燃?xì)馐酵鶑?fù)壓縮機(jī)組節(jié)能降耗技術(shù)研究

林仕文　趙靚　胡金燕　王堯　杜德飛　何力（中國石油西南油氣田分公司安全環(huán)保與技術(shù)監(jiān)督研究院）

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燃?xì)馐酵鶑?fù)壓縮機(jī)組節(jié)能降耗技術(shù)研究

林仕文趙靚胡金燕王堯杜德飛何力（中國石油西南油氣田分公司安全環(huán)保與技術(shù)監(jiān)督研究院）

摘要：燃?xì)馐酵鶑?fù)壓縮機(jī)組是天然氣增壓開采和增壓集輸?shù)闹饕に囋O(shè)備，其能耗巨大，運(yùn)行效率低下。結(jié)合氣田開采實(shí)際，提出4大增壓機(jī)組節(jié)能提效技術(shù)：加強(qiáng)機(jī)組冷卻、減小流動(dòng)損失以減小壓縮機(jī)功率損失；調(diào)整壓縮機(jī)組負(fù)荷、優(yōu)化增壓工況以增強(qiáng)機(jī)組適應(yīng)性；優(yōu)化點(diǎn)火提前角、降低發(fā)動(dòng)機(jī)熱損失以提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率；優(yōu)化消聲器、潤滑系統(tǒng)從而減少輔助系統(tǒng)損失。這些技術(shù)的運(yùn)用能顯著提高壓縮機(jī)效率，減少氣田開發(fā)成本，達(dá)到節(jié)能減排效果。

關(guān)鍵詞：往復(fù)壓縮機(jī)；天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)；壓縮機(jī)效率；負(fù)荷率

壓縮機(jī)及與之配套的原動(dòng)機(jī)系統(tǒng)稱為壓縮機(jī)組，氣田開發(fā)中、后期，通常采用增壓開采和增壓集輸工藝，天然氣壓縮機(jī)組因此得到廣泛應(yīng)用。西南油氣田已建成用于天然氣增壓集輸或氣舉的增壓站100多座，有各類壓縮機(jī)組300余臺(tái)，絕大多數(shù)是燃?xì)馐酵鶑?fù)壓縮機(jī)，但其能耗巨大，運(yùn)行效率低下。據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，西南油氣田增壓站能耗占其總能耗的17.19%，燃?xì)庠鰤簷C(jī)組平均效率僅為25%[1]。隨著能源供應(yīng)日益緊張，節(jié)能降耗、提高能源利用率越來越引起人們的重視。本文在減少壓縮機(jī)功率損失、增強(qiáng)機(jī)組適應(yīng)性、提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率、減少輔助系統(tǒng)損失等4個(gè)方面進(jìn)行了增壓機(jī)組節(jié)能提效技術(shù)的研究。

1　減少壓縮機(jī)功率損失

壓縮機(jī)功率損失主要包含中間冷卻器回冷不完善、密封不嚴(yán)和預(yù)熱、氣體流動(dòng)、壓縮和膨脹過程偏離等溫線的損失[2]。加強(qiáng)壓縮機(jī)組冷卻能減少中間冷卻器回冷不完善損失和壓縮、膨脹過程偏離等溫線的損失，減小進(jìn)排氣閥和氣流脈動(dòng)損失能減少氣體流動(dòng)損失，這些能相當(dāng)程度上提高壓縮機(jī)的效率。

1.1加強(qiáng)機(jī)組冷卻，降低壓縮過程指數(shù)和進(jìn)氣溫度

由壓縮機(jī)原理可知，壓縮氣體耗功與壓縮過程指數(shù)有關(guān)，等溫壓縮最省功（圖1）。降低壓縮過程指數(shù)可節(jié)省壓縮機(jī)指示功率，為此，應(yīng)強(qiáng)化氣缸換熱，改善換熱條件，減少由污染造成氣體較大的回冷不完善度，如降低冷卻水入口溫度，提高冷卻水流量，清除冷卻器管束沉積物，采用水處理藥劑軟化冷卻水等。安陽某鋼鐵集團(tuán)公司通過采用并聯(lián)冷卻管路代替原設(shè)計(jì)的串并混聯(lián)冷卻結(jié)構(gòu)方式，并且擴(kuò)大了冷卻水進(jìn)水管徑，降低冷卻水入口溫度，使壓縮機(jī)2級(jí)排氣溫度由160℃降至130℃，避免機(jī)組停車現(xiàn)象[3]。

