基于CNG母站壓縮機運行參數(shù)及能耗的分析

盧逸凡，程宜強，王貴仁，紀 剛，張贛潤

（江西省天然氣有限公司，江西南昌330012）

基于CNG母站壓縮機運行參數(shù)及能耗的分析

盧逸凡，程宜強，王貴仁，紀 剛，張贛潤

（江西省天然氣有限公司，江西南昌330012）

針對美國Ariel天然氣壓縮機對槽車加氣過程中的最終排氣壓力，瞬時功率，加氣量，壓縮機運行時間之間的變化，基于實時記錄的數(shù)據(jù)，通過計算機軟件對數(shù)據(jù)進行曲線擬合，找出與數(shù)據(jù)點最吻合的擬合曲線，并得出擬合曲線經(jīng)驗公式；基于時間與瞬時功率的曲線圖通過數(shù)學(xué)方法求其時間上的面積積分，即整個加氣過程中的消耗功，從而得出理論能耗數(shù)值。通過得出的經(jīng)驗公式指導(dǎo)在對槽車加氣過程中，對壓縮機最終排氣壓力達到某一值和加氣量達到某一值所需時間的預(yù)估，從而幫助估算壓縮機的停機時間和槽車加滿氣的時間，以及壓縮機工作過程中的最終排氣壓力達到某一值時對應(yīng)的瞬時功率值，進而幫助判斷壓縮機是否出現(xiàn)故障。

天然氣壓縮機；最終排氣壓力；瞬時功率；曲線擬合；理論能耗

1 引言

隨著我國的經(jīng)濟快速發(fā)展，能源的需求也不斷增加，能源消耗過程中給環(huán)境造成的污染加劇，天然氣素有“綠色能源”之稱，逐漸成為人們優(yōu)先的清潔能源[1]。城市大量使用天然氣后，燃燒時排出的二氧化硫和煙塵極少，能顯著改善大氣環(huán)境質(zhì)量。天然氣廣泛用于工業(yè)部門、發(fā)電、天然氣汽車、天然氣化工及天然氣合成油等方面。據(jù)世界能源專家估計，大約在2020年后天然氣將超過石油，成為世界第一能源，圖1為我國2000年至2014年天然氣消費量。

2 天然氣壓縮機簡介

天然氣汽車自20世紀80年代開始研發(fā)，迄今技術(shù)已非常成熟，廣泛用于城市公共交通[3]。作為天然氣汽車的燃料有壓縮天然氣（CNG）和液化天然氣（LNG），要想獲得壓縮天然氣（CNG）和液化天然氣（LNG）必須通過壓縮機對天然氣進行壓縮。壓縮機按壓縮氣體原理的不同可分為速度型和體積型兩大類。Ariel天然氣壓縮機屬于體積型壓縮機，通過減小氣體的容積，從而達到壓縮氣體的目的[4]。一般這類壓縮機都是同活塞在氣缸內(nèi)運動來壓縮氣體，按活塞運動方式的不同可分為回轉(zhuǎn)壓縮機和往復(fù)壓縮機。圖2為Ariel天然氣壓縮機剖面圖。

Ariel天然氣壓縮機屬于往復(fù)活塞壓縮機，Ariel天然氣壓縮機由電機帶動瓦軸轉(zhuǎn)動，瓦軸帶動連桿做往復(fù)運動，活塞與連桿相連，在往復(fù)運動的過程中將天然氣進行壓縮。表1為Ariel天然氣壓縮機工作設(shè)定參數(shù)。

3 Ariel天然氣壓縮機運行數(shù)據(jù)的采集

3.1 壓縮因子的計算

一般在壓力低于0.4～0.5 MPa時，在工程計算中按理想氣體狀態(tài)方程計算已比較精確，但隨著壓力的增加，其溫度、壓力、容積的關(guān)系已不符合滿足理想氣體狀態(tài)方程[6]，必須引入一個修正系數(shù)即壓縮因子Z，我國在GB 11062-89和SY/6143中給出了標準狀態(tài)下壓縮因子Z0的計算方法。美國加利福尼亞天然氣協(xié)會（CNGA）給出的壓縮因子公式如下[7]：

