往復式壓縮機變頻和余熱回收節能降耗技術及效果分析

景奇佳 程松

摘 ? 要：往復式壓縮機是煤化工行業非常重要的設備，本文以煤制天然氣加壓輸配工藝中增壓站的核心設備往復式壓縮機為研究對象，針對往復式壓縮機運行工況不穩定和壓縮過程放熱的特點，提出了采用變頻和余熱回收兩種節能降耗技術并進行了分析，針對這兩種節能技術提出了相應的技術方案并分析了節能效果，采用變頻和余熱回收技術節能效果顯著。

關鍵詞：往復式壓縮機 ?節能降耗 ?變頻 ?余熱回收

中圖分類號：TE974 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）06（a）-0049-03

Abstract：The reciprocating compressor is a very important equipment in the coal chemical industry. The article studies the reciprocating compressor， the core equipment of the boosting station in the coal-to-SNG pressurized transmission and distribution process. Regarding the characteristics of unstable operation condition and compression heat release of reciprocating compressor， the article proposes and analyzes energy-saving and consumption-reduction of the two technologies of frequency conversion and waste heat recovery. Based on these two energy-saving technologies， the article proposes corresponding technical solutions and analyzes energy saving effects， and finds that their energy-saving effect is significant.

Key Words：Reciprocating compressor; Energy-saving; Frequency conversion; Waste heat recovery

在各類煤化工工藝中壓縮機都屬于關鍵設備，對于氣體壓縮、提高氣體純度、提高生產質量起著至關重要的作用。通過壓縮機結構優化、功能提升，充分發揮壓縮機在工藝生產中的作用。往復式壓縮機具有效率高、壓比大、對于壓力和流量的波動適應性強，工況易于調節，無喘振現象，流量變化對效率的影響較小等特點，往復式壓縮機在煤化工行業應用非常廣泛，因此，對往復式壓縮機節能降耗技術及效果進行分析。

1 ?往復式壓縮機節能降耗技術分析

1.1 變頻

煤化工行業中，壓縮機作為工藝生產環節中的關鍵設備被廣泛使用。一般根據最大氣體處理量進行選型，如何使壓縮機既滿足工藝生產需求又能降低能源消耗是大家追求的目標。煤制天然氣輸配中的增壓站，承擔將成品天然氣加壓后輸送至長輸管線的核心作用。但增壓工藝中的天然氣進氣量達不到設計之初的預算時，因壓縮工藝中的壓縮機運行中有最低轉速要求，就會形成小馬拉大車的能源浪費效應。以某個煤制天然氣項目為例，天然氣增壓站選用2臺12500Nm3/h的壓縮機（1開1備，電壓等級為10kV）。根據壓縮機參數，壓縮機單臺的額定功率為630kW。為了提高壓力及大流量穩定供氣，往復式壓縮機系統采用變頻調速。

因下游用戶需求量發生變化時，需對壓縮機排氣量進行調節。可根據用戶對天然氣的需求量，自動調整高壓變頻器頻率，從而調節壓縮機的電機轉速，使進氣量、排氣量發生變化，壓縮機的能耗也會隨之變化。采用變頻調速技術，通過改變壓縮機電機轉速來改變壓縮機轉速，既能滿足工藝需求又能達到節能降耗目的。

1.2 余熱回收

往復式壓縮機運行時產生的壓縮熱非常大，通常這部分熱能通過壓縮機機組配置的冷卻系統進行冷卻。有資料顯示壓縮機在運行時，15%的電力消耗做有用功，85%的電力消耗通過冷卻系統傳入大氣做了無用功。往復式壓縮機采用余熱回收，可以增加能源利用率，降低能源消耗。

2 ?方案

2.1 采用變頻技術

往復式壓縮機變頻節能技術，通過使用變頻器對壓縮機的驅動電機進行變頻調速，通過改變壓縮機電機的轉速實現對壓縮機吸氣量的控制。綜合考慮某煤制天然氣項目壓縮機運行工況，應設置與單臺壓縮機電機功率630kW相匹配的10kV高壓變頻器及配套控制柜。

2.2 采用壓縮機余熱回收技術

本項目壓縮機應采用余熱回收技術回收熱量，產生的熱水可供職工生活用熱水（洗浴、采暖等），節約能源消耗。

壓縮機熱回收流程如圖1所示。壓縮機吸氣后經壓縮產生高溫氣高壓氣體，高溫高壓氣體進入余熱回收裝置，與低溫水換熱后，高溫高壓氣體變成低溫高壓氣體，低溫高壓氣體經壓縮機配套冷卻器冷卻后出裝置界區，而經換熱后的冷水變為熱水進入水箱，供采暖、洗浴等。

