫站用大排量活塞壓縮機(jī)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，分析其熱動(dòng)力特性、結(jié)構(gòu)形式、變工況特性及電機(jī)功率匹配等變化，以綜合判斷活塞壓縮機(jī)方案的實(shí)際應(yīng)用可行性。

1 70 MPa加氫站大流量氫壓機(jī)選型

1.1 加氫站氫壓機(jī)工作特性

我國35、70 MPa示范性加氫站多采用隔膜式壓縮機(jī)， 壓縮機(jī)排氣壓力分別為45.0、87.5 MPa。加氫站氫壓機(jī)不同于化工工藝氣體壓縮機(jī)，其工作特性有以下4點(diǎn)：

a. 寬工況。 若采用槽車供氫，供氣壓力一般為2～20 MPa，排氣壓力隨氣瓶壓力變化。 故加氫站壓縮機(jī)無穩(wěn)定工況，這會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)級(jí)間壓力和密封壓差發(fā)生變化，另外還需要進(jìn)一步考慮熱動(dòng)力參數(shù)選取、 電機(jī)功率匹配和活塞力匹配問題。

b. 無油潤滑與密封。氫燃料電池對(duì)氫氣的純度要求較高，因此壓縮機(jī)中高壓氫氣密封要盡量避免使用潤滑油，以免潤滑油污染氫氣，造成燃料電池系統(tǒng)中毒。 但無油潤滑和高壓氫環(huán)境會(huì)縮短動(dòng)密封件的工作壽命。

c. 材料耐氫脆。 高壓、高溫氫氣容易使壓縮機(jī)材料產(chǎn)生氫脆而造成裂紋、 泄漏甚至事故等。尤其是氫壓機(jī)的氣缸、活塞等直接受壓部件和接觸氫氣的部件，均需要采取措施以防止氫脆可能帶來的損壞。

d. 頻繁啟/停。為適應(yīng)FCEV隨時(shí)加氫，加氫站壓縮機(jī)需要頻繁啟/停，這會(huì)影響氫壓機(jī)的使用壽命和工作特性。

1.2 壓縮機(jī)機(jī)型分析

1.2.1 隔膜式壓縮機(jī)

隔膜式壓縮機(jī)氣體密封性好，泄漏少，壓縮氣體純凈，單機(jī)壓比高，目前在國內(nèi)外示范加氫站中被廣泛應(yīng)用。 但若用于70 MPa等級(jí)的大流量商用加氫站則會(huì)存在一定的缺陷：

a. 流量小。 隔膜式壓縮機(jī)隔膜變形有限（受限于材料、結(jié)構(gòu)和膜頭尺寸）。 另外，膜片被液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)速通常為500 r/min，單臺(tái)流量一般不超過每天500～1 000 kg， 而大流量商用加氫站預(yù)計(jì)在每天2 100 kg（1 000 Nm3/h）以上，故隔膜式壓縮機(jī)難以滿足大流量需求。

b. 膜片使用壽命短。目前示范加氫站壓縮機(jī)的金屬膜片壽命一般要求500 h。主要原因是壓縮機(jī)需要頻繁啟/停加注氣體， 加氫站常進(jìn)行帶載啟/停，由于油壓和氣壓的不平衡，容易造成膜片的上下壓差過大，導(dǎo)致膜片損壞。 對(duì)于未來70 MPa大流量加氫站， 如果膜片壽命只能達(dá)到500 h，則很難滿足商用加氫站頻繁使用的要求。

c. 卸氣速度慢。 由于液體的慣性，隔膜式壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速不能過高，同時(shí)也不適合采用變頻器調(diào)整轉(zhuǎn)速，當(dāng)槽車氫氣壓力較低時(shí)，隔膜式壓縮機(jī)壓比過高，流量較小，卸氣速度較慢，從而影響加氫站的整體工作效率。

d. 槽車氫氣利用率低。 由于壓比的限制，隔膜式壓縮機(jī)最低吸氣能力一般為4～6 MPa， 導(dǎo)致槽車一部分氣體不能被加注， 槽車氫氣利用率低，運(yùn)輸效率低、成本高。

