《压缩机在氢能源领域中的合理应用》
北京星翼空间技术有限公司
研发部经理
赵亚杰
尊敬的各位同仁，大家好！首先做一下自我介绍，我叫赵亚杰，目前就职于北京星翼空间技术有限公司，任职技术部部长兼研发中心负责人，我汇报的题目是压缩机在氢能源领域中的合理应用。
我的汇报分四个部分，第一部分，首先介绍一下氢能源领域各类型压缩机的特点。第二部分，对氢能源产业压缩机的需求进行分析。第三部分主要介绍在不同应用场景下如何合理的利用压缩机。第四部分简要介绍一下北京星翼空间技术有限公司。
首先我介绍一下压缩机的类型，目前在氢能源领域压缩机总共有四种类型，主要是隔膜压缩机、无油活塞压缩机、离子液压缩机、液驱活塞式压缩机，目前在国内来讲，是以隔膜式压缩机为主，液驱为辅，大概的比例应该是在2：1左右。
我先介绍一下隔膜压缩机的原理及特点，它最主要的特点是它在气体压缩过程中没有污染、没有泄漏，它的气和油是物理隔离，可以保证氢气在压缩中不会产生污染。第二个特点是它的压缩过程是偏向等温的多方压缩，在气体的压缩过程中，压缩热会通过膜片传递到油侧，并通过液压油的循环把热量带走。第二部分是在膜头部分，膜头部分开有水槽，冷却水在水槽里流动，将膜头冷却，把压缩产生的热量带走。第三部分是压缩后的排出的高温气体，会流过级间冷却器，级间冷却器冷却压缩后的高温气体会把压缩热带走。这种好处就是整个压缩过程可以看成一个近似等温的压缩，实现大的压缩比。第三个特点是隔膜压缩机在压缩工质的时候，膜片会紧贴型腔，余隙特别小，容积效率非常高。第四个特点是属于安全性方面，膜片有一个破裂报警及连锁停机技术，而且是三层膜片，不管是气侧膜片或者是油侧膜片破裂，设备都会报警并连锁停机，这样可保证液压油不会对氢气造成污染。
它的缺点是，首先理论上隔膜压缩机涉及到气、液、固、热多场耦合，基础理论储备相对较差。第二，它的核心部件寿命比较低，关键设备可靠性差，主要体现在一个是进排气阀，一个是膜片。第三个缺点是受膜头大小的影响，吸气能力有限。第四个缺点是只适应在稳定工况范围运行，工况范围比较窄。当压缩机进、排气压力变化比较大时，导致它的压比变化很大，压比越大，产生的压缩热也就越多，会导致温度急剧飙升，严重影响气阀、密封的寿命。第五个缺点，也是最主要的一点，它没有办法去频繁地带载启停，而且它每次停机再开机，必须把高压的油和高压的气放掉，停机放空浪费非常严重。第六个缺点是易损件多，维修量大。
无油活塞式压缩机的特点是纯机械传动，传动效率非常高，因为它只是曲柄连杆滑块，它没有液体传动，所以它的传动效率是非常高的。第二个特点是它适用的压力范围非常广。第三个特点是流量大、功率大，适应性强，排气量范围广。第四个特点是相对隔膜压缩机来讲，它的成本会相对较低。它的缺点第一，大工作工况范围下成本比较高，性能比较低。第二个是受往复运动惯性力限制，它的转速不能太高。第三个缺点是它的密封件寿命不能保证，因为它的活塞环是属于干摩擦，因此很容易磨损，寿命很难保证。第四个缺点是压缩之后氢气需要纯化，即使是性能非常好的活塞环，干摩擦必然会产生颗粒，一定对氢气有一个污染，因此压缩完之后的氢气必须要经过过滤纯化，把颗粒过滤掉。第五个缺点是它的易损件比较多，维修量比较大。第六个缺点是在20MPa以上应用案例比较少。
这是液驱活塞式压缩机，它的工作原理是动力来自于液压油，特点第一，原理简单，维护率低，维护也比较方便。第二是它可以频繁的带载启停，不需要放空。第三是它进气压力范围比较广，每一级可以单独控制，并通过改变电机的工作频率来改变它的活塞运动速度，来实现流量的调节。第四是它的易损部件比较少，机械可靠性比较高。第五个特点是结构比较简单，占用空间小，成本比较低。它的第一个缺点是在摩擦部分，活塞环是一个动密封，也是干摩擦，寿命问题和泄漏问题是痛点。第二个是单级压比比较小，而且工作噪音比较大。第三个是它进气压力低时，吸气能力受限，比较适合在进气压力高的情况下工作。第四个是控制复杂，不适应长期连续使用工况，尤其是在流量调节方面。
