加氢站离子压缩机分级压缩控制策略探究.pdf

书书书设 计 研 究 年 期（总第 期）加氢站离子压缩机分级压缩控制策略探究康祥，吴广宇，刘泽坤，李云，杨成炯（西安交通大学化学工程与技术学院，陕西 西安 ；中石化广州（洛阳）工程有限公司，广东 广州 ）摘要：离子压缩机是液压驱动式加氢站用压缩机，可实现各压缩级的独立驱动控制。本研究分析了宽工况下分级压缩控制对于系统能耗和工作可靠性的影响，提出了一种离子压缩机分级压缩控制策略，给出了各压缩级气体负载极值计算方法。建立了离子压缩机气、液双系统协同仿真模型，模拟了多级离子压缩机变工况加压过程，验证了提出的分级压缩控制策略的可行性，为加氢站用离子压缩机设计提供一定的理论参考。结果表明：气体负载过大时，活塞无法正常往复运动并实现排气；气体负载过小时，因液压溢流产生的能耗较大。采用提出的分级压缩控制策略，可确保各级负载在安全范围内，并降低因液压溢流产生的能耗。关键词：离子压缩机；加氢站；分级压缩控制中图分类号：文献标志码：文章编号：（）收稿日期：，（，；（），）：，设 计 研 究 年 期（总第 期）：；引言为了满足氢燃料电池汽车更高的续航需求，加氢站正向着 高加注压力发展 。氢压机作为加氢站的核心设备，需要适应高压力、大流量、宽工况的工作条件，还需要工作安全可靠、设备维修周期长、易于控制操作。目前加氢站常用的氢压机是隔膜压缩机，其具有良好的气密性，但在频繁启动下膜片使用寿命较短，且其排量受到膜片变形量的限制 。离子压缩机是一种可用于加氢站的新型往复式压缩机，具有良好的气密性、传热性、宽工况适应性，且动部件少，易于维护 。离子压缩机的概念由林德公司提出，其具有两个主要特点。一是采用了离子液体直接压缩氢气，其具有密封和润滑的功能；二是采用液压活塞驱动技术。区别于传统压缩机的曲柄连杆驱动方式，离子压缩机的固体活塞运动是由活塞上下的气液压力共同作用决定。长管拖车是运输氢气的常用方法之一。卸气过程中，长管拖车气瓶内的压力由初始的 逐渐降低 。同时，氢气需加压至高、中、低不同压力的储罐 。加压过程中的进气和排气压力在不停变化。因此，离子压缩机需要采用分级压缩控制策略，以适应加氢站的宽工况特性 。本研究分析了压缩机从槽车抽气加注到汽车气瓶过程中，宽工况下压缩机分级压缩控制对于系统能耗和工作可靠性的影响，提出了一种离子压缩机分级压缩控制策略，给出了各压缩级气体负载极值计算方法。建立了离子压缩机气、液双系统协同仿真模型，模拟了多级离子压缩机变工况加压过程，验证了提出的分级压缩控制策略的可行性，为加氢站用离子压缩机设计提供一定的理论参考。工作原理和数学模型加氢站离子压缩机的工作原理如图 所示。通常采用多级压缩将氢气压力由 升高至 。系统由五星柱塞泵驱动，其具有多个独立工作的泵腔。每个泵腔对应一个压缩级的液压缸，两者之间形成闭式液压回路。每个闭式液压回路均有溢流阀限制最大工作压力。传统活塞压缩机采用曲柄连杆机构驱动，所有压缩级只能同时工作或同时停止，无法实现各级的单独控制。然而，离子压缩机可实现分级压缩控制。当有一个以上的压缩级需要工作时，五星柱塞泵保持转动。若某压缩级不需要工作时，可截断对应液压缸与五星柱塞泵之间的液压油流动；若需要启动某压缩级时，则恢复对应液压缸与五星柱塞泵之间的流动。