圖1　不同壓縮過程指示功示意圖

單級(jí)壓縮時(shí)，隨著壓比提高，壓縮過程越來越偏離等溫壓縮，因此宜采用多級(jí)壓縮機(jī)。多級(jí)壓縮能省功，主要是有中間冷卻。根據(jù)理論分析，溫度每增加3度，下1級(jí)的耗功約增加1%；因此，提高各級(jí)冷卻器的冷卻效果直接影響耗功和排氣溫度。運(yùn)行中調(diào)整適當(dāng)?shù)睦鋮s水流量及控制冷卻水溫度，使其有較好的冷卻效果，能達(dá)到省功的目的。梁政等[4]對(duì)L-12/5-250型壓縮機(jī)第2、4級(jí)級(jí)間回氣管上加裝冷卻器后，在0.35、0.38、0.40 MPa 3種進(jìn)氣壓力下取得的對(duì)應(yīng)節(jié)能比分別為3.87%、4.0%、3.96%，具有良好的節(jié)能效果。

1.2減小進(jìn)排氣閥、氣流脈動(dòng)等損失

氣閥是壓縮機(jī)重要核心部件，但同時(shí)也是最容易損壞的零件。根據(jù)對(duì)某集氣站壓縮機(jī)無計(jì)劃停機(jī)的統(tǒng)計(jì)表明，氣閥故障導(dǎo)致壓縮機(jī)停機(jī)占了30%[5]。天然氣壓縮機(jī)過去常用金屬閥片，由于壓縮機(jī)氣質(zhì)含一定量的水、H2S、脫硫劑、雜質(zhì)等，容易導(dǎo)致金屬閥片斷裂，進(jìn)而對(duì)氣缸造成損害。相比金屬閥片，PEEK閥耐高溫、腐蝕，密封性好，抗沖擊，即使掉入氣缸也不會(huì)有太大損害。蜀南氣礦某井ZTY265型壓縮機(jī)原是金屬閥，平均每15 d就出現(xiàn)故障，換成PEEK閥后平均2個(gè)月才檢修1次，檢修期間產(chǎn)氣量加上人工費(fèi)、材料費(fèi)共計(jì)節(jié)約13.36萬元/a。

管道中的壓力脈動(dòng)會(huì)增加功率損失，尤其是當(dāng)發(fā)生共振時(shí)，情況更惡化，排氣管中脈動(dòng)氣流消耗的功率占總功率的40%；因此，應(yīng)避免進(jìn)、排氣管路產(chǎn)生氣柱共振，盡量減小管路中壓力脈動(dòng)的幅值，通過設(shè)置較大閥腔、靠近氣缸處安裝緩沖器、合理安排各級(jí)氣缸間的相互位置等方式來解決。塔里木油田輪南天然氣站的壓縮機(jī)組氣流脈動(dòng)嚴(yán)重，管線振動(dòng)劇烈，降低了壓縮機(jī)效率，嚴(yán)重影響了壓縮機(jī)的可靠運(yùn)行；通過加粗管徑、增加孔板、加強(qiáng)原有支撐等方式使振幅從1800 μm降至180 μm，保證了機(jī)組安全的同時(shí)也使機(jī)組的效率得以提高[6]。

2　增加壓縮機(jī)組適應(yīng)性

壓縮機(jī)核算標(biāo)準(zhǔn)按初期最大量為準(zhǔn)，因此，隨著各氣田陸續(xù)進(jìn)入中后期開發(fā)，氣量和壓力都逐年降低，壓縮機(jī)組的運(yùn)行工況逐漸偏離設(shè)計(jì)工況。壓縮機(jī)組進(jìn)氣壓力低于設(shè)計(jì)最低進(jìn)氣壓力值時(shí)，容易導(dǎo)致壓縮機(jī)的停機(jī)；氣量的大幅下降導(dǎo)致壓縮機(jī)的負(fù)荷降低，單臺(tái)機(jī)組的燃料氣消耗大幅度增加。