这是离子液压缩机，这是它的一个专利技术，它用离子液来做一个液体活塞，通过液体活塞来对氢气进行压缩，它有这么几个优点：一是离子液润滑、冷却，大大降低运动部件的磨损。二是可频繁带载启停，理论上可以长期运行，不需要维护。三是结构比较简单、紧凑，占地面积比较小。它的缺点：一是制造工艺比较复杂，技术被国外垄断。二是它的价格极其昂贵。三是控制系统特别复杂。四是应用范例极少，技术成熟度不高。
介绍完了压缩机的特点，接下来介绍一下氢能源产业的行业背景，目前来讲，欧美、亚洲、日本、韩国、中国，均把氢能上升到一个战略高度。
现在国家政策对氢能源的投入越来越倾斜，比重也在逐年攀升。从目前加氢站的布局也不难看出，现在加氢站已经遍布于祖国各地。
在加氢站的建设中，可以看到氢气压缩机的设备投入比例占整个加氢站的40%，主要是因为目前加氢站的压缩机，国外进口品牌占据很大一部分，包括PTC、豪顿的隔膜压缩机，麦格思维特的液驱活塞压缩机等。
怎么样去降成本呢？一是针对不同场景合理选用压缩机，二是技术升级，研制性能稳定、安全可靠、完全可替代进口压缩机的国产压缩机。
在氢能源产业领域，压缩机主要用于两个地方，一个是储运环节，充装用压缩机，一个是加氢环节，加氢站用压缩机。
作为加氢站三大核心产品之一的压缩机，它是产生故障的第二大因素，大概是22%的维护事件，28%的安全事故和25%的氢泄漏事故，都与压缩机相关。因此对于压缩机的选择非常重要，尤其是安全性方面。
对于充装站、加氢站，还有一体站，它们有什么特点呢？他们的共同特点都是需要保证氢气的高纯度，不同点是：对于充装站来讲，它的进气条件是相对稳定的，因为不管是ALK制氢还是PEM制氢，ALK制氢进气是1.2到1.8兆帕，PEM是在3兆帕，它的进气压力是相对稳定的。另外充装站要求大流量、大压比，这个大流量是为什么呢？主要也是从成本上来考虑，如果单槽的流量越大，它的投资成本可能会更低一些。另外就是大压比，大压比现在主要是30兆帕长管拖车的投入，使得充装压缩机的工况由从1.2、1.8兆帕进气压缩到22兆帕排气升级为1.2、1.8兆帕进气压缩到32兆帕排气，压比提升，因此大压比将是充装站压缩机的一个发展趋势。另外它的一个特点是充装过程是连续的，这样的话压缩机的工作过程会保证比较连续、比较稳定。
而加氢站主要特点是需要频繁带载启停，且进气条件不稳定，从20MPa到5MPa的一个宽进气范围。一体站同样有这个特点，也需要频繁带载启停。
因此经过分析我们认为充装站，隔膜压缩机比较适合，加氢站液驱活塞压缩机和离子液压缩机比较适合。所以针对充装站上，我们将隔膜压缩机技术升级，开发了GDE/GDF系列大推力隔膜压缩机，加氢站上，我们将离子液技术与液驱活塞压缩机结合，解决了液驱活塞压缩机的技术痛点——干摩擦导致的寿命问题及泄漏问题，研发了离子液润滑隔离的液驱活塞压缩机。
首先我介绍一下GDE/GDF系列大推理隔膜压缩机，它具有隔膜压缩机的通用优点，第一，气体压缩过程中没有污染、没有泄漏。第二压缩过程散热好，第三压缩的时候，膜片紧贴膜腔，容积效率高。除此之外，它还有专有优势，第一，更合理的行程、转速匹配，行程是180，转速是490，第二，更小的累积公差和更合理的润滑方式，在润滑上，我们采用了正向润滑和反向润滑双润滑的方式，第三，传动结构优化，解决了“反向角不足”的问题，第四自主专利的自动盘车及轻载启停技术的应用，自动化程度更高。