式中 p——氣體壓力，MPa

T——氣體溫度，K

Δ——氣體相對密度

該公式適用于Δ=0.55～0.70，p=0～6.89 MPa，T=272.2～333.3K的天然氣。

3.2 理論瞬時流量的計算

在實際工程運用中，為了簡化氣體流動連續(xù)方程，運動方程及能量方程。假設(shè)氣體在管道內(nèi)的流動過程中為等溫流動，氣體的質(zhì)量流量不隨時間和距離的改變而改變[8]。將水平管道穩(wěn)定流動的運動方程為

式（2）中由于p的變化和v也是隨著變化的，聯(lián)合氣體狀態(tài)方程及氣體連續(xù)方程Q=ρVA，將式（1）、（2）進行化簡，然后對其積分，積分極限p為p1p2，x為0→L。整理后換算成標況下的體積流量如下

式中 Ra——空氣的氣體常數(shù)及天然氣氣體常數(shù)m2/（S2K）

p1，p2——起點壓力機終點壓力，MPa

Z——氣體壓縮因子

T——天然氣的平均溫度，K

λ——摩阻系數(shù)

D——管道直徑，m

L——管道長度，m

其中p0=1.01325105Pa，T0=273.15K。

3.3 運行參數(shù)的采集

論文數(shù)據(jù)采集CNG加氣母站的工藝流程為：輸氣站（上游）→調(diào)壓撬→干燥器→壓縮機→加氣柱→槽車。從上游輸氣站來氣進站壓力為4.2 MPa左右，經(jīng)調(diào)壓撬調(diào)壓后為3.5 MPa，通過干燥器進行干燥水露點控制在-38℃以下，壓縮機進口壓力為3.35 MPa。

論文試驗分別對壓縮機對兩輛槽車加氣時壓力平穩(wěn)后開始記錄時間，壓力，瞬時電壓，瞬時電流，壓縮機最終排氣壓力，加氣量參數(shù)。A槽車氣瓶體積為24.5 m3，充裝前壓力2.8 MPa，充裝前溫度28℃，數(shù)據(jù)表如表2所示。

上游輸氣站來氣的氣體組份為：CH4：97.5%，C2H6：0.2%，CO2：1.6%，N2：0.7%。求得該天然氣摩爾質(zhì)量M=18.88，相對密度=0.65。

4 Ariel天然氣壓縮機運行參數(shù)的分析

4.1 運行時間與最終排氣壓的關(guān)系

Ariel天然氣壓縮機對A槽車加氣工作中運行時間與最終排氣壓力的變化趨勢如圖3所示，隨著壓縮機運行時間的增加壓縮機最終排氣壓力也隨之增加[9]，運用Python進行編程對數(shù)據(jù)做二次曲線擬合[10]，從圖3中曲線可以得知隨著時間的增加壓力值變化越大（即曲線的斜率逐漸變大）。

A槽車加氣時時間-壓力數(shù)據(jù)擬合曲線公式為

4.2 運行時間與加氣量的關(guān)系

壓縮機在工作過程中，壓縮天然氣通過加氣柱給槽車進行加氣時，在剛加氣一段時間（大概7 min左右）壓力波動較大[11]，直至壓力達到10 MPa時，加氣柱的流量計趨向平穩(wěn)，通過記錄數(shù)據(jù)分析：Ariel天然氣壓縮機對A槽車加氣工作中運行時間與加氣量（標況）的變化趨勢如圖4所示。

A槽車加氣時時間-加氣量數(shù)據(jù)擬合曲線公式為

4.3 壓縮機最終排氣壓力與瞬時功率的關(guān)系

隨著槽車的壓力不斷上升，壓縮機最終排氣壓力也不斷的增加，由于壓力的上升，壓縮機的壓縮比增大，壓縮機的瞬時輸出功率也不斷地變化[12]。圖5為壓縮機工作過程中，最終排氣壓力與瞬時功率的關(guān)系曲線圖。從圖中可以得出，隨著壓力的上升，瞬時功率是在不斷地增大[13]。從圖5的曲線圖分析得出，隨著最終排氣壓力的不斷增大，瞬時功率的上升速率是慢慢減?。辞€的斜率逐漸減?。?。

