多變指數(shù)對(duì)壓縮機(jī)能效的影響分析

蘭海濤，田家林，馬國(guó)興，馬文采，張煜(.中國(guó)石油股份有限公司青海油田分公司鉆采工藝研究院，甘肅 敦煌 7360；.西南石油大學(xué)機(jī)電工程工學(xué)院，四川 成都 60500)

0 引言

天然氣作為一種清潔能源，具有綠色環(huán)保、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、安全可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)[1]。壓縮機(jī)作為氣田開(kāi)采集輸、天然氣長(zhǎng)輸增壓過(guò)程中必不可少的關(guān)鍵設(shè)備，具有壓力范圍廣、壓縮效率高等優(yōu)點(diǎn)[2]。壓縮機(jī)的能耗與熱力過(guò)程和壓縮功密切相關(guān)，合理使用有限的能源，減少能源的浪費(fèi)，是工業(yè)生產(chǎn)中的重要問(wèn)題，也是社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的必須解決的問(wèn)題[3]。如圖1所示，從壓縮機(jī)在運(yùn)行工作流程來(lái)看，有膨脹、吸氣、壓縮以及排氣四個(gè)過(guò)程。壓縮氣體的功耗和氣體的熱力性能有關(guān)，若氣缸冷卻十分完善，氣體在氣缸內(nèi)的流速很慢時(shí)，氣體受壓縮產(chǎn)生的熱量全部都及時(shí)傳走，可將壓縮過(guò)程視為等溫壓縮[4]，壓縮過(guò)程如圖1中1-2-3″-1，此時(shí)功耗最省，對(duì)于節(jié)能來(lái)講效果十分顯著[5]。若氣缸冷卻條件極差，氣體流速很快，氣體在壓縮過(guò)程所產(chǎn)生的熱量全部都無(wú)法散失，則視為絕熱過(guò)程，如圖1中1-2-3′-1所示，此時(shí)功耗最大。在往復(fù)式活塞壓縮機(jī)實(shí)際運(yùn)行的過(guò)程中，壓縮過(guò)程是介于等溫壓縮和絕熱壓縮之間，即是一個(gè)多變過(guò)程。

圖1 壓縮機(jī)循環(huán)指示圖

氣體多變指數(shù)m介于氣體等溫壓縮n=1和絕熱壓縮n=k之間，因此壓縮機(jī)的工作過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜多變的過(guò)程[6]。天然氣是一種混合工質(zhì)，在實(shí)際壓縮過(guò)程中并不能視為理想氣體，多變過(guò)程決定著壓縮機(jī)壓縮氣體過(guò)程的功耗，壓縮過(guò)程的多變指數(shù)與天然氣的組分和熱力性能有關(guān)，文章在天然氣組分一定的情況下，分析壓縮機(jī)排氣溫度和排氣壓力對(duì)壓縮機(jī)多變指數(shù)的影響，對(duì)壓縮機(jī)優(yōu)化運(yùn)行，節(jié)能降耗具有實(shí)際意義。

1 氣體多變指數(shù)與壓縮機(jī)效率關(guān)系

由于天然氣是有互不發(fā)生反應(yīng)的多種氣體組成的混合氣體，而單一氣體組分的熱力性能有所差異，因此天然氣氣體組分是影響多變指數(shù)的一個(gè)因素[7]。在天然氣壓縮過(guò)程中，隨著氣體被不斷壓縮，壓力和溫度升高，氣體某些狀態(tài)參數(shù)時(shí)刻都在發(fā)生顯著改變，而且壓縮過(guò)程中與外界存在著熱量交換，總的來(lái)說(shuō)，壓力和溫度是影響多變指數(shù)的重要因素。

1.1 氣體多變指數(shù)的確定

天然氣壓縮機(jī)運(yùn)行過(guò)程中壓縮比為：

式中：εi為第i級(jí)壓縮比；pouit為壓縮機(jī)第i級(jí)排氣壓力(MPa)；pini為壓縮機(jī)第i級(jí)進(jìn)氣壓力(MPa)。

多變指數(shù)計(jì)算m方法為：

式中：mi為多變指數(shù)；Touti為壓縮機(jī)排氣溫度(K)；Tini為壓縮機(jī)進(jìn)氣溫度(K)。

1.2 壓縮氣體有效功率的確定

壓縮機(jī)有效功率與進(jìn)口天然氣流量、天然氣相對(duì)密度、天然氣壓縮因子、天然氣氣體常數(shù)、壓縮機(jī)進(jìn)口溫度、多變指數(shù)以及壓縮機(jī)進(jìn)出口壓力有關(guān)，由上一節(jié)的分析已知，多變指數(shù)是與壓縮機(jī)進(jìn)出口溫度和壓力有關(guān)的。

根據(jù)文獻(xiàn)[6]，天然氣相對(duì)密度計(jì)算方法為：

式中：SG為天然氣相對(duì)密度；Mj為天然氣組分j的摩爾質(zhì)量；Mair為標(biāo)準(zhǔn)組分的干空氣摩爾質(zhì)量，取28.963 6 kg/kmol。

天然氣氣體常數(shù)計(jì)算方法：

式中：R′為天然氣氣體常數(shù)；R為通用氣體常數(shù)(kJ/(kmol·K))，取8.314 kJ/(kmol·K)；μ為天然氣摩爾熵(kJ/(kmol·K))。

