CNG壓縮機節(jié)能技術(shù)與試驗分析

梁 政 李雙雙 田家林 朱小華 梅慶剛 張力文

1.石油天然氣裝備教育部重點實驗室·西南石油大學(xué) 2.中國石油西南油氣田公司銷售分公司

CNG是一種理想的車用替代燃料，具有成本低、效益高、無污染、使用安全便捷等特點[1]。由于我國CNG技術(shù)起步較晚、研究不夠深入，導(dǎo)致CNG加氣站工藝流程不盡合理、CNG壓縮機整體性能不夠優(yōu)良，系統(tǒng)運行能耗高、效率低[2]。根據(jù)CNG壓縮機工藝流程，分析了影響能耗的關(guān)鍵參數(shù)，提出了對壓縮缸級間回氣冷卻、分離的節(jié)能技術(shù)。同時，結(jié)合現(xiàn)場條件完成了L－12／5－250型壓縮機第二、四級級間回氣管線加裝冷卻器的節(jié)能技術(shù)改造試驗。試驗結(jié)果表明：①降低了各級壓縮缸的進出口溫度；②不同原料氣進氣壓力下，CNG壓縮機單耗都有所下降，在0.35MPa的進氣壓力下得到了3.87%的節(jié)能效果。試驗結(jié)果驗證了該節(jié)能技術(shù)的可行性，對CNG加氣站的節(jié)能降耗具有指導(dǎo)意義。

1 CNG壓縮機工藝分析

CNG加氣站一般由天然氣預(yù)處理、壓縮、儲存、控制以及CNG售氣等5個系統(tǒng)組成[3]。CNG壓縮機是壓縮系統(tǒng)的核心部分，一般為多級壓縮，采用中間冷卻與分離方式降溫、脫液[4]。某加氣站采用2臺L－12／5－250型壓縮機，為2列四級壓縮（一、三級在豎直列，二、四級在水平列），中間冷卻，有油潤滑，氣缸和中間冷卻器為水冷結(jié)構(gòu)，具有運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、排氣量大、適用范圍廣、維護費用低等優(yōu)勢[5－6]。由于采用了級差式壓縮缸結(jié)構(gòu)，同列壓縮缸壓力差別較大，氣體作用力差別較大，為了改善活塞桿的受力狀態(tài)和減小電機的負荷，在同列壓縮缸中間設(shè)有平衡腔來平衡活塞力[7]。L－12／5－250型壓縮機結(jié)構(gòu)如圖1所示，其額定功率為126 kW，排氣量為12m3／min，進氣壓力為0.5MPa，排氣壓力為25MPa[8]。

圖1 L－12／5－250型壓縮機結(jié)構(gòu)圖

L－12／5－250型壓縮機的工藝流程為：原料氣經(jīng)過預(yù)處理，除去氣體中的硫和游離水，經(jīng)CNG壓縮機逐級壓縮，級間壓縮氣體經(jīng)過中間冷卻器冷卻和油水分離器分離出凝液和潤滑油，最終將天然氣壓縮到25 MPa，隨后進入下一處理環(huán)節(jié)[9]。同時，由于L型四級壓縮機結(jié)構(gòu)布局的關(guān)系，為回收平衡腔漏失的天然氣，把二、四級壓縮缸的第二、四級級間回氣（平衡腔漏失的天然氣）直接返回到第一級壓縮缸再次壓縮[10]。

L－12／5－250型壓縮機第二、四級級間回氣未經(jīng)過冷卻和分離而直接與原料氣混合后進入一級壓縮缸壓縮，由于第二、四級級間回氣溫度高，接近壓縮缸出口溫度，與原料氣混合后必然提高一級進氣溫度，而且第二、四級級間回氣所含的凝液和潤滑油等進入一級壓縮缸，減少了原料氣的吸入量，惡化了各級壓縮缸的工況，增加了各級冷卻器、分離器的負荷，必然降低壓縮機組的效率。

2 CNG壓縮機節(jié)能技術(shù)

根據(jù)壓縮機熱力學(xué)，多級壓縮中各級每一理論工作循環(huán)的多變壓縮功為[11]：

式中W為單位質(zhì)量天然氣的理論壓縮功，kJ／kg；Z1、Z2為進、排氣壓力下的氣體壓縮性系數(shù)；Rg為氣體常數(shù)，kJ／（kg·K）；T1為壓縮缸進氣溫度，K；n為壓縮過程多變指數(shù)；p1、p2為壓縮缸進、排氣壓力，MPa。