2.1調(diào)整壓縮機(jī)組負(fù)荷

據(jù)節(jié)能監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)壓縮機(jī)組的運(yùn)行負(fù)荷普遍較低，平均值僅為57.04%。由發(fā)動(dòng)機(jī)原理可知，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，同時(shí)殘余廢氣相對(duì)量減少，燃燒充分，燃料消耗量減少，發(fā)動(dòng)機(jī)效率提高。因此，為促進(jìn)壓縮機(jī)組節(jié)能經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，應(yīng)優(yōu)先考慮提高壓縮機(jī)組的負(fù)荷率，可從改變壓縮缸缸徑、改變壓縮缸單雙作用和調(diào)整余隙尺寸等方式進(jìn)行。

2.1.1改變缸徑

氣田開采后期，氣量大幅減少，可以將增壓機(jī)原有小氣缸換成大氣缸，放大缸徑，增加排氣量，提高壓縮機(jī)負(fù)荷，使壓縮機(jī)在接近額定功率的條件下運(yùn)轉(zhuǎn)，以充分發(fā)揮其生產(chǎn)能力。對(duì)于雙缸并聯(lián)壓縮的壓縮機(jī)，可先換1個(gè)缸，運(yùn)行數(shù)年再換另1個(gè)缸，可以使壓縮機(jī)在較高負(fù)荷下運(yùn)行更長時(shí)間。

例如，某氣田8#井增壓站原設(shè)備在50%～70%功率內(nèi)運(yùn)行，這不僅使設(shè)備的機(jī)械磨損加大，同時(shí)增加維修保養(yǎng)費(fèi)用，而且使機(jī)組的燃料氣消耗也大幅度增加。實(shí)施了壓縮機(jī)改缸技術(shù)試驗(yàn)改造，將ZTY265-7.5 in×7.5 in增壓機(jī)的壓縮缸體改為9.5 in×9.5 in（圖2），燃料氣單耗節(jié)約150 m3，年節(jié)能成本約27.71萬元[7]。

圖2　壓縮機(jī)改缸前后對(duì)比

2.1.2改變壓縮缸單雙作用和余隙尺寸

當(dāng)壓縮機(jī)處理氣量低、負(fù)荷小時(shí)，可將壓縮機(jī)單作用改為雙作用，加大處理氣量，提高機(jī)組效率。天然氣壓縮機(jī)在1級(jí)缸頭往往配置有余隙缸，通過改變余隙活塞的位置改變余隙容積。對(duì)于新安裝的壓縮機(jī)，由于其進(jìn)口壓力尚處在較高值，往往余隙調(diào)在較大值；當(dāng)進(jìn)口壓力隨著時(shí)間遞減時(shí)，余隙應(yīng)調(diào)至小值，以平衡進(jìn)口壓力減少所引起的功率下降，使壓縮機(jī)不至于在低功率的負(fù)荷下運(yùn)轉(zhuǎn)，達(dá)到保持較大排氣量的目的。

2.2優(yōu)化增壓工況

隨著進(jìn)氣壓力持續(xù)下降，機(jī)組壓比過大，增壓機(jī)組排氣溫度急劇升高，導(dǎo)致了功耗增加、運(yùn)動(dòng)部件磨損加劇、潤滑油用量加大、頻繁停機(jī)等問題，增加了機(jī)組運(yùn)行、維護(hù)成本。如重慶氣礦的某氣田，機(jī)組壓比由增壓初的1.4 MPa增大到目前的8.7 MPa，機(jī)組壓比不斷升高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅重慶氣礦，其極限進(jìn)氣壓力與進(jìn)氣壓力差在0.5 MPa之間的增壓氣田數(shù)量約占整個(gè)全氣礦增壓氣田的60%[8]。由壓縮機(jī)原理可知，實(shí)行多級(jí)壓縮可以節(jié)省氣體指示功，降低排氣溫度，提高容積系數(shù)，降低活塞力[9]。為此，氣田壓力下降、壓縮機(jī)進(jìn)氣壓力低導(dǎo)致高壓縮比時(shí)應(yīng)采用多級(jí)壓縮，可通過站內(nèi)壓縮機(jī)組改造和增壓站間2次增壓改造2種方式來實(shí)現(xiàn)。

