CNG壓縮機(jī)中機(jī)械壓縮機(jī)與液壓壓縮機(jī)的對(duì)比分析

吳 軍，劉建杰，趙成林，吳 俊

（四川金星壓縮機(jī)制造有限公司，四川成都611731）

CNG壓縮機(jī)中機(jī)械壓縮機(jī)與液壓壓縮機(jī)的對(duì)比分析

吳 軍，劉建杰，趙成林，吳 俊

（四川金星壓縮機(jī)制造有限公司，四川成都611731）

鑒于目前液壓活塞子站壓縮機(jī)市場(chǎng)發(fā)展較為迅速，為準(zhǔn)確把握未來市場(chǎng)動(dòng)態(tài)，對(duì)機(jī)械壓縮機(jī)與液壓壓縮機(jī)的原理和特點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，針對(duì)其在天然氣加氣站標(biāo)準(zhǔn)站、母站和子站中的應(yīng)用進(jìn)行對(duì)比分析。

機(jī)械壓縮機(jī)；液壓壓縮機(jī)；天然氣加氣站

1 引言

目前，在我國(guó)天然氣行業(yè)，用于天然氣加氣站的壓縮機(jī)主要是曲柄連桿往復(fù)活塞壓縮機(jī)（以下簡(jiǎn)稱機(jī)械壓縮機(jī)）。近年來先后出現(xiàn)了液壓平推子站加氣系統(tǒng)、往復(fù)液壓活塞子站壓縮機(jī)（以下簡(jiǎn)稱液壓子站壓縮機(jī)），部分廠家正在研發(fā)往復(fù)液壓活塞標(biāo)準(zhǔn)站、母站壓縮機(jī)。其中液壓活塞子站壓縮機(jī)市場(chǎng)發(fā)展較為迅速，為準(zhǔn)確把握未來市場(chǎng)動(dòng)態(tài)，需要對(duì)機(jī)械壓縮機(jī)與液壓壓縮機(jī)進(jìn)行對(duì)比分析。

2 原理及特點(diǎn)

2.1 機(jī)械壓縮機(jī)原理及特點(diǎn)

機(jī)械壓縮機(jī)工作原理簡(jiǎn)單，電動(dòng)機(jī)直接通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行活塞的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)天然氣的壓縮。

壓縮比的大小是判定所需功率的重要因素。進(jìn)排氣壓力差越小，電機(jī)所需功率就越小，反之電機(jī)功率就越大。對(duì)于CNG天然氣壓縮機(jī)，可以根據(jù)進(jìn)、排氣壓力的大小來合理地確定合適的壓力比，以確保壓縮機(jī)始終在最佳的工況下運(yùn)行。壓縮機(jī)的容積流量由氣缸直徑、行程、轉(zhuǎn)速確定。機(jī)械壓縮機(jī)的能耗主要體現(xiàn)在壓縮氣體必須消耗的指示功、電機(jī)的效率、氣體流動(dòng)損失、填料活塞環(huán)的摩擦功耗等。

機(jī)械壓縮機(jī)有很多優(yōu)點(diǎn)：適應(yīng)范圍廣；排氣量調(diào)節(jié)靈活；壓力比可根據(jù)進(jìn)排氣壓力差自我調(diào)節(jié)。

2.2 液壓壓縮機(jī)原理及特點(diǎn)

通過電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)油泵工作，利用液壓壓力驅(qū)動(dòng)活塞進(jìn)行往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)天然氣的壓縮。

液壓壓縮機(jī)每一行程開始時(shí)，一端由于壓縮終了后氣缸內(nèi)存在帶壓氣體，帶壓氣體膨脹推動(dòng)活塞對(duì)另一端氣體進(jìn)行壓縮，此時(shí)油泵油壓僅為管路壓力損失壓力，平衡后油壓不斷升高推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)對(duì)另一端氣體進(jìn)行壓縮，當(dāng)氣缸內(nèi)壓力達(dá)到排氣壓力時(shí)，氣體排出氣缸，氣體壓力及油壓保持不變直到換向位置，換向后重復(fù)開始下一行程，由此可以看出每一行程油壓總是從最低逐漸達(dá)到最大值后，保持到壓縮終了，故油泵電機(jī)電流是從最低逐漸達(dá)到最大值后，保持到壓縮終了。