1.2.2 活塞式壓縮機(jī)

活塞式壓縮機(jī)的特點(diǎn)是高轉(zhuǎn)速、大流量且可變頻，目前已應(yīng)用于70 MPa加氫站，其工作特性如下：

a. 流量大?；钊綁嚎s機(jī)的流量取決于氣缸直徑和壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，其轉(zhuǎn)速一般可以達(dá)到1 000～1 500 r/min，故極易實(shí)現(xiàn)大流量。 如日本神鋼70 MPa級(jí)活 塞氫壓 機(jī) 轉(zhuǎn) 速在1 000 r/min左 右［4］，其流量可達(dá)1 200 Nm3/h， 適用于FCEV大規(guī)模普及后的大型商用加氫站。

b. 隨時(shí)啟/停。 活塞式壓縮機(jī)依靠曲柄連桿系統(tǒng)工作， 可隨時(shí)啟/停， 滿足大流量加氫站中FCEV的加氫隨機(jī)性要求。

c. 卸氣速度快。 活塞式壓縮機(jī)采用變頻技術(shù)，低進(jìn)氣壓力時(shí)通過提高轉(zhuǎn)速，增大流量，加快槽車卸氣，從而提高加氫站的整體工作效率。

d. 槽車?yán)寐矢摺?活塞式壓縮機(jī)吸氣能力強(qiáng)，槽車壓力僅有2 MPa也可進(jìn)氣，隔膜壓縮機(jī)需要槽車壓力4～6 MPa才可進(jìn)氣， 這將使槽車的氫氣利用率提高16.1%～21.5%（20 MPa、18 m3的槽車），同時(shí)降低氫氣運(yùn)輸成本。

e. 安全性好?；钊綁嚎s機(jī)容易實(shí)現(xiàn)變頻技術(shù)，通過調(diào)整轉(zhuǎn)速，可防止出現(xiàn)高進(jìn)氣壓力時(shí)流量過大引起的瓶組超壓風(fēng)險(xiǎn)［5］，確保加氫站的安全運(yùn)行。

2 寬工況下70 MPa加氫站活塞式壓縮機(jī)設(shè)計(jì)方案

2.1 高壓氫氣物性計(jì)算模型

由于氫氣加注壓力較高，對(duì)寬工況壓縮機(jī)進(jìn)行性能分析時(shí)不能將其看作理想氣體，需要按照實(shí)際氣體情況進(jìn)行分析。 實(shí)際氣體狀態(tài)方程為：

2.2 寬工況氫壓機(jī)熱力分析模型

鑒于加氫站壓縮機(jī)要求能夠在結(jié)構(gòu)一定的情況下，實(shí)現(xiàn)進(jìn)排氣壓力寬范圍變化。 因此，根據(jù)兩相鄰級(jí)的氣缸工作容積關(guān)系，可知級(jí)間壓力的表達(dá)式為：

針對(duì)寬工況氫壓機(jī)，所建立的熱動(dòng)力分析模型計(jì)算流程如圖1所示。

圖1 寬工況氫壓機(jī)熱動(dòng)力分析模型計(jì)算流程

2.3 活塞式壓縮機(jī)方案設(shè)計(jì)與分析

2.3.1 壓比與級(jí)數(shù)

