Predictive analysis of temperature and energy features of medium-pressure process hydrogen compressors based on long-stroke piston stages
DOI:
https://doi.org/10.25206/2588-0373-2025-9-3-30-37Keywords:
compressor, hydrogen, low-speed long-stroke stage, working processes, mathematical modeling, discharge temperature.Abstract
The article considers the issues related to the prospects for implementing promising hydrogen compression technologies at large chemical, oil and gas processing plants using single- or multi-stage compressors based on low-speed long-stroke piston stages. The development and implementation of new technologies is one of the most urgent areas of development of the domestic compressor industry, ensuring the technological safety of a number of industries, including those related to the processing of natural resources. In developing the technical design of the proposed hydrogen compressor and analyzing its features, the need to ensure a safe temperature regime is considered as the dominant prerequisite.
The calculations use a repeatedly tested mathematical model of the working processes of the compressor stage with a combined schematization — a quasi-stationary model of working processes with concentrated parameters in the flow part and a non-stationary model of the heat transfer through the walls of the working chamber with boundary conditions of the third type. The authors demonstrate the high efficiency of using low-speed piston stages in hydrogen compressor units, also including booster stages.
Downloads
References
(1). ГОСТ Р 53737–2009 (ИСО 13707:2000) Нефтяная и газовая промышленность. Поршневые компрессоры: Общие технические требования. Введ. 2011–01–01. Москва: Стандартинформ, 2012. 156 с.
GOST R 53737–2009 (ISO 13707:2000) Neftyanaya i gazovaya promyshlennost’. Porshnevyye kompressory: Obshchiye tekhnicheskiye trebovaniya [Petroleum and natural gas industries. Reciprocating compressors. General technical requirements]. Moscow, 2012. 156 p. (In Russ.).
(2). Общие технические условия по ремонту поршневых компрессоров (Утв. М-вом нефтеперераб. и нефтехим. Пром-сти СССР 06.03.1985). Волгоград: Миннефтехиммаш СССР, 1985. 363 с.
Obshchiye tekhnicheskiye usloviya po remontu porshnevykh kompressorov [General technical requirements for the repair of piston compressors]. Volgograd, 1985. 363 p. (In Russ.).
(3). Об утверждении федеральных норм и правил в области промышленной безопасности «Общие правила взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих производствщие правила взрывобезопасности для взрывопожароопасных химических и нефтеперерабатывающих производств»: приказ от 15.12.2020 г. № 533 Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору. Доступ из справочно-правовой системы «Гарант».
Ob utverzhdenii federal’nykh norm i pravil v oblasti promyshlennoy bezopasnosti «Obshchiye pravila vzryvobezopasnosti dlya vzryvopozharoopasnykh khimicheskikh, neftekhimicheskikh i neftepererabatyvayushchikh proizvodstvshchiye pravila vzryvobezopasnosti dlya vzryvopozharoopasnykh khimicheskikh i neftepererabatyvayushchikh proizvodstv»: prikaz ot 15.12.2020 g. № 533 Federal’noy sluzhby po ekologicheskomu, tekhnologicheskomu i atomnomu nadzoru [On approval of federal norms and rules in the sphere of industrial safety "General rules of explosion safety for explosion- and fire-hazardous chemical, petrochemical and oil refining productionsthe rules of explosion safety for explosion- and fire-hazardous chemical and oil refining industries": Order No. 533 of the Federal Service for Environmental, Technological and Nuclear Supervision dated 15.12.2020.]. Avaliable “Garant”. (In Russ.).
(4). ГОСТ Р 54802–2011 (ИСО 13631:2002). Нефтяная и газовая промышленность. Компрессоры поршневые газовые агрегатированные. Технические требования. Введ. 01–06–2013. Москва: Стандартинформ, 2014. 92 c.
GOST Р 54802–2011 (ISO 13631:2002). Neftyanaya i gazovaya promyshlennost’. Kompressory porshnevyye gazovyye agregatirovannyye. Tekhnicheskiye trebovaniya [Petroleum and natural gas industries. Packaged reciprocating gas compressors. Technical requirements]. Moscow, 2014. 92 p. (In Russ.).