對(duì)液壓壓縮機(jī)而言，進(jìn)排氣壓力差越小，所需油壓越低，電機(jī)所需功率就越小，在排氣壓力一定的情況下，進(jìn)氣壓力為最大時(shí)，電機(jī)所需功率為最??；進(jìn)氣壓力為最小時(shí)，電機(jī)所需功率為最大。每個(gè)氣缸的容積流量等于所需液壓油油量。液壓壓縮機(jī)的能耗主要體現(xiàn)在推動(dòng)活塞實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體壓縮所必須的功耗、電機(jī)的效率、氣體流動(dòng)損失、密封環(huán)摩擦功耗、液壓泵及液壓元件內(nèi)泄漏功耗及液體流動(dòng)損失。

因液壓原理及液壓件重量限制，液壓壓縮機(jī)僅適合小排量、小功率、較高進(jìn)氣壓力。

3 機(jī)械壓縮機(jī)和液壓壓縮機(jī)在天然氣加氣站標(biāo)準(zhǔn)站中的使用分析

標(biāo)準(zhǔn)站壓縮機(jī)進(jìn)氣壓力低 （一般不大于1.0 MPa），實(shí)際工作排氣壓力18～25 MPa，容積流量大 （一般大于1.5～5.0 m3/min），壓縮級(jí)數(shù)多（一般為3～5級(jí)），如使用液壓壓縮機(jī)根據(jù)其原理可知其使用正好落在進(jìn)排氣壓力差大區(qū)間工作，故所需電機(jī)功率大，且由于容積流量大，壓縮級(jí)數(shù)的增多，油泵的流量必然增大。進(jìn)氣壓力0.3 MPa，容積流量3.0 m3/min為例，采用4級(jí)等壓比壓縮，油泵流量必須大于4.58 m3/min，是75 kW液壓子站壓縮機(jī)油泵最大流量0.36 m3/min的12倍，雖然可采用配置2臺(tái)泵或3合泵（一臺(tái)低中壓大流量泵，一臺(tái)高壓小流量泵或2臺(tái)低中壓大流量泵，一臺(tái)高壓小流量泵）來降低成本和減小液壓元件外形尺寸及重量，但液壓元件會(huì)依然龐大，液壓系統(tǒng)復(fù)雜，成本大幅提高，能耗會(huì)明顯大于機(jī)械壓縮機(jī)，占地面積大大增加。

如上所述機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)站壓縮機(jī)由于其始終處于高壓差狀態(tài)工作，且油泵流量大，液壓壓縮機(jī)不會(huì)具有優(yōu)勢(shì)。

作者計(jì)算容積流量為1 m3、進(jìn)氣壓力為2～20 MPa范圍內(nèi)的天然氣，其進(jìn)氣溫度為25℃，排氣壓力為20MPa，根據(jù)機(jī)械壓縮機(jī)和液壓壓縮機(jī)功耗的計(jì)算公式，當(dāng)采用機(jī)械壓縮機(jī)時(shí)的平均功耗為16.8 MJ，而采用液壓壓縮機(jī)工作時(shí)所消耗的功耗為20 MJ，由此可見機(jī)械壓縮機(jī)的平均功耗較液壓壓縮機(jī)的功耗小19%。

4 機(jī)械壓縮機(jī)和液壓壓縮機(jī)在天然氣加氣站母站中的使用分析

母站壓縮機(jī)進(jìn)氣壓力較低 （一般不大于2.0 MPa），實(shí)際工作排氣壓力3.0～20 MPa，容積流量大（一般大于2.0 m3/min），壓縮級(jí)數(shù)多（一般為3～5級(jí)），如使用液壓壓縮機(jī)根據(jù)其原理可知在拖車初始充氣時(shí)，氣瓶?jī)?nèi)壓力為泄氣后壓力（一般為3.0 MPa），此時(shí)進(jìn)氣壓力與排氣壓力的差值很小，充分利用液壓機(jī)的特點(diǎn)采用一級(jí)工作，此時(shí)油泵所需功率最小，能耗會(huì)明顯小于機(jī)械壓縮機(jī)（可像液壓子站壓縮機(jī)一樣配置雙泵或多泵，此時(shí)單臺(tái)開機(jī)以節(jié)能），隨著充氣的不斷進(jìn)行，氣瓶?jī)?nèi)壓力會(huì)逐漸升高，油泵所需功率亦會(huì)逐漸增大，當(dāng)排氣壓力達(dá)到某一設(shè)定值時(shí)可實(shí)時(shí)切換到多級(jí)壓縮，當(dāng)切換到3級(jí)及以上壓縮時(shí)（末級(jí)排氣壓力約為10 MPa），液壓壓縮機(jī)能耗會(huì)大于機(jī)械壓縮機(jī)，隨著排氣壓力的繼續(xù)升高，能耗差值亦繼續(xù)加大。

