往復(fù)式壓縮機節(jié)能降耗技術(shù)分析

王 瑋 劉 洋 孫文忠

（中國石油大港油田天然氣公司處理站，天津 300280）

往復(fù)式壓縮機節(jié)能降耗技術(shù)分析

王 瑋 劉 洋 孫文忠

（中國石油大港油田天然氣公司處理站，天津 300280）

針對如何最大限度地降低往復(fù)式壓縮機的能耗問題，通過建立往復(fù)式壓縮機的指示功量及功率理論公式，得出壓縮機的氣缸尺寸和轉(zhuǎn)速一定時，壓力比、壓力損失和氣體性質(zhì)是影響壓縮機功率的主要因素，并通過壓縮機性能模擬計算軟件，分別對天然氣氣體性質(zhì)中的絕熱指數(shù)、氣體比重、壓縮系數(shù)和工作參數(shù)中的進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣和排氣壓力等因素對壓縮機功率的影響作了分析，得出了氣體比重增加、絕熱指數(shù)減小會使壓縮機的排氣量和功率下降以及工作參數(shù)中影響壓縮機功率的主要因素是入口壓力與壓縮比的結(jié)論，并根據(jù)結(jié)論制定出了諸如改善壓縮機的運行條件、合理布置管道、選用導(dǎo)熱系數(shù)高且便于清洗的冷卻器、定期清理機組空冷器等往復(fù)式壓縮機日常生產(chǎn)運行中的節(jié)能降耗措施。

往復(fù)式壓縮機 壓縮機功率 氣體性質(zhì) 進(jìn)氣溫度 進(jìn)氣壓力

0 引言

往復(fù)式壓縮機近年來在我國的天然氣長輸管道輸送、天然氣處理、氣井注采過程中的應(yīng)用越來越廣泛，也是天然氣生產(chǎn)中的主要能耗設(shè)備。如何最大限度地降低往復(fù)式壓縮機的能耗是管理技術(shù)人員面臨的難題，為此筆者針對往復(fù)式壓縮機的節(jié)能降耗技術(shù)問題進(jìn)行研究和分析。

1 壓縮機指示功率的計算公式

往復(fù)式壓縮機的指示功量是壓縮機氣缸在工作循環(huán)中壓縮氣體所消耗的總功量，用Li表示；單位時間內(nèi)消耗的指示功量稱為指示功率，用Ni表示。

實際壓縮過程的指示功量計算公式為：

指示功率計算公式為：

式中，ps為氣缸吸氣壓力，kgf／cm2；pd為氣缸排氣壓力，kgf／cm2；Vh為氣缸行程容積，m3；λV為容積系數(shù)，表示氣缸工作容積利用率降低的程度；k為氣體絕熱指數(shù)；ε為壓力比，為氣缸排氣壓力與吸氣壓力的比值；σ為相對壓力損失，%；n為壓縮機轉(zhuǎn)速，r／min。

由往復(fù)式壓縮機的指示功率計算公式得出，當(dāng)壓縮機的氣缸尺寸和轉(zhuǎn)速一定時，影響壓縮機指示功率的主要因素是壓力比、壓力損失和氣體性質(zhì)。

2 氣體性質(zhì)對壓縮機功率的影響分析

對于1臺在生產(chǎn)現(xiàn)場使用的壓縮機，壓縮機的氣缸尺寸和活塞行程、轉(zhuǎn)速等指標(biāo)已經(jīng)確定，可以通過分析壓縮氣體的物理性質(zhì)對壓縮機功率的影響來制定合理的節(jié)能措施。

為了研究氣體組分對壓縮機功率和其他參數(shù)的影響，選取了3種氣體的組分，見表1。

表1 壓縮機進(jìn)氣氣體的組分表

假設(shè)壓縮機的氣缸數(shù)量為6個，直徑為229 mm，活塞行程為152.4mm，入口壓力為1.0MPa，出口壓力為2.5MPa，氣缸入口的阻力降固定不變，壓縮機的進(jìn)氣溫度為47℃，通過計算機模擬計算得出的結(jié)果見表2。2.1 絕熱指數(shù)的影響