(5). РД 39-0148139-0001-2000. Система технического обслуживания и ремонта компрессорных станций на базе технической диагностики. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200082157 (дата обращения: 06.03.2023).
RD 39-0148139-0001-2000. Sistema tekhnicheskogo obsluzhivaniya i remonta kompressornykh stantsiy na baze tekhnicheskoy diagnostiki [System of maintenance and repair of compressor stations based on technical diagnostics]. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200082157 (accessed: 06.03.2023). (In Russ.).
(6). Видякин Ю. А., Добровольский Е. Б., Кондратьева Т. Ф. Оппозитные компрессоры. Ленинград: Машиностроение, 1979. 279 с. ISBN 5-1387878-А.
Vidyakin Yu. A., Dobrovolskiy E. B., Kondrat’yeva T. F. Oppozitnyye kompressory [Opposite compressors]. Leningrad, 1979. 279 p. ISBN 5-1387878-A. (In Russ.).
(7). Пластинин П. И. Поршневые компрессоры. В 2 т. Т. 2. Основы проектирования. Конструкции. Москва: КолосС, 2008. 711 с.
Plastinin P. I. Porshnevyye kompressory. V 2 t. T. 2. Osnovy proyektirovaniya. Konstruktsii [Piston compressors. In 2 vols. Vol. 2. Design principles. Structures]. Moscow, 2008. 711 p. (In Russ.).
(8). Байков И. Р., Китаев С. В., Файрушин Ш. З. Диагностирование технического состояния поршневых компрессоров // Энергобезопасность и энергосбережение. 2015. № 3 (63). С. 28–30. EDN: TWVZWF.
Baykov I. R., Kitayev S. V., Fayrushin Sh. Z. Diagnostirovaniye tekhnicheskogo sostoyaniya porshnevykh kompressorov [Diagnostics of reciprocating compressors’ technical conditions]. Energobezopasnost’ i energosberezheniye. Energy Security and Energy Saving. 2015. No. 3 (63). P. 28–30. EDN: TWVZWF. (In Russ.).
(9). Фуладиванда М., Хейдари М. А. Исследование влияния хлорид-ионов на подпиточные водородные компрессоры = Fouladivanda M., Heidary M. A. A study into the impact of chloride ions on the make-up hydrogen compressors / пер. с англ. М. А. Федоровой // Омский научный вестник. Сер. Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение. 2022. Т. 6, № 1. С. 75–84. DOI: 10.25206/2588-0373-2022-6-1-75-84. EDN: BNLVJQ.
Fouladivanda M., Heidary M. A. A study into the impact of chloride ions on the make-up hydrogen compressors / trans. from Engl. M. A. Fedorovа. Omskiy nauchnyy vestnik. Ser. Aviatsionno-raketnoye i energeticheskoye mashinostroyeniye. Omsk Scientific Bulletin. Series Aviation-Rocket and Power Engineering. 2022. Vol. 6, no. 1. P. 75–84. DOI: 10.25206/2588-0373-2022-6-1-75-84. EDN: BNLVJQ. (In Russ.).
(10). Круть А. А. Обеспечение экономической безопасности на основе государственной политики импортозамещения: автореф. дис. … канд. эконом. наук. Мытищи, 2022. 28 с.
Krut’ A. A. Obespecheniye ekonomicheskoy bezopasnosti na osnove gosudarstvennoy politiki importozameshcheniya [Ensuring economic security based on the state import substitution policy]. Mytishchi, 2022. 28 p. (In Russ.).
(11). Юша В. Л., Сутягинский М. А., Громов А. Ю., Ушаков П. В., Потапов Ю. А. О взаимосвязи цифровых платформ крупных химических и нефтеперерабатывающих производств с техническим обликом парка компрессорного оборудования // Омский научный вестник. Сер. Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение. 2023. Т. 7, № 4. С. 25–32. DOI: 10.25206/2588-0373-2023-7-4-25-32. EDN: GNSNQW.