母站壓縮機(jī)由于要求排氣量大，電機(jī)功率一般大于250 kW，雖然可采用配置2臺(tái)泵或3臺(tái)泵以減小單臺(tái)電機(jī)功率，但電機(jī)總功率不會(huì)改變，此時(shí)由其工作原理決定的電流反復(fù)大幅度波動(dòng)，對(duì)電網(wǎng)和電機(jī)的沖擊會(huì)達(dá)到不容忽視的程度。

母站壓縮機(jī)的容積流量，壓縮級(jí)數(shù)特點(diǎn)同標(biāo)準(zhǔn)站壓縮機(jī)一樣，故其結(jié)構(gòu)方面的理由分析同標(biāo)準(zhǔn)站壓縮機(jī)。

如上所述機(jī)械母站壓縮機(jī)只要在進(jìn)氣壓力小于4.0 MPa，液壓壓縮機(jī)不會(huì)具有優(yōu)勢(shì)，至于進(jìn)氣壓力大于4.0 MPa母站壓縮機(jī)，液壓壓縮機(jī)是否具有優(yōu)勢(shì)應(yīng)根據(jù)其實(shí)際進(jìn)氣壓力和排氣量大小綜合評(píng)判。這一點(diǎn)，已通過我公司生產(chǎn)的“M型CNG汽車加氣站用天然氣壓縮機(jī)”系列產(chǎn)品在市場(chǎng)運(yùn)用中得到了充分的驗(yàn)證。

5 機(jī)械壓縮機(jī)和液壓壓縮機(jī)在天然氣加氣站子站中的使用分析

子站壓縮機(jī)進(jìn)氣壓力較高（3.0～20 MPa），實(shí)際工作排氣壓力18～25 MPa，容積流量較小（一般小于0.5 m3/min），壓縮級(jí)數(shù)少 （一般為1～2級(jí)），如使用液壓壓縮機(jī)根據(jù)其原理可知在拖車初始泄氣時(shí)，氣瓶?jī)?nèi)壓力為充氣后壓力（一般為20.0MPa），此時(shí)進(jìn)氣壓力與排氣壓力的差值很小，充分利用液壓機(jī)的特點(diǎn)采用一級(jí)工作，此時(shí)油泵所需功率最小，能耗會(huì)明顯小于機(jī)械壓縮機(jī)（液壓子站壓縮機(jī)一般配置雙泵，此時(shí)單臺(tái)開機(jī)以節(jié)能，同時(shí)氣量亦可保證，機(jī)械壓縮機(jī)的能耗高主要在于電機(jī)負(fù)荷非常小，氣體流動(dòng)損失、摩擦功耗稍大），隨著泄氣的不斷進(jìn)行，氣瓶?jī)?nèi)壓力會(huì)逐漸降低，油泵所需功率亦會(huì)逐漸增大，當(dāng)進(jìn)氣壓力達(dá)到某一設(shè)定值時(shí)可實(shí)時(shí)切換到2級(jí)壓縮，當(dāng)進(jìn)氣壓力降低到某一值（一般約為8 MPa左右），液壓壓縮機(jī)能耗與機(jī)械壓縮機(jī)基本一致，隨著進(jìn)氣壓力的繼續(xù)降低，兩者的能耗差值出現(xiàn)并逐漸加大。

根據(jù)2012年及本年度調(diào)研情況，對(duì)液壓子站壓縮機(jī)與機(jī)械子站壓縮機(jī)對(duì)比分析如下：

（1）液壓子站壓縮機(jī)平均排氣量大于定頻機(jī)械壓縮機(jī)，小于變頻機(jī)械式壓縮機(jī)（電機(jī)總功率75 kW調(diào)研結(jié)果液壓子站壓縮機(jī)實(shí)際平均排氣量約1400Nm3/h，最低進(jìn)氣壓力3.5 MPa；定頻機(jī)械子站壓縮機(jī)理論平均排氣量1200 Nm3/h最低進(jìn)氣壓力3 MPa；變頻機(jī)械子站壓縮機(jī)實(shí)際平均排氣量大于1800 Nm3/h最低進(jìn)氣壓力3 MPa）。

