整體式燃?xì)鈮嚎s機(jī)燃料氣有效利用的節(jié)能研究

馮丞科 張波 謝凌 禹貴成 丁思升（西南油氣田分公司重慶氣礦）

引言

隨著四川油氣田整體進(jìn)入開(kāi)發(fā)中、后期，油管壓力不足，不能滿足外輸要求，大部分氣田須實(shí)施增壓開(kāi)采。另一方面，氣井產(chǎn)水不斷增加，若不采取補(bǔ)充能量開(kāi)采，氣井將水淹停噴，在后期氣田高壓氣源不足的情況下，增壓機(jī)氣舉排水成為普遍采用的穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)措施。

重慶氣礦從1987年開(kāi)始實(shí)施增壓開(kāi)采。截至2011年，已投運(yùn)壓縮機(jī)組109臺(tái)，增壓機(jī)處理氣量近1 000×104m3/d。針對(duì)后期老井生產(chǎn)壓力不足和氣井產(chǎn)水量不斷增加等開(kāi)采特點(diǎn)，外輸增壓和氣舉排水采氣全部采用往復(fù)活塞式壓縮機(jī)組，驅(qū)動(dòng)方式全部采用燃?xì)怛?qū)動(dòng)。

重慶氣礦在役壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)形式以整體式為主。截至2011年，有增壓站45座，裝機(jī)功率46 309 kW。燃料氣累計(jì)消耗4 946.38×104m3/a，燃料氣平均消耗量0.70m3/kWh。運(yùn)行負(fù)荷普遍較低。

1 影響整體式壓縮機(jī)能效的主要因素

重慶氣礦在役壓燃?xì)鈮嚎s機(jī)主要為整體往復(fù)式活塞壓縮機(jī)，其動(dòng)力裝置為二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)。對(duì)壓縮機(jī)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行狀況的調(diào)研結(jié)果的分析表明，在役壓縮機(jī)能耗偏高。

1.1 壓縮功率利用率

壓縮機(jī)組在選型設(shè)計(jì)中，所選擇的設(shè)計(jì)點(diǎn)參數(shù)對(duì)壓縮機(jī)實(shí)際負(fù)荷率有嚴(yán)重影響。實(shí)際建設(shè)過(guò)程中，機(jī)組選型設(shè)計(jì)點(diǎn)參數(shù)與實(shí)際情況普遍存在相差較大的問(wèn)題。機(jī)組功率及處理能力都得不到充分利用。

1.2 壓縮機(jī)組配套設(shè)備

壓縮機(jī)的機(jī)組輔助系統(tǒng)包括水泵、冷卻風(fēng)扇、管線阻力損失等。這些配套設(shè)備的技術(shù)水平直接影響燃料氣消耗指標(biāo)。例如：目前壓縮機(jī)組工藝系統(tǒng)阻力普遍在0.1～0.3MPa之間。按照進(jìn)氣壓力在1MPa，排氣壓力5MPa，壓力損失0.2MPa計(jì)算，重慶氣礦增壓氣量972×104m3/d，功率消耗多增加724 kW；1臺(tái)機(jī)組輔助系統(tǒng)多消耗2 kW。按重慶氣礦2011年增壓機(jī)組累計(jì)運(yùn)行時(shí)間668 552 h計(jì)算，1年多耗功133.71×104kW。

1.3 壓縮機(jī)運(yùn)行參數(shù)控制

壓縮機(jī)運(yùn)行參數(shù)中，冷卻系統(tǒng)水溫、壓比、處理負(fù)荷等參數(shù)，對(duì)壓縮機(jī)運(yùn)行效率和能源能耗有直接影響。優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)可帶來(lái)明顯的節(jié)能效果，反之，若不注意參數(shù)控制和調(diào)節(jié)，則可能導(dǎo)致增壓設(shè)備運(yùn)行效率下降，能耗增加。重慶氣礦對(duì)負(fù)荷率相同的部分整體式壓縮機(jī)機(jī)組進(jìn)行分析、比較，運(yùn)行水溫最低為41℃，最高為72℃，同型機(jī)組燃?xì)庀穆氏嗖?1.2%，設(shè)備運(yùn)行效率差距明顯。

1.4 壓縮機(jī)降噪廠房建設(shè)

壓縮機(jī)制造廠商對(duì)天然氣壓縮機(jī)的環(huán)境溫度提出了明確要求，即常規(guī)的天然氣壓縮機(jī)組的設(shè)計(jì)環(huán)境溫度最高為45℃，最低為-50℃。目前在役壓縮機(jī)降噪工房普遍存在室內(nèi)高溫問(wèn)題?，F(xiàn)行的壓縮機(jī)組噪音控制對(duì)機(jī)組排氣、消聲器、散熱器等采取了隔熱處理，并將廢氣引向高空或室外排放，以減少室內(nèi)熱源。