Yusha V. L., Sutyaginskiy M. A., Gromov A. Yu., Ushakov P. V., Potapov Yu. A. O vzaimosvyazi tsifrovykh platform krupnykh khimicheskikh i neftepererabatyvayushchikh proizvodstv s tekhnicheskim oblikom parka kompressornogo oborudovaniya [On the relationship of digital technological platforms of large chemical and oil refining industries with the technical appearance of the compressor equipment fleet]. Omskiy nauchnyy vestnik. Ser. Aviatsionno-raketnoye i energeticheskoye mashinostroyeniye. Omsk Scientific Bulletin. Series AviationRocket and Power Engineering. 2023. Vol. 7, no. 4. P. 25–32. DOI: 10.25206/2588-0373-2023-7-4-25-32. EDN: GNSNQW. (In Russ.).
(12). Захаренко А. В., Захаренко В. П. О расчёте нагрузок в многокольцевом поршневом уплотнении компрессоров без смазки высокого давления // Вестник Международной академии холода. 2012. № 2. С. 29–32. EDN: PBSKNR.
Zakharenko A. V., Zakharenko V. P. O raschëte nagruzok v mnogokol’tsevom porshnevom uplotnenii kompressorov bez smazki vysokogo davleniya [Calculating loads for a multi-ring piston seal in high-pressure oil-free compressors]. Vestnik Mezhdunarodnoy akademii kholoda. Journal of International Academy of Refrigeration. 2012. No. 2. P. 29–32. EDN: PBSKNR. (In Russ.).
(13). Кравченко Д. Д., Чижевская Е. Л., Медведев А. В., Земенков Ю. Д. Интеллектуальный мониторинг состояния оборудования компрессорных станций для предупреждения отказов и аварий // Тюменский научный журнал. 2025. № 1 (5). С. 18–24. DOI: 10.24412/3034-154X-2025-1-18-24. EDN: KMIUVT.
Kravchenko D. D., Chizhevskaya E. L., Medvedev A. V., Zemenkov Yu. D. Intellektual’nyy monitoring sostoyaniya oborudovaniya kompressornykh stantsiy dlya preduprezhdeniya otkazov i avariy [Intelligent monitoring of compressorstation equipment status to prevent failures and accidents]. Tyumenskiy nauchnyy zhurnal. Tyumen Scientific Journal. 2025. No. 1 (5). P. 18–24. DOI: 10.24412/3034-154X-2025-1-18-24. EDN: KMIUVT. (In Russ.).
(14). Хатамова Д. Н., Джураев Р. У. Исследование влияния температуры всасываемого воздуха на эффективность поршневого компрессора // Universum: технические науки. 2021. № 6-2 (87). С. 44–47. DOI: 10.32743/UniTech.2021.87.6.12008. EDN: ESGTMO.
Khatamova D. N., Dzhurayev R. U. Issledovaniye vliyaniya temperatury vsasyvayemogo vozdukha na effektivnost’ porshnevogo kompressora [Investigation of the influence of the intake air temperature on the efficiency of a reciprocating compressor]. Universum: tekhnicheskiye nauki. University: Technical Sciences. 2021. No. 6-2 (87). P. 44–47. DOI: 10.32743/UniTech.2021.87.6.12008. EDN: ESGTMO.
(15). Липкович И. Э., Пикалов А. В., Орищенко И. В. Основы безопасности при эксплуатации компрессорных установок на АТП // Грузовое и пассажирское автохозяйство. 2015. № 2. С. 33–40. EDN: TJGLPT.
Lipkovich I. E., Pikalov A. V., Orishchenko I. V. Osnovy bezopasnosti pri ekspluatatsii kompressornykh ustanovok na ATP [Fundamentals of safety during operation of compressor units at the transport company]. Gruzovoye i Passazhirskoye Avtokhozyaystvo. 2015. No. 2. P. 33–40. EDN: TJGLPT. (In Russ.).
(16). Шайбаков Р.А., Абдрахманов Н.Х., Кузеев И.Р., Симарчук А.С., Рахимов Ф.Р. Расследование аварийных ситуаций: новые методы и подходы // Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов. 2008. Вып. 3 (73). С. 110–121. EDN: JVUZZT.