通過曲線擬合得出

4.4 壓縮機理論能耗的分析

Ariel天然氣壓縮機通過電機帶動主軸轉(zhuǎn)動，主軸上的曲軸通過連桿帶動十字頭做往復(fù)運動，十字頭通過活塞桿帶動活塞作等速度的往復(fù)運動從而達到壓縮氣體的目的，在此過程中電機消耗的功大部分用來活塞作往復(fù)運動，一部分功由于往復(fù)運動過程中的摩擦產(chǎn)生大量的熱量消耗。曲線擬合得出時間與瞬時功率的曲線圖見圖6。

通過曲線擬合得公式為

將擬合得到的曲線進行面積積分求出整個加氣過程中壓縮機的理論消耗功率。通過對公式（7）對時間上的積分如下

通過公式（8）求出W=17905862 W·min≈298.431 kW·h整個過程中共加氣3802 Nm3，所以平均每Nm3的耗電量為：0.0785 kW·h/Nm3。實際從電表讀的耗電量為：319度電，得出平均每Nm3的耗電量為：0.0839 kW·h/Nm3。兩者相差6.44%。

4.5 數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析

運用SPSS軟件對A槽車加氣工作中運行時間與最終排氣壓力[14]，運行時間與加氣量，最終排氣壓力與壓縮機瞬時功率數(shù)據(jù)之間相關(guān)性進行檢驗，檢驗結(jié)果如圖7所示，三組數(shù)據(jù)都具有很強的相關(guān)性，其中運行時間與加氣量之間的相關(guān)性最高（線性關(guān)系），通過相關(guān)的檢驗進一步說明對數(shù)據(jù)進行曲線擬合是符合數(shù)據(jù)分布規(guī)律。

5 結(jié)論

CNG加氣母站最重要的環(huán)節(jié)就是壓縮機的正常運行，實時監(jiān)測壓縮機的工作參數(shù)是否在正常范圍是確保壓縮機安全運行的重中之重，實驗通過對數(shù)據(jù)的分析得出：壓縮機對槽車加氣工作中的最終排氣壓力為運行時間的二次方函數(shù)關(guān)系，隨著壓縮機運行時間的增大壓力不斷的上升，變化速率越來越快；加氣量為時間的一次方函數(shù)關(guān)系；壓縮機瞬時功率為最終排氣壓力的二次方函數(shù)關(guān)系，增長速率越來越慢?；跁r間與瞬時功率的曲線圖，通過數(shù)學(xué)方法求其時間上的面積積分即整個加氣過程中的理論消耗。通過SPSS統(tǒng)計軟件，對數(shù)據(jù)進行相關(guān)性檢驗數(shù)據(jù)相關(guān)性非常強。通過曲線擬合得出的經(jīng)驗公式，為CNG加氣母站壓縮機運行時及加氣柱各運行參數(shù)的預(yù)估提供指導(dǎo)，為安全平穩(wěn)生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)參照，但是壓縮機對槽車加氣工作中運行過影響各參數(shù)的因素比較多，例如環(huán)境溫度，槽車沖裝前壓力、溫度、槽車的容積等還需進一步研究。

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Analysis of Operating Parameters and Energy Consumption of Compressor for CNG Parent Station

LU Yi-fan,CHENG Yi-qiang,WANG Gui-ren，JI Gang,ZHANG Gan-run
(Jiangxi Province Natural Gas Co.,Ltd.,Nanchang 330012,China)

This paper aims to analyze the data during Ariel natural gas compressor aerated for tankers,references to final exhaust pressure,instantaneous power,plus gas and compressor running time.Based on real-time recording,computer software for curve fitting the data points to find the best fit curve fitting and obtain fitting curve empirical formula.Based on the time and the instantaneous power demand curve,mathematical methods are used for integrating the area on their time that the whole process of filling the power consumption to derive the theoretical energy value.Thus by the obtained formula it can predict when gas compressor's final delivery pressure and adding gas quantity reach a certain value during tanker's filling gas process,then it could estimate the time that gas compressor's shutting down and the tanker was filled full gas,at the same time,it also could predict the instantaneous power value when gas compressor's final delivery pressure reaches a certain value,further help determine whether compressor occurs any fault.

natural gas compressors;final discharge pressure;instantaneous power;curve fitting;theoretical energy

TH45

A

1006-2971（2015）06-0044-06

2015-07-20