寬工況下的加氫站壓縮機(jī)工作模式不同于固定工況壓縮機(jī)。 它的吸氣壓力不斷降低，導(dǎo)致總壓比時(shí)刻變化。 按壓縮機(jī)最大總壓比ε=87.6/2.1=41.7計(jì)算，若按四級(jí)壓縮等壓比分配，每級(jí)壓比為2.54，若按三級(jí)壓縮等壓比分配，每級(jí)壓比為3.47。從壓比數(shù)值上看似四級(jí)壓縮較為合適，但考慮寬工況后實(shí)際情況并非如此。 圖2所示為排氣壓力87.5 MPa下的活塞式壓縮機(jī)， 在不同槽車壓力下進(jìn)氣時(shí)三級(jí)壓縮和四級(jí)壓縮的壓比分布。 可以看出，四級(jí)壓縮時(shí)，單級(jí)最高壓比接近2.9，而三級(jí)壓縮時(shí)，單級(jí)最高壓比為3.9。 當(dāng)進(jìn)氣槽車壓力較高時(shí)，四級(jí)壓縮和三級(jí)壓縮的末級(jí)壓比都趨近1.0，四級(jí)壓縮時(shí)甚至后兩級(jí)的壓比都變?yōu)榱?.0，這意味著此時(shí)主要是壓縮機(jī)的前兩級(jí)在工作。 雖然三級(jí)壓縮出現(xiàn)了較高的單級(jí)壓比，但這些工況在全工況中所占比例較小，僅在極限工況附近出現(xiàn)。 對(duì)于加氫站壓縮機(jī)，無論采用三級(jí)壓縮還是四級(jí)壓縮，級(jí)與大氣之間的填料部分最高密封壓差完全相同，所以四級(jí)壓縮方案在密封方面的優(yōu)勢(shì)并不顯著。 此外，級(jí)數(shù)越多，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，附屬零部件也越多，因此加氫站活塞式壓縮機(jī)采用三級(jí)壓縮較為合適。

圖2 活塞式壓縮機(jī)在不同進(jìn)氣壓力下的壓比分布

此外，加氫站壓縮機(jī)壓比分配不同于一般工藝壓縮機(jī)，分析圖2可知，在三級(jí)壓縮方案下當(dāng)槽車壓力降低到4 MPa時(shí)末級(jí)壓比才大于3.0， 說明其末級(jí)在高壓比工況下的工作時(shí)間較短，因此末級(jí)可取較高的壓比。

2.3.2 結(jié)構(gòu)形式

常見的壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)形式有立式、臥式及角度式等。 本方案中壓縮機(jī)采用2列構(gòu)造，考慮到活塞式壓縮機(jī)的密封要求較高， 建議采用立式結(jié)構(gòu)。立式結(jié)構(gòu)的氣缸中心線垂直于地面，故氣缸（或缸套）鏡面不承受活塞組件的壓力，十字頭滑道也不承受十字頭組件的重力，氣缸、活塞環(huán)和填料磨損最小且均勻，氣體密封條件最佳。

在確定活塞式壓縮機(jī)氣缸形式時(shí)，要兼顧氣體力和活塞桿的強(qiáng)度，適當(dāng)調(diào)整壓比分配，防止出現(xiàn)過大的氣體力和氣體力正負(fù)幅值差異；還要降低密封壓差，盡量得到有利于連桿潤滑的氣體力分布。 經(jīng)過分析，采用第1級(jí)雙作用，第2、3級(jí)正級(jí)差氣缸， 能夠避免活塞桿直徑和缸徑過于接近，有利于減小余隙容積。 圖3為排氣壓力為87.5 MPa時(shí)活塞力（氣體力）分布情況，可以看出，大部分工況點(diǎn)活塞力分布都有正有負(fù)，活塞力最大正負(fù)幅值差異較小。

圖3 三級(jí)壓縮活塞式壓縮機(jī)氣體力分布

2.3.3 電機(jī)功率與流量

所謂平均流量，是指加氫過程中的加氫總量除以加氫過程的總時(shí)間。 如圖4所示，在固定轉(zhuǎn)速1 000 r/min下工作， 不同排氣壓力下的流量基本相同，平均流量約為857 Nm3/h，但功率消耗則差別很大。 如圖5所示，在固定轉(zhuǎn)速1 000 r/min下工作，排氣壓力越高，功率越大，最高可達(dá)150 kW以上， 然而壓縮機(jī)在大功率下的工作時(shí)間很短，只有5、6個(gè)工況點(diǎn)的軸功率要求在150 kW左右。 如果選用150 kW的電機(jī)，則會(huì)出現(xiàn)“大馬拉小車”的現(xiàn)象。 因此，通過變頻技術(shù)，短時(shí)間改變轉(zhuǎn)速調(diào)整流量， 選用小功率但適合大范圍工況的變頻電機(jī)，即可充分發(fā)揮電機(jī)的使用效率。