壓縮氣體所需有效功率為：

式中：HEi為壓縮機(jī)第i級(jí)有效功率(kW)；Gin為壓縮機(jī)進(jìn)口天然氣流量(標(biāo)準(zhǔn)狀況下)(m3/h)；ρa(bǔ)為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣密度(kg/m3)；Zin為壓縮機(jī)第i級(jí)進(jìn)口壓力下天然氣壓縮因子。

1.3 壓縮機(jī)級(jí)間效率

壓縮機(jī)第i級(jí)多變效率計(jì)算方法：

式中：ηTi為壓縮機(jī)第i級(jí)多變效率；houti和hini分別為壓縮機(jī)第i級(jí)進(jìn)出口焓值(kJ/kg)，焓值與氣質(zhì)組分、溫度和壓力均有關(guān)，計(jì)算方法見(jiàn)SY/T 6637—2012。

1.4 壓縮機(jī)效率

壓縮機(jī)效率等于壓縮機(jī)各級(jí)有效功率的總和與軸功率的比值，計(jì)算方法為：

式中：ηT為壓縮機(jī)效率；HP為壓縮機(jī)軸功率(kW)，按照式(8)計(jì)算：

其中，HPi為壓縮機(jī)第i級(jí)軸功率(kW)，計(jì)算方法如式(9)：

2 計(jì)算實(shí)例

以澀北二號(hào)氣田9號(hào)站為例，其天然氣氣質(zhì)組分如表1所示，選取其一級(jí)氣舉壓縮機(jī)進(jìn)行計(jì)算分析。

表1 天然氣各組分摩爾百分?jǐn)?shù)

根據(jù)氣質(zhì)組成成分，得到天然氣的物性參數(shù)如表2所示。

表2 物性參數(shù)數(shù)據(jù)

一級(jí)氣舉壓縮機(jī)的運(yùn)行參數(shù)如表3所示。

表3 一級(jí)氣舉壓縮機(jī)運(yùn)行參數(shù)

由上述方法和參數(shù)數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 工況條件下多變指數(shù)、有效功率和壓縮機(jī)效率計(jì)算結(jié)果

若該增壓站天然氣氣質(zhì)成分不變，處理氣量、進(jìn)氣壓力、吸氣溫度均保持不變，假設(shè)通過(guò)改變冷卻條件使壓縮機(jī)的排氣溫度發(fā)生改變時(shí)，天然氣壓縮機(jī)的排氣壓力不發(fā)生改變，計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 天然氣多變指數(shù)和有效功率以及多變效率隨排氣溫度的變化

通過(guò)分析結(jié)果可以看出，在其他條件不變時(shí)，隨著排氣溫度降低，多變指數(shù)也會(huì)降低，有效功率有所下降，壓縮機(jī)效率增加。

若該增壓站天然氣氣質(zhì)成分不變，處理氣量、進(jìn)氣壓力、吸氣溫度均保持不變，假設(shè)通過(guò)改變排氣閥出口壓力使壓縮機(jī)的排氣壓力發(fā)生改變時(shí)，天然氣壓縮機(jī)的排氣溫度不發(fā)生改變，計(jì)算結(jié)果如表6所示。

表6 天然氣多變指數(shù)和有效功率以及多變效率隨排氣壓力的變化

以上分析結(jié)果可以看出，在其他條件不變時(shí)，當(dāng)排氣壓力的升高時(shí)，多變指數(shù)降低，有效功率明顯增加，壓縮機(jī)效率升高。但研究表明，隨著出口壓力增大，排氣量會(huì)出現(xiàn)下降，因此，通過(guò)改變排氣閥出口壓力來(lái)改變壓縮機(jī)排氣壓力時(shí)，應(yīng)保持在一個(gè)合理的范圍內(nèi)。

3 節(jié)能措施

當(dāng)壓縮機(jī)組確定以后，增壓站天然氣組分一定的條件下，可通過(guò)改善冷卻條件來(lái)降低壓縮機(jī)排氣溫度，如對(duì)氣缸進(jìn)行多條油路注油潤(rùn)滑，使氣缸冷卻速度加快，冷卻更充分，降低排氣溫度，提高效壓縮機(jī)率。調(diào)節(jié)排氣閥出口壓力選擇合適的排氣壓力，有利于提高壓縮機(jī)效率。另外，由分析可知，壓縮機(jī)有效功率也會(huì)隨著處理氣量、多變指數(shù)、壓力和溫度等發(fā)生改變，將可編程控制器應(yīng)用于壓縮機(jī)控制系統(tǒng)中，通過(guò)對(duì)壓縮機(jī)工況的采集，利用變頻技術(shù)調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)改變壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，根據(jù)壓縮機(jī)的有效功率調(diào)整輸入功率，提高壓縮機(jī)組系統(tǒng)的效率。

4 結(jié)語(yǔ)

在天然氣氣體組分相同時(shí)，氣體多變指數(shù)、有功功率和壓縮機(jī)效率與排氣溫度和壓力均有關(guān)系，通過(guò)改善冷卻條件提高冷卻性能，調(diào)節(jié)排氣閥壓力適當(dāng)改變壓縮機(jī)排氣壓力，可提高壓縮機(jī)效率，根據(jù)壓縮機(jī)工作條件，調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)輸入功率，可降低電能的消耗，提高系統(tǒng)的能量利用率。