CNG壓縮機節能技術與試驗分析

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 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技術起步較晚、研究不夠深入，導致CNG加氣站工藝流程不盡合理、CNG壓縮機整體性能不夠優良，系統運行能耗高、效率低[2]。根據CNG壓縮機工藝流程，分析了影響能耗的關鍵參數，提出了對壓縮缸級間回氣冷卻、分離的節能技術。同時，結合現場條件完成了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能技術改造試驗。試驗結果表明：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%的節能效果。試驗結果驗證了該節能技術的可行性，對CNG加氣站的節能降耗具有指導意義。

1 CNG壓縮機工藝分析

CNG加氣站一般由天然氣預處理、壓縮、儲存、控制以及CNG售氣等5個系統組成[3]。CNG壓縮機是壓縮系統的核心部分，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構，具有運轉平穩、排氣量大、適用范圍廣、維護費用低等優勢[5－6]。由于采用了級差式壓縮缸結構，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和減小電機的負荷，在同列壓縮缸中間設有平衡腔來平衡活塞力[7]。L－12／5－250型壓縮機結構如圖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型壓縮機結構圖

L－12／5－250型壓縮機的工藝流程為：原料氣經過預處理，除去氣體中的硫和游離水，經CNG壓縮機逐級壓縮，級間壓縮氣體經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節[9]。同時，由于L型四級壓縮機結構布局的關系，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壓縮機節能技術

根據壓縮機熱力學，多級壓縮中各級每一理論工作循環的多變壓縮功為[11]：

式中W為單位質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；Rg為氣體常數，kJ／（kg·K）；T1為壓縮缸進氣溫度，K；n為壓縮過程多變指數；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Rg，這表明進氣溫度越低，進氣氣質越好，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、分離的節能技術（圖2）。此節能技術具有以下優點：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提高壓縮系統的效率，降低壓縮機組的能耗，達到壓縮機節能運行的目的。

圖2 L－12／5－250型壓縮機節能技術工藝流程圖

3 節能技術效果分析

基于上述的節能技術原理，由于現場條件的限制，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，改造前后現場如圖3所示。為了系統分析節能改造的節能效果，在不改變冷卻系統和壓縮機系統其他設備參數的條件下，通過系統原有壓力、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下關閉和開啟冷卻器時壓縮機的運行參數和能耗，相關數據見表1、2。

從表2的數據可看出，當進氣壓力為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℃，其他參數對比分析如圖4所示。總之，在不同進氣壓力下，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型壓縮機節能技術改造前后現場對比圖

表1 測試儀表及精度等級表

表2 壓縮機的運行參數和能耗數據表

圖4 進氣壓力為0.35MPa時壓縮機工況參數圖

節能考核指標為壓縮機壓縮單位體積的天然氣所需的能耗，即單耗。通過以上能耗數據對比分析得出關閉和開啟冷卻器時壓縮機組在不同進氣壓力下的單耗，分析該節能技術的節能效果。在原料氣進氣壓力為0.35、0.38、0.40MPa時，分別取得了節能比為3.87%、4.04%、3.96%的節能效果。相關工況的節能效果分析結果見表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能效果分析結果表

圖5 不同進氣壓力下關閉、開啟冷卻器L－12／5－250型壓縮機單耗示意圖

4 結論

1）在分析現有CNG壓縮機工藝與理論的基礎上，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，達到了節能降耗的目的。

2）結合現場條件，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節能比分別為3.87%、4.04%、3.96%，驗證了該節能技術的可行性。

3）如果能夠通過技術改造，在不增加循環水量的前提下，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、實現壓縮機節能經濟運行具有重要的意義。

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