超高压隔膜压缩机热力工作过程与动力性能研究.pdf
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1、氢气具有极佳的碳减排功效,目前应用快速范围不断扩大,需求量快速上升。而氢气储存与运输问题较大,通常需要高压加氢站的大容量供给,其中超高压氢气压缩机为核心技术与难点,通常采用隔膜压缩机进行设计开发。针对应用于加氢站的超高压隔膜压缩机进行热力学与动力学研究,分析其运行性能与稳定性在不同进气压力情况下的变化。结果表明:输气量随吸气压力的上升而快速上升,而功耗上升速度较慢;排气温度随吸气压力变化,有 的升高;活塞力变化强烈,且有反向力作用,适合有对置配置平衡活塞力。关键词:加氢站;氢气压缩机;隔膜压缩机;热力性能;动力分析中图分类号:文献标志码:文章编号:()收稿日期:基金项目:国家自然科学基金(),
2、(,;,):,:;设 计 研 究 年 期(总第 期)引言在碳中和目标下啊,煤炭、石油等传统化石能源的消费比重正在持续下降,非化石能源的消费比重将会持续增长。氢能作为一种高热值、多来源、可持续的二次清洁能源,作为“零碳”能源具有不俗的减碳能力,据国际氢能委员会预测,年氢能的规模化应用可减排 ,为目标减排量的 。是构建以可再生能源为主体的多元能源结构的重要载体,其制取、安全致密储输和高效利用技术已成为世界能源技术变革的重要方向 。氢燃料电池产业能够使氢能源用于交通运输,代替传统的燃油车,实现零碳和零颗粒排放 。而在氢燃料电池车发展过程中,必须要建设大量的加氢站作为保障性基础设施。其中氢气压缩机能够
3、高效、安全的将氢气进行增压处理,是加氢站的核心设备,同时也是加氢站产生故障的主要因素之一 。因此实现高效、高压、大排量的可靠氢气增压是氢能技术发展的重中之重。然而,截至 年年底,我国已建成加氢站 座,氢燃料电池汽车保有量约 辆,从数量和分布上都难以满足碳中和需求。究其原因,不仅由于氢燃料电池中的高压储存问题,更由于对高压氢燃料的供给难度问题,使得加氢站的设计加工工作步履缓慢,而其中氢气压缩机作为核心部件,难度较大。隔膜式压缩机主要依靠活塞挤压液压油,从而由液压油带动金属膜片,最终依靠金属膜片完成对氢气的压缩。由于膜腔中压缩介质不与润滑油接触,且膜片密封性能好 ,所以隔膜式压缩机适合压缩高纯氢气
4、且气体无泄漏,是加氢站建设的首选机型。在本文中,对隔膜式压缩机的核心动力性能,以及运转过程中的动力性能进行分析计算,并预测其应用于加氢站工况下的性能优化方法,旨在为未来氢燃料电池汽车的开发应用奠定基础。系统分析与计算方法在常规加氢站中,分为站外制氢加氢站和站内制氢加氢站两种,分别通过自身设备产氢储氢供氢,或通过氢气运输管路或载具运氢加氢。而无论哪种设备中,均需要通过氢气压缩机,提供 以上的供气压力,其中区别主要在于运输或产氢侧压力的不同。因此,所选设备需要在较大的吸气压力变化范围内,保证高压氢气的供给,这非常适合隔膜式压缩机的应用。因此,在计算过程中,我们选择 作为排气压力,吸气压力在 内变化
5、。选择一款容积流量为 的隔膜压缩机组进行预测分析,电动机直接驱动,并调用 进行氢气热物性计算。热力计算在热力计算中,主要基于所提供的工作状态参数与氢气热力学参数,基于多方压缩过程,计算在不同实际过程中,隔膜压缩机的输气量、功耗、效率、排气温度等参数,为后续动力计算提供基础。隔膜压缩机的压缩比由方程()确定。()式中 压缩比 压力,下标 和 分别表示排放和吸入图 加氢站设备流程图设 计 研 究 年 期(总第 期)通过方程()初步计算氢气的排气温度。()式中 温度,绝热压缩过程指数体积系数 和流量系数 分别由方程()和()确定。()()()式中 相对余隙容积 膨胀过程指数 压力系数 温度系数 泄漏
6、系数进气条件下标准工况的排气量可以通过公式()求得()其中下标 表示标准工况。基于排气量和排气系数,通过公式()求得行程容积()对于单作用缸,气缸直径通过公式()求得 槡 ()式中 气缸行程,压缩机转速,同级气缸数指示功率可以通过公式()求得 ()()式中 气缸实际行程容积,考虑压力损失后的气缸实际排、吸气压力,公称吸、排气状态下气体压缩性系数轴功率通过公式()求得()式中 压缩机机械功率,动力计算在动力计算中,主要基于热力计算过程得到的压力、功耗等参数,结合隔膜压缩机运动过程,分析系统在不同转角、不同工况下的动力与转矩随时间变化关系,最终为电机与压缩机稳定性分析提供基础。图 表示曲柄连杆机构
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