表2 不同組分的氣體對壓縮機性能參數(shù)的影響表

由表2計算結(jié)果看出隨著氣體中重組分的增加，氣體的摩爾質(zhì)量和氣體比重都增加，但是絕熱指數(shù)降低，壓縮機的排氣量和功率都下降。

往復(fù)式壓縮機容積系數(shù)的計算公式為：

式中，α為相對余隙容積，即余隙空間容積與氣缸總?cè)莘e的比值；m為膨脹過程指數(shù)。

根據(jù)公式（3）得出，在相同的氣缸余隙容積下，氣體的絕熱指數(shù)增加后，壓縮機的容積系數(shù)會有所增加，排氣量也會增加。

往復(fù)式壓縮機的排氣溫度計算公式為：

式中，Td為排氣溫度，℃；Ts為進(jìn)氣溫度，℃。當(dāng)壓縮機的壓力比ε不變時，氣體的絕熱指數(shù)變大，壓縮機的排氣溫度將會升高。

2.2 氣體比重的影響

由表2看出，3種氣體的比重不一樣，隨著氣體中重組分的增加，氣體的比重增加，比重大的氣體經(jīng)過管道和氣閥的壓降較大，使得氣缸內(nèi)的實際壓力比變大，因此壓縮機的指示功率變小，指示效率變低，壓縮系數(shù)變小，故排氣量有所下降。而氣體比重變小時，指示功率變大，排氣量增加［1-2］。

2.3 導(dǎo)熱系數(shù)及壓縮系數(shù)的影響

氣體的導(dǎo)熱性影響壓縮機工作循環(huán)中的熱交換情況，導(dǎo)熱系數(shù)大的氣體在壓縮機吸氣、排氣過程中易被加熱，因此排氣量降低。由表2看出，不同組分的氣體，氣體的壓縮系數(shù)不同，組分輕的氣體壓縮系數(shù)較大，在同樣的氣缸直徑和進(jìn)排氣壓力下，壓縮系數(shù)大的氣體消耗壓縮機功率大，排氣量也大。

3 工作參數(shù)對壓縮機性能的影響分析

3.1 進(jìn)氣溫度的影響

假設(shè)壓縮機共有6個氣缸，直徑為229mm，活塞行程為152.4mm，入口壓力為1.0MPa，出口壓力為2.5MPa，氣缸入口的阻力降固定不變，通過計算模擬壓縮機的進(jìn)氣溫度對壓縮機的排氣量和功率的影響，結(jié)果見圖1。

圖1 進(jìn)氣溫度對壓縮機排氣量和功率的影響示意圖

由圖1看出，當(dāng)壓縮機的進(jìn)出口壓力保持不變的情況下，隨著進(jìn)氣溫度的升高，壓縮機的功率和排氣量都呈現(xiàn)下降的趨勢。進(jìn)氣溫度每升高1℃，壓縮機的功率就下降0.25kW，約占壓縮機功率的0.019%；排氣量減少3000m3／d，約占壓縮機排氣量的0.3%。這是由于隨著氣體溫度的升高，體積膨脹，氣體密度減小，氣缸吸入氣體的實際質(zhì)量相對減少的緣故。

3.2 排氣壓力的影響

在壓縮機的入口壓力保持不變的情況下，壓縮機的排氣壓力升高，壓縮機的壓力比ε增大，根據(jù)式（1）和式（2）可知，壓縮機的指示功量和指示功率都將增大。通過壓縮機性能軟件的計算，模擬氣缸直徑為229mm，活塞行程為152.4mm，入口壓力為1.0MPa不變，出口壓力從2.5MPa升高到3.1MPa時，壓縮機排氣量和功率的變化情況見圖2。