（2）變頻機(jī)械壓縮機(jī)能耗低于液壓子站壓縮機(jī)；根據(jù)電機(jī)總功率75 kW調(diào)研結(jié)果液壓子站壓縮機(jī)其純站電耗成本0.06元/Nm3（運(yùn)行3800多小時(shí)平均整站電耗成本，最低進(jìn)氣壓力3.5 MPa），另一變頻機(jī)械壓縮機(jī)和液壓子站壓縮機(jī)各一臺(tái)加氣站其整站電耗成本約0.05元/Nm3多一點(diǎn)，另一定頻機(jī)械壓縮機(jī)加氣站其電耗成本約0.065元/Nm3（是否整站電耗不詳）。

（3）液壓子站壓縮機(jī)噪聲?。〒Q向沖擊聲除外）。

（4）液壓子站壓縮機(jī)生產(chǎn)成本低、維護(hù)方便，更換小件便利；大修一般僅為更換機(jī)械等運(yùn)動(dòng)部件的密封件（本次調(diào)研用戶液壓子站已運(yùn)行3800多小時(shí)僅更換2根溢流閥彈簧）。

（5）液壓子站壓縮機(jī)活塞一端封氣，一端封油，而無刮油機(jī)構(gòu)，故存在壓縮氣體含油量大風(fēng)險(xiǎn)。

（6）液壓子站壓縮機(jī)外泄漏小，正常工作時(shí)由于其沒有往復(fù)壓縮機(jī)的填料、機(jī)械環(huán)，因此沒有從填料、活塞環(huán)處氣體泄漏；但如果活塞密封環(huán)泄漏，會(huì)馬上產(chǎn)生油氣竄通，機(jī)組無法工作而停產(chǎn)。

（7）液壓子站壓縮機(jī)對(duì)基礎(chǔ)要求不高。

（8）液壓式壓縮機(jī)液壓系統(tǒng)對(duì)雜質(zhì)的敏感高，雜質(zhì)會(huì)引發(fā)液壓件的快速磨損和失效，功耗增大，產(chǎn)氣量下降，更換油泵、液壓元件成本高。

（9）液壓子站壓縮機(jī)電流反復(fù)大幅度波動(dòng)，對(duì)電網(wǎng)、電機(jī)有沖擊。

液壓壓縮機(jī)的每一行程，電機(jī)電流變動(dòng)范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出小于66%的波動(dòng)要求，破壞了電網(wǎng)和電機(jī)的正常運(yùn)行。電機(jī)負(fù)荷在低于70%時(shí)電機(jī)效率、功率因素嚴(yán)重下降，功耗增加，且每一行程存在電機(jī)能力未能充分利用，排氣量較小。變頻機(jī)械壓縮機(jī)由于能自動(dòng)通過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，使壓縮機(jī)始終保持在滿功率狀態(tài)下工作，電機(jī)效率、功率因素均處于最佳狀態(tài)，功耗最低，平均排氣量大。

6 結(jié)論

如上所述，從功耗、壓縮機(jī)的運(yùn)行安全性等方面分析，機(jī)械子站壓縮機(jī)如與液壓子站壓縮機(jī)競(jìng)爭(zhēng)，應(yīng)推薦采用變頻機(jī)組，特別是90 kW，同時(shí)應(yīng)通過改進(jìn)或提高制造精度進(jìn)一步達(dá)到減小占地面積、減小振動(dòng)和噪聲、降低生產(chǎn)成本，以加大機(jī)械子站壓縮機(jī)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

Comparison and Analysis of Mechanical Compressor and Hydraulic Compressor in CNG Compressors

WU Jun，LIU Jian-jie，ZHAO Cheng-lin，WU Jun
（Sichuan Jinxing Compressor Manufacturing Co.，Ltd，Chengdu 611731，China）

Hydraulic compressor faced with better opportunities for development in the current market，accurately to grasp the future market trends，the principles and characteristics of the mechanical compressor and hydraulic compressor were compared in the paper. Comparison performance of the mechanical compressor and hydraulic compressor used in the natural gas filling stations for its standard stations，mother stations and sub-stations are analyzed.

mechanical compressor；hydraulic compressor；natural gas filling stations

TH45

:B

1006-2971（2014）06-0036-03

2014-09-22