2.2.1站內(nèi)壓縮機(jī)組改造

宋敏[10]提出“并聯(lián)小氣缸”來解決壓縮機(jī)組適應(yīng)性的問題，即通過并聯(lián)多個(gè)小氣缸增大進(jìn)氣量以適應(yīng)氣田前期壓力高、排量大工況，串聯(lián)小氣缸以滿足氣田后期低進(jìn)氣壓、排量小要求。在增壓前期，所有可串可并的2級(jí)缸設(shè)定在并聯(lián)狀態(tài)滿負(fù)荷大排量工作；后期在某個(gè)時(shí)機(jī)，排量變小，壓比增加后調(diào)整為級(jí)間串聯(lián)，以適應(yīng)進(jìn)口（井口）壓力持續(xù)下降的情況。這樣的方案不僅能消除冗余、大幅降低設(shè)備費(fèi)用，同時(shí)也能進(jìn)一步降低氣井廢棄壓力。例如重慶氣礦龍門增壓站，機(jī)組由1級(jí)壓縮改為2級(jí)壓縮后，處理氣量由原來的110×104m3/d提高至目前的116×104m3/d，實(shí)現(xiàn)龍門氣田日增產(chǎn)氣量6.0×104m3。

2.2.2增壓站間2次增壓

對(duì)集輸管網(wǎng)進(jìn)行適當(dāng)改造，利用增壓站間進(jìn)行跨站增壓，也適用于更低進(jìn)氣壓力的增壓運(yùn)行。目前，重慶氣礦已經(jīng)開展了張家場(chǎng)、福成寨和西河氣田適應(yīng)性論證。改造后，可停運(yùn)2個(gè)脫水站，新增1個(gè)增壓站，其處理能力為8×104m3/d；新增富余機(jī)組2臺(tái)，極限進(jìn)氣壓力可降低至0.3 MPa。

3　提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率

氣田壓縮機(jī)組驅(qū)動(dòng)機(jī)以燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)為絕對(duì)主體，占總數(shù)的95.05%。燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)力平衡好等優(yōu)點(diǎn)，但效率低下，通過降低發(fā)動(dòng)機(jī)熱損失，改變點(diǎn)火提前角能有效提高其效率。

3.1優(yōu)化點(diǎn)火提前角

發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火提前角對(duì)燃燒過程的有效性和發(fā)動(dòng)機(jī)的工作有很大的影響。點(diǎn)火提前角過小，散熱損失增大，最高燃燒壓力降低，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)過熱，功率下降，耗氣量增加；點(diǎn)火提前角過大，壓縮過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。

重慶氣礦根據(jù)壓縮機(jī)廠家提供的最佳點(diǎn)火提前角參數(shù)（7°～11°），對(duì)旗下4個(gè)場(chǎng)站的整體式燃?xì)鈮嚎s機(jī)組進(jìn)行了點(diǎn)火提前角調(diào)節(jié)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著點(diǎn)火提前角的增大（7°到11°，或9°到11°），燃料氣消耗率下降，試驗(yàn)條件下降幅最大為4.9%[11]。該技術(shù)無需改造費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)效益和節(jié)能效益十分明顯。

3.2降低發(fā)動(dòng)機(jī)熱損失

壓縮機(jī)動(dòng)力缸、壓縮缸通過夾套冷卻水進(jìn)行冷卻。動(dòng)力缸水溫過高將導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降，水溫過低將導(dǎo)致氣缸內(nèi)溫度下降，燃燒速度減慢，潤滑油變稠，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。重慶氣礦對(duì)整體式燃?xì)鈮嚎s機(jī)組進(jìn)行了冷卻水調(diào)溫試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)通過調(diào)節(jié)冷卻水溫度，壓縮機(jī)組的燃料氣消耗率降低，最大降幅為4%。研究表明，隨著冷卻水溫度的升高，壓縮機(jī)組燃料氣消耗率逐漸降低，到達(dá)極值點(diǎn)后，隨之上升。馮丞科等人[11]的試驗(yàn)證明，該極值點(diǎn)在68~72℃的范圍內(nèi)。因此，可通過節(jié)溫器或調(diào)節(jié)動(dòng)力缸及壓縮缸進(jìn)水管的截止閥來控制冷卻水量，使冷卻水溫度控制在最佳狀態(tài)，降低發(fā)動(dòng)機(jī)熱損失。