3 ?節能效果分析

3.1 采用變頻技術

增壓站采用往復式壓縮機對天然氣進行增壓，每小時處理天然氣的流量一般不是恒定的，是有波動的，介于此特點，壓縮機應采用變頻技術。根據壓縮機廠家提供的資料，壓縮機采用變頻節能技術不同的負載率每小時節電率是不同的。

壓縮機單臺的額定功率為630kW，壓縮機的負載率為90%，運行臺數為1臺，需要系數取0.8，年運行時間取8400h，則年可節約電量為630kW×1×0.8×8400h×7%=29.64 ×104kW·h/a，依據《綜合能耗計算通則》（GB/T2589-2008）電的折標系數為0.1229kgce/kW·h（當量值），折標煤36.43tce/a（當量值）。

3.2 采用壓縮機余熱回收技術

3.2.1 可回收熱量計算

根據設備資料可知，壓縮機的進口氣體的溫度為293k，壓力為1.3MPa（絕壓），根據REFPROP軟件（REFPROP軟件是一款國際權威工質物性計算軟件，該軟件是由美國國家標準技術研究所（NIST）研制開發）計算余熱回收冷卻器進口的氣體溫度為371K，壓力為3.6MPa（絕壓），余熱回收冷卻器出口的氣體溫度為303K，壓力為3.6MPa（絕壓）。通過REFPROP軟件計算出三個點的狀態參數如下表所示。

根據壓縮機進口氣體的溫度為293k，壓力為1.3MPa（絕壓），體積15.02m3/min，密度為8.7695kg/m3，則

則實際每小時可回收的熱量Q1為939.6MJ/h，壓縮機每年運行8400h，則年可回收熱量Q2為7892.64GJ/a，每噸標準煤的熱值為29307MJ，則折標煤為269.31tce/a。

3.2.2 余熱回收利用可產生熱水計算

水的比熱容為4.1868kJ/（kg·k），即1kg水吸收4.1868kJ的熱量，溫度會上升1℃。

熱量計算公式為Q=Cm·△t式中C為比熱容，m為水量，△t為溫度變化值。

冬季（冬季以11月到3月共5個月計），以入水溫為5℃計算，水溫從5℃提高到55℃，△t為50℃。壓縮機每天可回收的熱量Q1為22550.4MJ/d，所以冬天壓縮機每天熱回收可產生的熱水量B1=Q1÷[4.1868kJ/（kg·k）×50] ÷1000=107.72t/d。

夏季（夏季以4月到10月共7個月計），以入水溫為15℃計算，水溫從15℃提高到55℃，△t為40℃。壓縮機每天可回收的熱量Q1為22550.4MJ/d，所以夏天壓縮機每天熱回收可產生的熱水量B2=Q1÷[4.1868kJ/（kg·k）×40]÷1000=134.65t/d（按照冬季和夏季回收熱量相同計）。

根據加權平均算法，1臺630kW壓縮機熱回收平均每天可產熱水量B3=（B1×5+B2×7）÷12=123.43t/d。經以上計算可知該壓縮機余熱回收平均每天可產123.43t/d熱水。

回收的熱水可滿足作為員工生活用熱水以及冬季采暖等，若有剩余也可考慮向周邊用戶供應。

3.3 節能經濟性分析

3.3.1 采用變頻節能技術

本項目壓縮機采用變頻節能技術后，年可節約電力消耗29.64×104kW·h/a，按照所在地區電價0.8元/kW·h計，年可節約23.71萬元。

3.3.2 采用壓縮機熱回收節能技術

壓縮機采用熱回收節能技術后，年可回收熱量為7892.64GJ/a，按照25元/GJ計，年可節約19.73萬元/年。

4 ?結語

（1）變頻調速通過調節電機轉速實現對壓縮機轉速的調節從而降低壓縮機能耗，節能效果明顯。

（2）變頻調速可實現對壓縮機壓力、流量控制，從而滿足復雜的工藝需求。

（3）壓縮機采用余熱回收技術，回收的熱可用于職工生活用水、采暖等，若有余量還可外供。通過技術經濟分析節能效果較好，值得推廣，建議盡快組織實施。

參考文獻

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