由上式可見，壓縮機的理論壓縮功正比于壓縮缸進氣溫度T1和氣體常數(shù)Rg，這表明進氣溫度越低，進氣氣質(zhì)越好，壓縮功耗越低[12]。因此，提高各級冷卻器的冷卻效果以降低壓縮機各級進氣溫度、提高各級分離器的分離效果以降低各級壓縮缸進氣的含液率，均可達到降低壓縮機能耗的目的。

針對L－12／5－250型壓縮機壓縮工藝，在不改變系統(tǒng)其他條件的前提下，提出對第二、四級級間回氣進行冷卻、分離的節(jié)能技術(shù)（圖2）。此節(jié)能技術(shù)具有以下優(yōu)點：①降低一級壓縮缸進氣溫度，改善壓縮缸的工況；②降低壓縮機進氣的含液量，提高原料氣的吸入量量，提高壓縮缸的工作效率；③提高壓縮系統(tǒng)的效率，降低壓縮機組的能耗，達到壓縮機節(jié)能運行的目的。

圖2 L－12／5－250型壓縮機節(jié)能技術(shù)工藝流程圖

3 節(jié)能技術(shù)效果分析

基于上述的節(jié)能技術(shù)原理，由于現(xiàn)場條件的限制，本次改造僅僅在L－12／5－250型壓縮機第二、四級級間回氣管線上加裝了一套冷卻器，冷卻器換熱面積為1.5，改造前后現(xiàn)場如圖3所示。為了系統(tǒng)分析節(jié)能改造的節(jié)能效果，在不改變冷卻系統(tǒng)和壓縮機系統(tǒng)其他設(shè)備參數(shù)的條件下，通過系統(tǒng)原有壓力、溫度、氣量、電耗等記錄儀表，分別測試了原料氣進氣壓力為0.35、0.38、0.40MPa下關(guān)閉和開啟冷卻器時壓縮機的運行參數(shù)和能耗，相關(guān)數(shù)據(jù)見表1、2。

從表2的數(shù)據(jù)可看出，當(dāng)進氣壓力為0.35MPa時開啟冷卻器后壓縮機一級進氣溫度由35℃降低到28℃，溫度下降了7℃，其他參數(shù)對比分析如圖4所示?？傊诓煌M氣壓力下，開啟冷卻器后壓縮機各級進氣溫度都有所下降，對第二、四級級間回氣的冷卻取得了降低壓縮機進氣溫度的效果。

圖3 L－12／5－250型壓縮機節(jié)能技術(shù)改造前后現(xiàn)場對比圖

表1 測試儀表及精度等級表

表2 壓縮機的運行參數(shù)和能耗數(shù)據(jù)表

圖4 進氣壓力為0.35MPa時壓縮機工況參數(shù)圖

節(jié)能考核指標(biāo)為壓縮機壓縮單位體積的天然氣所需的能耗，即單耗。通過以上能耗數(shù)據(jù)對比分析得出關(guān)閉和開啟冷卻器時壓縮機組在不同進氣壓力下的單耗，分析該節(jié)能技術(shù)的節(jié)能效果。在原料氣進氣壓力為0.35、0.38、0.40MPa時，分別取得了節(jié)能比為3.87%、4.04%、3.96%的節(jié)能效果。相關(guān)工況的節(jié)能效果分析結(jié)果見表3，改造前后壓縮機單耗對比分析如圖5所示。

表3 L－12／5－250型壓縮機不同工況下節(jié)能效果分析結(jié)果表

圖5 不同進氣壓力下關(guān)閉、開啟冷卻器L－12／5－250型壓縮機單耗示意圖

4 結(jié)論

1）在分析現(xiàn)有CNG壓縮機工藝與理論的基礎(chǔ)上，提出了通過降低壓縮機級間溫度與含液量來提高壓縮機效率，達到了節(jié)能降耗的目的。

2）結(jié)合現(xiàn)場條件，對 L－12／5－250型壓縮機第二、四級級間回氣管上加裝冷卻器后，在0.35、0.38、0.40 MPa 3種進氣壓力下取得的對應(yīng)節(jié)能比分別為3.87%、4.04%、3.96%，驗證了該節(jié)能技術(shù)的可行性。

3）如果能夠通過技術(shù)改造，在不增加循環(huán)水量的前提下，進一步改善冷卻器的冷卻效果、提高各級分離器分離效率，降低壓縮機各級進氣溫度和各級氣體的含液率，對提高壓縮機效率、降低壓縮機能耗、實現(xiàn)壓縮機節(jié)能經(jīng)濟運行具有重要的意義。

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