离子压缩机工作过程模型建立基于以下假设：（）离子液体位于固体活塞表面，始终跟随固体活塞往复运动。（）压缩机气阀阀隙氢气的流动看作通过小孔的一维流动。（）压缩气缸看作控制单元，采用统一的状态变量。氢气压缩气缸内状态及过程变量如图 所示 。图 离子压缩机原理示意图图 压缩气缸内状态和过程变量示意图设 计 研 究 年 期（总第 期）、是进、排气压力。，是进、排气温度。两个相邻压缩级之间流经换热器和管路的压降较小，可忽略其影响，即上游压缩级的排气压力为下游压缩级的进气压力。压缩机的主要参数如表 所示。根据热力学第一定律，气缸内能量守恒方程如式（）所示 ：（）（）式中、通过进、排气阀的气体质量，气缸内气体质量，气缸与外界的热交换量，气缸内气体体积，气缸内气体压力，、通过进、排气阀的气体焓值，气缸内气体内能，气缸内氢气质量变化是由于气体从进、排气阀流入或流出。流入氢气质量定义为正，流出质量定义为负。气缸内氢气的连续性方程式如式（）所示 ：（）对于真实气体，气缸内氢气内能变化由式（）计算 ：()()（）式中 气缸内氢气温度，本文采用纯氢气作为研究介质。文献结果表明，采用 方程 （模型）计算氢气的物性时，计算值与美国国家标准与技术研究院（）的数据吻合，两者最大误差为 （以下）。液压缸内的压力与流入液压缸的流量和液压缸的容积有关，可由式（）计算表 变工况加压过程中的工作级长管拖车气瓶压力 高压储罐压力 总级数设计流量 往复频率 （）（）式中 液压油压力，液压油有效体积模量，液压油体积，液压油流量，活塞的运动主要受气、液压力耦合影响，其动力学方程如式（）()（）式中 活塞质量，活塞位移，、气侧、液侧对活塞的作用力，活塞受到的摩擦力，分级压缩控制策略影响分析本研究首先模拟得到第一压缩级在不同排气压力下的工作特性。活塞位移变化如图 ，图 为相应的不同排气压力下的 图。图 中活塞的初图 不同排气压力下的活塞位移图 不同排气压力下的 图设 计 研 究 年 期（总第 期）始位置为气缸底部。当排气压力 时，活塞能够实现正常的往复运动，在 时运动到气缸顶部 处，在 时运动回气缸底部；图 中也显示当 时，气缸内的气体能够正常完成压缩 排气 膨胀 吸气过程。但是当 时，图 中显示活塞在上升阶段无法运动至液压缸顶部，而是在中间悬停一段时间后，返回至液压缸底部。相应地，图 中 的曲线可以看出，气缸内压力并未达到排气压力，因为活塞在进行不完整的往复运动过程中，气缸内的气体无法从排气阀流出，不同往复周期内同样的气体在重复压缩 膨胀过程。这是由于液压驱动系统中溢流阀对液压缸内压力有限制作用，这造成每级的排气压力不能超过某个极限值，图 为液压缸内压力变化。当 时，除顶部溢流阶段外，液压缸内压力 始终位于溢流阀溢流压力以下。此时活塞可以正常往复运动并实现排气。当 时，在排气阶段之前液压油压力 就达到了溢流阀的开启压力 。此时，液压油无法继续流入液压缸内，活塞无法继续向上运动。在活塞上升阶段，时的 高于其他工况的，这是由于气缸内的氢气压力 在上一周期内未降至进气压力，导致活塞上升阶段的初始气体负载高于其他工况。除此之外，当排气压力 降低时，因溢流产生的损耗变大。以 的曲线为例，排气阶段末尾的液压缸内压力 为 ，之后进入溢流阶段，升至溢流阀开启压力 ，造成了较大的能耗。