圖2 排氣壓力對壓縮機排氣量和功率的影響示意圖

由圖2看出，隨著出口壓力的升高，壓縮機的功率增大，排氣量減小，排氣壓力每升高0.1MPa，壓縮機的功率就增加1.3%～3.5%；結(jié)果還表明，當(dāng)入口壓力為1.0MPa時，出口壓力由2.5MPa增加到2.6 MPa時，壓縮機的功率增加3.5%，當(dāng)出口壓力由3.8 MPa增加到3.9MPa時，壓縮機的功率僅增加了1.4%。說明隨著壓縮比的逐漸提高，壓縮機功率增加的幅度逐漸減緩。

3.3 進(jìn)氣壓力的影響

假設(shè)壓縮機共有4個氣缸，直徑為317.5mm，活塞行程為152.4mm，出口壓力為3.0MPa固定不變，壓縮機為一級壓縮。通過使用壓縮機性能計算軟件模擬壓縮機的進(jìn)氣壓力的變化對壓縮機的排氣量和功率的影響；又假設(shè)壓縮機采用三級壓縮模式，壓縮機的出口壓力為3.0MPa固定不變，入口壓力在0.02～0.07MPa變化時，使用壓縮機性能計算軟件計算得出壓縮機組入口壓力對機組的功率和排氣量影響情況。

單級壓縮和多級壓縮情況下，壓縮機進(jìn)氣壓力對機組排氣量和功率影響的結(jié)果見圖3。

由圖3看出，對于單級壓縮來說，當(dāng)壓縮機的出口壓力固定不變時，隨著壓縮機入口壓力的升高，壓縮機的排氣量逐漸增大；壓縮機入口壓力從1.0 MPa升至1.4MPa時，隨著進(jìn)氣壓力的不斷升高，壓縮機的功率逐漸增大，而進(jìn)氣壓力從1.4MPa升至2.5MPa時，隨著進(jìn)氣壓力的升高，壓縮機的功率反而逐漸降低。壓縮機采用多級壓縮時，當(dāng)壓縮機的出口壓力固定不變時，隨著壓縮機進(jìn)氣壓力的升高，壓縮機的排氣量和功率都逐漸增大。

根據(jù)壓縮機指示功率的計算公式（2），對壓縮機功率的影響，取決于壓縮機排氣量和ε兩個因素中誰是主要因素。當(dāng)ε大于1.1時，由于吸氣壓力降低，造成壓縮機排量降低所減少的功率超過了ε上升所增加的功率。因此，隨著入口壓力的降低，壓縮機的功率也降低［3］。當(dāng)壓縮機的ε小于1.1時，由于吸氣壓力降低，造成壓縮機排量降低所減少的功率低于ε上升所增加的功率。因此，隨著入口壓力的降低，壓縮機的功率增加；隨著入口壓力的升高，壓縮機的功率降低［4］。

圖3 單級和多級壓縮機的進(jìn)氣壓力對壓縮機排氣量和功率的影響示意圖

4 結(jié)束語

經(jīng)過往復(fù)式壓縮機指示功率計算公式分析和壓縮機性能的模擬計算，得出了往復(fù)式壓縮機優(yōu)化運行、降低能耗的措施。建議注意改善壓縮機的運行條件，合理布置管道，盡量降低管道阻力損失。在設(shè)計或安裝管道時，應(yīng)盡可能地縮短管道長度，選用導(dǎo)熱系數(shù)高且便于清洗的冷卻器并定期清理機組空冷器。

［1］張勇.往復(fù)式天然氣壓縮機節(jié)能降耗淺析［J］.通用機械，2009（8）：33-36.

［2］趙國山，仇性啟.活塞式壓縮機節(jié)能研究概述［J］.通用機械，2006（11）：72-76.

［3］蘇建華，許可方，宋德琦，等.天然氣礦場集輸與處理［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2004.

［4］王瑋.天然氣長輸管道壓縮機的改造［J］.設(shè)備管理與維修，2008（6）：48-49.

（編輯：蔣龍）

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2095-1132（2014）01-0049-03

10.3969／j.issn.2095-1132.2014.01.014

2013-04-24

2014-01-06

王瑋（1972-），高級工程師，從事天然氣凈化處理和壓縮機管理工作。E-mail：wangweidzt@sina.com。