壓縮機(jī)防噪工房均采用風(fēng)機(jī)強(qiáng)制散熱，但這需要安裝大量風(fēng)機(jī)，能耗及運(yùn)行成本將隨之增加。另一方面，現(xiàn)場(chǎng)使用過(guò)程中還發(fā)現(xiàn)，在環(huán)境溫度超過(guò)30℃以后，很難依靠空氣流動(dòng)來(lái)散失室內(nèi)不斷聚集的熱量，因而惡化了壓縮機(jī)組的工況，影響其性能，造成壓縮機(jī)功率損失，同時(shí)增加了燃料氣消耗量。

2 整體式壓縮機(jī)燃料氣節(jié)能措施

整體式壓縮機(jī)組正式投運(yùn)后，在減少技術(shù)改造費(fèi)用的情況下對(duì)整體式壓縮機(jī)進(jìn)行燃料氣節(jié)能改造，提出優(yōu)化電火提前角、降低發(fā)動(dòng)機(jī)熱損失和提高機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷三種措施。

2.1 簡(jiǎn)易優(yōu)化點(diǎn)火提前角

在發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)中，點(diǎn)火時(shí)刻是用點(diǎn)火提前角來(lái)表示的。點(diǎn)火提前角對(duì)燃燒過(guò)程的有效性和發(fā)動(dòng)機(jī)的工作有很大的影響。若點(diǎn)火提前角過(guò)小，將使混合氣的燃燒過(guò)程在容積不斷增大的膨脹過(guò)程中進(jìn)行，熾熱的氣體與氣缸壁的接觸面積增加，導(dǎo)致散熱損失增大，同時(shí)，燃燒放熱量未得到充分利用，最高燃燒壓力降低，氣體的膨脹功減少，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱，功率下降，耗氣量增加；若點(diǎn)火提前角過(guò)大，壓縮過(guò)程將消耗較多的能量，最高燃燒壓力較高，可能出現(xiàn)爆燃和運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)現(xiàn)象，同樣導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱、功率下降。只有選擇最適當(dāng)?shù)狞c(diǎn)火提前角，才能保證燃燒及時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)功率最大，熱能利用最好。

重慶氣礦按照壓縮機(jī)廠家提供的最佳點(diǎn)火提前角參數(shù)（7°～11°），對(duì)磨盤(pán)場(chǎng)、張家場(chǎng)、黃草峽、臥北增壓站的整體式燃?xì)鈮嚎s機(jī)進(jìn)行了點(diǎn)火提前角調(diào)節(jié)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在工況不變的條件下，點(diǎn)火提前角對(duì)單位功率能耗有一定影響。隨著點(diǎn)火提前角的增大（7°→9°→11°），單位功率能耗減小，本次試驗(yàn)燃?xì)庀穆氏陆捣茸畲鬄?.9%。

2.2 降低發(fā)動(dòng)機(jī)熱損失

整體式壓縮機(jī)動(dòng)力缸、壓縮缸通過(guò)夾套冷卻水進(jìn)行冷卻。動(dòng)力缸水溫過(guò)高將導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降，動(dòng)力缸水溫過(guò)低，將導(dǎo)致氣缸內(nèi)溫度下降，燃燒速度減慢、潤(rùn)滑油變稠、增加摩擦功率，發(fā)動(dòng)機(jī)有效功率下降。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，必須保持一定的冷卻水溫度。新投運(yùn)機(jī)組在動(dòng)力缸上方出水管路上安裝一溫度調(diào)節(jié)器，可自動(dòng)調(diào)節(jié)循環(huán)水溫度。據(jù)理論分析，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度由70℃提高到80℃，燃燒消耗率將降低3%～5%。此外，還可通過(guò)調(diào)節(jié)動(dòng)力缸及壓縮缸進(jìn)水管的截止閥來(lái)控制冷卻水量，使冷卻水溫度控制在最佳狀態(tài)。

由于在正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，各增壓站動(dòng)力缸及壓縮缸進(jìn)水管的截止閥處于全開(kāi)狀態(tài)。但是，半關(guān)閉截止閥將使循環(huán)水量減少，冷卻水出水溫度上升。為防止冷卻水溫度超高，確定選擇目前冷卻水溫度較低的壓縮機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。通過(guò)臥北、黃草峽、張家場(chǎng)增壓站現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得出以下結(jié)論：