因此需要设置合适的压缩机级数，使排气阶段和溢流阶段的液压缸内压力较为接近，这样图 不同排气压力下的液压缸内压力变化因溢流产生的能耗较小。综上，离子压缩机采用分级压缩控制主要原因为：气体负载过大时，活塞无法正常往复运动并实现排气；气体负载过小时，因液压溢流产生的能耗较大。采用分级压缩控制策略，可确保各级负载在安全范围内，并降低因液压溢流产生的能耗。由于活塞惯性和摩擦力的影响较小，液压压力主要取决于气缸内压力的大小，考虑到气阀压力损失的影响，排气压力极大值可由式（）计算：（）（）式中 排气压力极大值，活塞最大负载力，气缸活塞面积，排气阀压力损失系数 主要取决于溢流阀的开启压力和液压缸活塞的面积，可由式（）计算。（）式中 溢流阀开启压力，液压缸活塞面积，由式（，），排气压力极大值可根据式（）计算。（）以 表示压缩级，的取值范围是 。本研究提出的分级压缩控制策略为：步骤 ：确定额定总进、排气压力，通过质量守恒方法，即各级进气量相同方法计算出各级进、排气压力，并以此为额定工况。步骤 ：根据式（）计算各级排气压力极大值。步骤 ：检查额定工况下各级排气压力是否符合气体负载极大值要求。如不符合，则需重新完成步骤 和步骤 。步骤 ：在压缩机工作过程中，根据系统总进气压力（）和总排气压力（）决定开始级和结束级。选择满足 第 级额定进气压力条件的 的最小值，作为开始级。选择满足 第 级额定排气压力条件的 的最小值，作为结束级。变工况加压过程仿真本研究模拟了分级压缩控制下的变工况加压过设 计 研 究 年 期（总第 期）程，以验证分级压缩控制策略的可行性。假定压缩机的进气端为 的气瓶，排气端是 的高压储罐。气体系统中的初始压力为 。图表示随时间变化的压缩机总进、排气压力以及级间压力（）的变化。压力的位置可参照图 。加压过程可根据工作级的不同分为 个阶段（）。图 为加压阶段不同阶段的工作级。在加压全过程中，下降，升高。阶段中只有第四级在工作。当 时，进入阶段，第五级启动，开始下降。当 下降至 时，进入阶段，第三级启动，和 先上升，后逐渐下降。同理，当 下降至 时，进入阶段，第二级启动，、和 先上升，后逐渐下降。当 下降至 时，进入阶段，第一级启动。当增加压缩级数时，根据压缩机流量匹配的原理，中间压缩级的排气压力会首先升高，但升高后的排气压力不会超过分级压缩控制所采用的额定排气压力，因此满足气体负载的限制要求。同时，采用多级控制可以降低因溢流产生的能耗，以图 的 曲线为例，在阶段中，随着总进气压力 降低，在逐步降低。根据第三节单级压缩过程分析，溢流阶段的液压缸内压力远大于排气阶段的油压，造成较大的能量损耗。而当增加压缩级数后，第四级的排气压力 会首先升高，减小了排气阶段与溢流阶段的油压差。除此之外，提高级数可有效降低第五级的压比，尤其在进气压力较低时，可降低第五级的排气温度，提高设备工作可靠性。图 分级压缩控制下的变工况加压过程图 加压过程不同阶段的工作级结论本研究建立了离子压缩机气、液双系统协同仿真模型，分析了宽工况下分级压缩控制对于系统能耗和工作可靠性的影响，结论如下：（）采用分级压缩控制主要原因为：气体负载过大时，活塞无法正常往复运动并实现排气；气体负载过小时，因液压溢流产生的能耗较大。采用提出的分级压缩控制策略，可确保各级负载在安全范围内，并降低因液压溢流产生的能耗。