具体是体现在下面这几个方面，一个是连杆小头采用了滚针轴承解决了反向角不足的痛点，另外就是曲轴箱，是一体化的，这样的话累积公差会非常小，加工及装配精度高。再就是十字头采用的是薄壁瓦工艺，强度和抗磨损能力都得到大幅提升。
这是它的主要参数，主要是针对于20兆帕的长管拖车和30兆帕的长管拖车，它的进气压力是1.2到1.8MPa，排气压力是22MPa、32MPa。该机器相对其它国内同类型产品，有下面四个优点，第一，振动及噪音小，重量轻第二，自动盘车及轻载启停技术的应用，自动化程度高，第三能耗低、体积小、占地面积小，长度4米左右，宽度3米到3米2，高度2米2。
下面我介绍一下我们公司针对加氢站研发的加氢站用离子液润滑隔离的液驱活塞压缩机。
它具有如下几个特点：第一，独创的将液驱活塞压缩机和离子液技术相结合，解决了传统液驱活塞压缩机活塞环磨损和泄漏的痛点问题。第二采用了先进的液压驱动和换向技术，运行平稳。第三可频繁、带载启停，不需放空。第四结构紧凑、易损部件少，占地小、易维修便利。第五多级组合可实现宽压力范围复杂工况。
他的动力仍然由液压油提供，独特之处在于，我们在氢气腔和空气隔离腔之间引入了一个离子液腔，用离子液给活塞密封进行润滑和冷却，并起到一定的隔离作用。它分为三级，基础级是一个二级压缩的缸，进气压力为5到20MPa，排气压力为45MPa，主要是针对35MPa的加氢站的，它可以配一个前级缸，进气2MPa，排气5MPa，可以将长管拖车的卸车后压力降到2MPa以下，可提升近20%的氢气运输能力。另外还可以配一个后级缸，从45MPa压缩到90MPa，主要是针对70MPa加氢站的。基础级的功率是55kw，前级的功率是37kw，后级的功率是22kw。这台机器是我公司自主专利，国内首创，填补了压缩机的技术空白。
最后，简单介绍一下北京星翼空间技术有限公司，我们成立于2019年，是一家专业从事压缩机产品设计、研发、制造的“国家高新”技术企业，中国通用机械工业协会会员企业，中国产业发展促进会会员企业。
我们公司是目前压缩机企业中为数不多的既具有隔膜机设计生产能力，又具有活塞机设计生产能力，还具有液驱压缩机设计生产能力的企业。我们公司坐落于北京市延庆区中关村科技园，占地面积130余亩，厂房面积2万余平，拥有先进加工设备80余台套、十万级净化间2千余平。
公司2000年成立，起身于精密零部件加工制造，后期转型为非标机电一体化产品设计制造、复合材料制造、特种模具工装设计及制造。公司2002年开始为北京京城压缩机提供隔膜压缩机核心零部件加工制造，03年进入航天科技集团成为其合格供应商，05年进入航天科工集团，成为其合格供应商，06年进入航空材料研究院，成为其合格供应商。2019年底，我们成立了北京星翼空间技术有限公司，开始做隔膜压缩机业务，所以在压缩机行业，我们也是一个新面孔。在接触压缩机伊始，我们就明确了市场方向引领技术及研发方向的发展战略，开始布局充装用大推力隔膜压缩机及加氢站用离子液润滑隔离的液驱活塞压缩机。2022年公司成功研制出GDE/GDF系列18/25吨大推力隔膜压缩机，并于2023年交付使用，2023年2月成功研发出离子液润滑隔离液驱活塞压缩机，正式进军氢能加氢站领域。
我们的主营产品隔膜压缩机，代表业绩是中核集团600MW高温气冷堆氦气隔膜压缩机项目，活塞压缩机，代表业绩是中石化北京燕山分公司5#6#氮气活塞压缩机项目，离子液润滑隔离的液驱活塞压缩机，航天产品配套非标设备及工装。
我们的销售模式不光可以提供整机，还提供主机，包括隔膜机、活塞机、离子液润滑隔离的液驱活塞压缩机。同时我们还做销售产品的备品备件、维护、大修、改造升级等服务，包括产品的技术支持与技术服务。
感谢各位，谢谢！
氢听剧场现场