Shaybakov R.A., Abdrakhmanov N.Kh., Kuzeyev I.R., Simarchuk A.S., Rakhimov F.R. Rassledovaniye avariynykh situatsiy: novyye metody i podkhody [Investigations of emergency situations: new methods and approaches]. Problemy sbora, podgotovki i transporta nefti i nefteproduktov. Problems of Gathering, Treatment and Transportation of Oil and Oil Products. 2008. Issue. 3 (73). P. 110–121. EDN: JVUZZT. (In Russ.).
(17). Файрушин Ш. З., Байков И. Р., Китаев С. В. Определение показателей надежности поршневых компрессоров // Нефтегазовое дело. 2016. Т. 14, № 2. С. 120–124. EDN: WXOZTL.
Fayrushin Sh. Z., Baykov I. R., Kitayev S. V. Opredeleniye pokazateley nadezhnosti porshnevykh kompressorov [Determining reliability indices of piston compressors]. Neftegazovoye delo. Petroleum Engineering. 2016. Vol. 14, no. 2. P. 120–124. EDN: WXOZTL. (In Russ.).
(18). Байков И. Р., Китаев С. В., Файрушин Ш. З. Диагностирование технического состояния поршневых компрессоров // Энергобезопасность и энергосбережение. 2015. № 3. С. 28–30. EDN: TWVZWF.
Baykov I. R., Kitayev S. V., Fayrushin Sh. Z. Diagnostirovaniye tekhnicheskogo sostoyaniya porshnevykh kompressorov [Diagnostics of reciprocating compressors’ technical conditions]. Energobezopasnost’ i energosberezheniye. Energy Security and Safety Energy. 2015. No. 3. P. 28–30. EDN: TWVZWF.
(19). Бусаров С. С., Беликов А. В., Капелюховский А. А., Капелюховская А. А. Анализ конкурентоспособности водородосодержащих циркуляционных компрессоров на базе тихоходных длинноходовых ступеней // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2023. № 1. С. 499–503. DOI: 10.24412/2071-6168-2023-1-499-503. EDN: ZJNNPK.
Busarov S. S., Belikov A. V., Kapelyukhovskiy A. A., Kapelyukhovskaya A. A. Analiz konkurentosposobnosti vodorodosoderzhashchikh tsirkulyatsionnykh kompressorov na baze tikhokhodnykh dlinnokhodovykh stupeney [Analysis of the competitiveness of hydrogen-containing circulation compressors based on low-speed long-stroke stages]. Izvestiya Tul’skogo gosudarstvennogo universiteta. Tekhnicheskiye nauki. Izvestiya Tula State University. Technical Sciences. 2023. No. 1. P. 499–503. DOI: 10.24412/2071-6168-2023-1-499-503. EDN: ZJNNPK. (In Russ.).
(20). Модернизация компрессора 4М16М-45-35/55. URL: https://chemtech.ru/modernizacija-kompressora-4m16m-45-35-55/ (дата обращения: 06.03.2023).
Modernizatsiya kompressora 4M16M-45-35/55 [Renovation of the 4M16M-45-35/55 compressor]. URL: https://chemtech.ru/modernizacija-kompressora-4m16m-45-35-55/ (accessed: 06.03.2023). (In Russ.).
(21). ГОСТ 27.301–95. Надежность в технике. Расчет надежности. Основные положения. Введ. 01–01–1997. Москва: Изд-во стандартов, 1995. 12 с.
GOST 27.301–95. Nadezhnost’ v tekhnike. Raschet nadezhnosti. Osnovnyye polozheniya [Dependability in technics. Dependability prediction. Basic principles]. Moscow, 1995. 12 p. (In Russ.).
(22). ГОСТ 27.002-2015. Надёжность в технике. Термины и определения. Введ. 01–03–2017. Москва: Стандартинформ, 2016. 30 с.
GOST 27.002-2015. Nadëzhnost’ v tekhnike. Terminy i opredeleniya [Dependability in technics. Terms and definitions]. Moscow, 2016. 30 p. (In Russ.).
(23). Хазов Б. Ф., Дидусев Б. А. Справочник по расчету надежности машин на стадии проектирования. Москва: Машиностроение, 1986. 224 c.
Khazov B. F., Didusev B. A. Spravochnik po raschetu nadezhnosti mashin na stadii proyektirovaniya [Handbook on the reliability calculating of machines at the design stage]. moscow, 1986. 224 p. (in russ.).