（）提出离子压缩机分级压缩控制策略：先计算额定工况下各级进、排气压力，使其满足排气压力极值要求；实际控制时通过比较储罐压力、长管拖车气瓶压力与额定进、排气压力值，决定压缩机的工作级。（）变工况加压过程模拟验证了分级压缩控制策略的可行性。当增加级数时，中间压缩级的排气压力先升高，后随进气压力降低而降低。排气压力未超过分级压缩控制限定的额定压力，满足气体负载要求，并降低了因溢流产生的能耗。同时，提高级数可有效降低末级压比及排气温度，提高设备工作可靠性。参考文献：，刘玮，董斌琦，刘子龙，等 加氢站氢气压缩机技术装备开发进展 装备制造技术，（）：刘泽坤，郑刚，张倩，等 加氢站用离子压缩机及离子液体简述 化工设备与管道，（）：蹇江海，张旭，张奇 基于过程模拟的加氢站卸气和充装过程研究 石油化工设计，（）：（下转第 页）设 计 研 究 年 期（总第 期）间冷却温度曲线在二氧化碳对应的最适应级间冷却温度曲线上方，为确保凝析的不发生，压缩机各级间的冷却温度设置应与较高的曲线（即水蒸气对应的最适应级间冷却温度曲线）保持一致。结论（）根据混合气体增压过程凝析特性研究发现：混合气体增压过程中，的级间冷却温度将发生水蒸气和二氧化碳的凝析。相同温度下水蒸气的饱和蒸汽压更低，因此水蒸气凝析在各级间都有发生，而二氧化碳的凝析只发生在增压过程更高级数。（）混合气体 中水蒸气的凝析总量取决于三级增压过程排气压力，三级排压越小，凝析总量越小。（）混合气体 中水蒸气的凝析绝大多数集中在第一、二级的级间冷却处，该处凝析量取决于一级增压比，一级增压比越大，一、二级间水蒸气的凝析量越大。（）结合对凝析特性的研究，分析计算混合气体确保凝析不发生最适级间冷却温度，结果发现，随着压缩机级数的增加，最适级间冷却温度逐渐升高；水蒸气的最适级间冷却温度恒大于二氧化碳的，故混合气体增压过程的最适级间冷却温度只需与水蒸气确保不发生凝析的最适应级间冷却温度保持一致。参考文献：马铨峥 致密油储层弹性开采及注气吞吐规律研究规律研究 中国石油大学（北京），（）：苏伟 缝洞型碳酸盐岩油藏注气提高采收率方法及其适应性界限 中国石油大学（北京），袁士义，王强，李军诗，等 注气提高采收率技术进展及前景展望 石油学报，（）：徐勇 低渗透油藏注气驱现状及发展趋势 化工设计通讯，（）：李宪腾，赵东亚，李兆敏，等 烟道气驱油机理与技术综述 石油工程建设，（）：马涛，王海波，邵红云 烟道气驱提高采收率技术发展现状 石油钻采工艺，（）：孙岩，朱维耀，李保柱，等 凝析气藏循环注气开发注入干气超覆数值模拟 中国石油大学学报，（）：李浩楠，宋平，朱亚婷，等 玛湖致密砾岩注氮气驱机理及应用效果评价 西南石油大学学报，（）：张弦，刘永建，车洪昌，等 蒸汽 烟道气 化学剂复合驱提高稠油采收率研究 科学技术与工程，（）：陈鹏霏 往复式压缩机的可靠性分析与数字化研究方法 东北大学，秦瑶，屈宗长，马晓红 压缩机级间冷却冷凝析水量计算 压缩机技术，（）：孙晓明 含水回收气在 压缩机中凝析的可能性分析 化工设计通讯，（）：作者简介：代泽宇（），男，硕士，主要研究方向为容积式泵和压缩机。：（上接第 页），（）：胥泽文加氢站压缩机设计选型的两点建议 石油库与加油站，（）：，：，（）：，：，：，（）：，（）：作者简介：康祥（），男，辽宁锦州人，在读博士，研究方向为高效氢能装备研发。：