4　減少輔助系統(tǒng)損失

壓縮機(jī)組運(yùn)行中，消聲器及連接管道帶來的壓力損失和潤滑油損失都較大，減小輔助系統(tǒng)的壓力損失、潤滑油損耗也是提高系統(tǒng)效率的重要方面。

4.1減少消聲器壓力損失

在天然氣壓縮機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)煙氣排放口，安裝有消聲器，目前在用的主要有工業(yè)型、寬頻型和降噪型3種，國內(nèi)整體式壓縮機(jī)組配套以工業(yè)型為主。消聲器的安裝會(huì)影響排氣背壓進(jìn)而對(duì)燃料消耗有直接影響。2009年，西南油氣田和成都天然氣壓縮機(jī)廠共同開展了整體式燃?xì)鈮嚎s機(jī)組消聲器對(duì)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)能耗影響的專項(xiàng)課題研究。在某作業(yè)區(qū)某井同1臺(tái)壓縮機(jī)上對(duì)5家不同消聲器進(jìn)行測(cè)試，并根據(jù)燃料氣消耗和噪聲等級(jí)等參數(shù)的測(cè)量對(duì)消聲器作出科學(xué)評(píng)價(jià)，優(yōu)選出一部分廠家的新型寬頻消聲器，降低成本的同時(shí)也有利于機(jī)組節(jié)能降耗。按照ZTY265機(jī)組每年運(yùn)行330 d計(jì)算，相比原降噪型消聲器，新型寬頻消聲器每年可節(jié)約燃料氣1.1×104m3。

4.2減少潤滑系統(tǒng)耗損

壓縮機(jī)的各摩擦面都需要潤滑，潤滑油既有減少磨損功效，又有冷卻、密封、清洗、防銹等作用。壓縮機(jī)組主要有飛濺、壓力和噴霧潤滑3種。通過對(duì)西南油氣田各增壓機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，潤滑油使用量相差巨大，單機(jī)消耗最高達(dá)0.872 2 L/h，最低為0.291 L/h，且普遍存在注油量把握不準(zhǔn)，換

油時(shí)間不確定等問題。對(duì)此，馮丞科等[12]提出動(dòng)力根據(jù)機(jī)組負(fù)荷來調(diào)整注油量，壓縮機(jī)依據(jù)缸徑大小來調(diào)節(jié)，曲軸箱換油時(shí)間應(yīng)根據(jù)油品檢測(cè)結(jié)果調(diào)整；調(diào)整后，整體式壓縮機(jī)潤滑油下降8.7% ~ 10.3%，年節(jié)省潤滑油35.44 L。

5　結(jié)束語

增壓系統(tǒng)的能耗涉及到系統(tǒng)內(nèi)的各個(gè)環(huán)節(jié)，節(jié)能技術(shù)也多種多樣。實(shí)踐證明，通過提出減小壓縮機(jī)功率損失，增強(qiáng)機(jī)組適應(yīng)性，提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率和減少輔助系統(tǒng)損失等方式是推動(dòng)增壓機(jī)組節(jié)能工作的重要途徑。在選擇增壓機(jī)組節(jié)能提效技術(shù)方案時(shí)，應(yīng)結(jié)合氣田開發(fā)實(shí)際、機(jī)組現(xiàn)有條件和場(chǎng)站管理水平等因素進(jìn)行綜合評(píng)估。

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（編輯王艷）

收稿日期2015-09-19

作者簡(jiǎn)介：第一林仕文，工程師，2014年畢業(yè)于西安交通大學(xué)（動(dòng)力工程專業(yè)），從事節(jié)能評(píng)估、節(jié)能監(jiān)測(cè)以及節(jié)能節(jié)水新技術(shù)、新工藝方面的工作，E-mail：linshiwen@petrochina.com.cn，地址：四川省成都市高新區(qū)天府大道北段12號(hào)中國石油西南油氣田科技大廈1513室，610041。

DOI:10.3969/j.issn.2095-1493.2016.02.001