(24). Проников А. С. Параметрическая надежность машин. Москва: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2002. 560 с. ISBN 5-7038-1996-2.
Pronikov A. S. Parametricheskaya nadezhnost’ mashin [Parametric reliability of machines]. Moscow, 2002. 560 p. ISBN 5-7038-1996-2. (In Russ.).
(25). Юша В. Л. Научно-технологические предпосылки совершенствования и промышленного освоения малорасходных компрессорных агрегатов на базе длинноходовых поршневых ступеней // Омский научный вестник. Сер. Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение. 2022. Т. 6, № 3. С. 24–39. DOI: 10.25206/2588-0373-2022-6-3-24-39. EDN: YVEINB.
Yusha V. L. Nauchno-tekhnologicheskiye predposylki sovershenstvovaniya i promyshlennogo osvoyeniya maloraskhodnykh kompressornykh agregatov na baze dlinnokhodovykh porshnevykh stupeney [Scientific and technological prerequisites for improvement and industrial development of low-flow compressor units based on long-stroke piston stages]. Omskiy nauchnyy vestnik. Ser. Aviatsionno-raketnoye i energeticheskoye mashinostroyeniye. Omsk Scientific Bulletin. Series AviationRocket and Power Engineering. 2022. Vol. 6, no. 3. P. 24–39. DOI: 10.25206/2588-0373-2022-6-3-24-39. EDN: YVEINB.
(26). Бусаров С. С. Создание и совершенствование бессмазочных поршневых компрессоров среднего и высокого давления на базе малорасходных тихоходных длинноходовых сту-пеней: дис. ... д-ра техн. наук. Омск, 2023. 325 с. URL: https://rusneb.ru/catalog/000199_000009_012860386/ (дата обращения: 15.03.2025).
Busarov S. S. Sozdaniye i sovershenstvovaniye bessmazochnykh porshnevykh kompressorov srednego i vysokogo davleniya na baze maloraskhodnykh tikhokhodnykh dlinnokhodovykh stupeney [Creation and improvement of grease-free reciprocating compressors of medium and high pressure on the basis of low-speed long-stroke stages]. Omsk, 2023. 325 p. URL: https://rusneb.ru/catalog/000199_000009_012860386/ (accessed: 15.03.2025). (In Russ.)
(27). Бусаров С. С., Юша В. Л. Перспективы создания малорасходных компрессорных агрегатов среднего и высокого давления на базе унифицированных тихоходных длинноходовых ступеней // Научно-технические ведомости СПбПУ. Естественные и инженерные науки. 2018. Т. 24, № 4. С. 80–89. DOI: 10.18721/JEST.24408. EDN: YRNOVN.
Busarov S. S., Yusha V. L. Perspektivy sozdaniya maloraskhodnykh kompressornykh agregatov srednego i vysokogo davleniya na baze unifitsirovannykh tikhokhodnykh dlinnokhodovykh stupeney [Prospects for creating low-flow compressor units with medium and highpressuresbased on unified low-speed long-stroke stages]. Nauchno-tekhnicheskiye vedomosti SPbPU. Estestvennyye i inzhenernyye nauki. St. Petersburg Polytechnic University Journal of Engineering Science and Technology. 2018. Vol. 24, no. 4. P. 80–89. DOI: 10.18721/JEST.24408. EDN: YRNOVN. (In Russ.).
(28). Громов А. Ю. Разработка поршневых ступеней с линейным приводом для малорасходных компрессорных агрегатов и исследование их рабочих процессов: дис. … канд. техн. наук. Омск, 2017. 213 с.
Gromov A. Yu. Razrabotka porshnevykh stupeney s lineynym privodom dlya maloraskhodnykh kompressornykh agregatov i issledovaniye ikh rabochikh protsessov [Development of piston stages with linear drive for low-consumption compressor units and the research of their operating processes]. Omsk, 2017. 213 p. (In Russ.).
Published
How to Cite
Issue
Section
License
Non-exclusive rights to the article are transferred to the journal in full accordance with the Creative Commons License BY-NC-SA 4.0 «Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 Worldwide License (CC BY-NC-SA 4.0»)