圖4 活塞式壓縮機(jī)1 000 r/min下的流量分布

圖5 活塞式壓縮機(jī)1 000 r/min下的軸功率分布

圖6為132 kW最大電機(jī)功率活塞式壓縮機(jī)的流量分布。由圖6可知，排氣壓力45.0 MPa下，當(dāng)槽車壓力降低至12 MPa時(shí)流量才從2 000 Nm3/h開始降低，當(dāng)槽車壓力降至2 MPa時(shí)達(dá)到最小流量；排氣壓力87.5 MPa下，槽車壓力20 MPa時(shí)流量隨槽車壓力從1 750 Nm3/h開始降低，槽車壓力降低至5 MPa后，與45.0 MPa排氣壓力曲線重合。 計(jì)算得到其平均流量約為1 053 Nm3/h，相比定轉(zhuǎn)速1 000 r/min時(shí)的平均流量，提升了約23%。 圖7、8為壓縮機(jī)的軸功率與轉(zhuǎn)速分布。 排氣壓力45.0 MPa時(shí)， 隨著槽車壓力的下降軸功率與轉(zhuǎn)速均增大，當(dāng)槽車壓力降至12 MPa時(shí)電機(jī)功率開始下降，轉(zhuǎn)速達(dá)到最大；排氣壓力87.5 MPa下，當(dāng)槽車壓力降至5 MPa時(shí)軸功率開始下降， 轉(zhuǎn)速達(dá)到最大。 可見，當(dāng)槽車壓力降低至一定水平時(shí)，限制軸功率的是電機(jī)轉(zhuǎn)速。 由圖8可知，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速相對(duì)較高（800～1 500 r/min）時(shí)，有利于提高電機(jī)工作效率。 因此，132 kW的變頻電機(jī)是合適的。

圖6 132 kW電機(jī)功率活塞式壓縮機(jī)的流量分布

圖7 132 kW電機(jī)功率活塞式壓縮機(jī)的軸功率分布

圖8 132 kW電機(jī)功率活塞式壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速分布

由上述分析可知，加氫站壓縮機(jī)的電機(jī)最大功率可小于所需最大軸功率以提升全工況下的電機(jī)效率，但具體數(shù)值應(yīng)按實(shí)際工作情況經(jīng)過計(jì)算后決定，同時(shí)還需考慮啟動(dòng)等因素［8］。

3 結(jié)論

3.1 活塞式壓縮機(jī)相對(duì)隔膜式壓縮機(jī)更適合大流量70 MPa加氫站，在流量、槽車?yán)寐?、啟停等方面具有?yōu)勢(shì)。

3.2 70 MPa加氫站用活塞式壓縮機(jī)級(jí)數(shù)選取需考慮寬工況下的要求，因可接受瞬間出現(xiàn)的較高壓比，宜采用三級(jí)壓縮方案，末級(jí)可取較高的壓比；其結(jié)構(gòu)形式主要受密封問題影響，建議采用立式2列結(jié)構(gòu)， 其中第1級(jí)雙作用， 第2、3級(jí)正級(jí)差。

3.3 由于寬工況特性， 壓縮機(jī)可采用變頻電機(jī)。在保證流量滿足要求的前提下， 可適當(dāng)改變轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速隨進(jìn)氣壓力降低而升高，從而降低軸功率，選取較小功率電機(jī)。 經(jīng)過分析，當(dāng)平均流量為1 000 Nm3/h，排氣壓力為87.5 MPa，槽車壓力為20 MPa 時(shí)，轉(zhuǎn)速為800 r/min，槽車壓力降低至5 MPa時(shí)，轉(zhuǎn)速達(dá)到最高值1 500 r/min；當(dāng)排氣壓力為45.0 MPa，槽車壓力為20 MPa 時(shí)，轉(zhuǎn)速為850 r/min，槽車壓力降至12 MPa時(shí)轉(zhuǎn)速達(dá)到最高值1 500 r/min。