1）通過(guò)調(diào)節(jié)冷卻水溫，單臺(tái)機(jī)組可節(jié)約燃料氣24～56m3，節(jié)約量達(dá)到4%。

2）隨著冷卻水溫的升高，增壓機(jī)組燃料氣消耗量降低。當(dāng)達(dá)到燃料氣消耗最低極限點(diǎn)后，隨著冷卻水溫的升高，燃料氣耗量增加。試驗(yàn)表明，這個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)大致在68～72℃。

3）可通過(guò)節(jié)溫器或調(diào)節(jié)動(dòng)力缸及壓縮缸進(jìn)水管的截止閥來(lái)控制冷卻水量，使冷卻水溫度控制在最佳狀態(tài)，改善發(fā)動(dòng)機(jī)和冷卻器熱傳遞的效果，從而提高機(jī)組熱效率，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的功率消耗。

2.3 調(diào)整機(jī)組負(fù)荷

負(fù)荷加大時(shí)，進(jìn)入氣缸的混合氣量增多，燃燒壓力升高，殘余廢氣相對(duì)量減少，燃燒充分。反之，當(dāng)負(fù)荷降低時(shí)，殘余廢氣相對(duì)量增加，燃料分子和氧分子接觸機(jī)會(huì)減少，燃料消耗量增多，發(fā)動(dòng)機(jī)性能下降。

重慶氣礦對(duì)福成寨增壓站2#機(jī)組進(jìn)行了兩次工況改造試驗(yàn)。第一次改造，將單/單作用改為雙/單作用，余隙尺寸調(diào)至7.5 in（1 in=25.4mm），負(fù)荷由47.7%提高至57.0%；第二次改造，調(diào)整余隙尺寸至5 in，負(fù)荷提高至63.1%。工況改造試驗(yàn)得到以下結(jié)論：

◇機(jī)組負(fù)荷越高，單機(jī)處理能力越大、燃料氣消耗量越高，但是燃料氣消耗率越低；

◇機(jī)組負(fù)荷提高可降低燃料氣消耗率7.8%～22.67%。

3 燃料氣節(jié)能措施在重慶氣礦的應(yīng)用

根據(jù)以上現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，提高機(jī)組負(fù)荷能夠最大程度地降低燃料氣消耗。重慶氣礦依據(jù)試驗(yàn)結(jié)論，調(diào)整了機(jī)組負(fù)荷，取得了很好的節(jié)能效果。

3.1 雙家壩增壓站

2011年2月22日—3月22日，雙家壩增壓站ZTY470壓縮機(jī)的缸徑由7.5 in×7.5 in改為12 in×7.5 in，機(jī)組負(fù)荷由34.3%提高至65.5%。通過(guò)更換缸徑改造后，燃料氣消耗率下降41.8%。同時(shí)，由于單機(jī)處理氣量提高，雙家壩增壓站由原來(lái)的2臺(tái)ZTY470機(jī)組運(yùn)行改為1臺(tái)ZTY470運(yùn)行。

3.2 臥北增壓站

臥北機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷在14%～58%左右，整體負(fù)荷較低。通過(guò)調(diào)整機(jī)組余隙容積，提高了機(jī)組負(fù)荷。在滿足生產(chǎn)的前提下，將臥北嘉陵江增壓機(jī)組減少為2臺(tái)。改造后，機(jī)組燃料氣消耗率由9 400 m3/d下降到8 600m3/d，同時(shí)停運(yùn)了1臺(tái)機(jī)組，節(jié)能效果非常顯著。

4 結(jié)論及建議

1）在廠家規(guī)定的安全電火提前角范圍內(nèi)，點(diǎn)火提前角越大，燃料氣消耗率越低。

2）動(dòng)力缸夾套水溫保持在68～72℃時(shí)燃料氣消耗比較經(jīng)濟(jì)。

3）機(jī)組負(fù)荷越高，燃料氣消耗率越低。

4）整體式壓縮機(jī)機(jī)組應(yīng)安裝節(jié)溫器，以減少熱損失，降低燃料氣消耗率。

5）負(fù)荷較低的機(jī)組應(yīng)及時(shí)進(jìn)行工況改造，提高機(jī)組負(fù)荷，減少運(yùn)行機(jī)組數(shù)量，降低燃料氣消耗率。

6）建議有針對(duì)性地開(kāi)展壓縮機(jī)組配套設(shè)施功率消耗研究，降低配套設(shè)施功率，減少燃料氣消耗率。