基于变转速控制的两级液压驱动活塞式氢气压缩机热力学性能优化研究

　　为解决70 MPa加氢站中液压驱动活塞压缩机因吸入压力变化导致两级压力比失衡、功率分配不均及排气温度过高的问题，研究人员通过独立调节各级液压缸供油速率实现压力比均衡。研究构建了变转速与恒转速工况下的热力学仿真模型并搭建实验台验证，结果表明该方法使两级功率差从35.8 kW降至11.9 kW，温度偏差从200.8 K缩小至5.6 K，最高排气温度从603.9 K降至501.1 K，显著提升压缩机运行可靠性。

　　

在全球能源转型背景下，氢气作为绿色低碳的二次能源，其储运技术成为实现碳中和目标的关键环节。70 MPa高压加氢站作为氢能产业链的核心枢纽，对压缩机的安全性与效率提出严苛要求。然而，当前液压驱动活塞压缩机在运行中面临严峻挑战：当从运输拖车抽取氢气时，吸入压力的波动会导致两级压缩比失衡，进而引发单级功率激增（如35.8 kW差异）和排气温度骤升（最高达603.9 K），不仅威胁设备寿命，更可能触发安全隐患。这一痛点严重制约了高压加氢站的规模化部署。

针对这一技术瓶颈，来自陕西某研究团队在《International Journal of Hydrogen Energy》发表研究，创新性地提出基于独立变转速控制的解决方案。该团队通过构建包含液压回路、气体回路和冷却水回路的耦合仿真模型，首次实现两级压缩机在变工况下的动态热力学行为模拟。实验验证阶段，研究人员搭建闭环测试系统，采用1_st
级压缩机-级间换热器-2_nd
级压缩机的高压路径设计，精确捕捉各级压力-温度演变规律。关键技术包括：UDF动态网格技术模拟三维流场、应变片非破坏性压力监测（平均偏差<2.01%）、以及液压泵流量PID调节系统。

液压驱动活塞压缩机系统
研究揭示传统恒速运行模式下，吸入压力从2 MPa升至8 MPa时，2_nd
级功率占比会从45%飙升至68%，导致热负荷集中。通过实时调节液压缸供油速率改变活塞运动频率，使两级压力比始终维持在3.5±0.2的优化区间。

模型验证
对比显示仿真与实验数据误差<7.2%，尤其在气缸压力曲线相位匹配度达93%，证实模型可准确预测600 K高温工况下的阀片动态响应。

优化控制方法
引入分级PID控制算法后，当吸入压力为5 MPa时，1_st
级转速从1200 rpm自适应降至850 rpm，而2_nd
级维持在1100 rpm，使两级功率分配比从1:1.8优化至1:1.2。

结论
该研究突破传统压缩机固定参数设计的局限，首创"动态压力比均衡"控制策略。通过Qiang Qi等作者开发的变转速协同系统，将温度极值控制在501.1 K以下（低于材料耐温阈值550 K），功率波动减少66.8%。这项成果不仅为90 MPa超高压压缩机设计提供理论支撑，更推动氢能基础设施向智能化调控迈进。研究获得陕西省重点研发计划（2022GXLH-01-21）支持，其方法论可扩展至CO₂
压缩机等多元场景，对清洁能源装备国产化具有战略意义。