摘　要：壓縮機(jī)是CNG加氣站的主要耗能單元，但目前我國(guó)CNG技術(shù)起步較晚、研究不夠深入，導(dǎo)致CNG加氣站工藝流程不盡合理、CNG壓縮機(jī)整體性能不夠優(yōu)良，系統(tǒng)運(yùn)行能耗高、效率低。為此，針對(duì)CNG壓縮機(jī)效率低、能耗高的問(wèn)題，開(kāi)展了壓縮機(jī)能耗影響關(guān)鍵參數(shù)分析和節(jié)能技術(shù)研究。結(jié)合CNG壓縮機(jī)工藝提出了對(duì)壓縮缸級(jí)間回氣進(jìn)行冷卻、分離的節(jié)能技術(shù)改造方案，完成了L-l2／5-250型CNG壓縮機(jī)第二、四級(jí)級(jí)間回氣管線加裝冷卻器的節(jié)能技術(shù)改造，并進(jìn)行了系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)能耗測(cè)試。在不改變冷卻系統(tǒng)和CNG壓縮機(jī)系統(tǒng)其他設(shè)備及參數(shù)的條件下，對(duì)比測(cè)試了原料氣進(jìn)氣壓力分別為0.35、0.38、0.40MPa時(shí)關(guān)閉和開(kāi)啟第二、四級(jí)級(jí)間冷卻器工況下壓縮機(jī)的運(yùn)行參數(shù)和能耗數(shù)據(jù)，得到對(duì)應(yīng)節(jié)能比分別為3.87％、4.04％、3.96％，節(jié)能效果良好，驗(yàn)證了該節(jié)能改造技術(shù)的可行性。

關(guān)鍵詞：CNG壓縮機(jī)  能耗  節(jié)能技術(shù)改造  級(jí)間冷卻  可行性

An experimental study of technical measures for energy saving of CNG compressors

Abstract：For lack of intensive studies and advanced techniques，unreasonable flow process and poor performance of CNG compressors have resulted in high energy consumption and low working efficiency，which have restricted the development of CNG filling stations in China．In view of this，this paper aims to study how to improve the efficiency and reduce the energy consumption of a CNG compressor，which ls the most energy consumption unit of a CNG filling station．Thus，a study was made on what kev Darameters have impact on the efficiency of a compressor and what technical measures should be taken．Based on the compressing process，the transformation schemes were presented of cooling and separating the return gas between the stages of pipe loops．In a pilot test per formed on an L-12／5-250 compressor，a cooler was installed in the intersage line between the second and the fourth pipe Loops and the evaluation test was also made subsequently on the energy saving effect．Only when the intake pressure of inlet feed gas was adjusted at 0.35，0.38，0.40MPa respectively and with no any other changes ever done on the same compressor，the operating param eters and energy consumption data were recorded and compared between two working conditions when the installed cooler was on and off．As a result，the energy consumption of the compressor with the cooler on was saved by 3.87％，4.04％，3.96％accordingly which verifies the feasibility of the above transformation schemes．

Key words：CNG，compressor，energy consumption，energy savin9，interstage cooling

CNG是一種理想的車用替代燃料，具有成本低、效益高、無(wú)污染、使用安全便捷等特點(diǎn)^[1]。由于我國(guó)CNG技術(shù)起步較晚、研究不夠深入，導(dǎo)致CNG加氣站工藝流程不盡合理、CNG壓縮機(jī)整體性能不夠優(yōu)良，系統(tǒng)運(yùn)行能耗高、效率低^[2]。根據(jù)CNG壓縮機(jī)工藝流程，分析了影響能耗的關(guān)鍵參數(shù)，提出了對(duì)壓縮缸級(jí)間回氣冷卻、分離的節(jié)能技術(shù)。同時(shí)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件完成了L-12／5-250型壓縮機(jī)第二、四級(jí)級(jí)間回氣管線加裝冷卻器的節(jié)能技術(shù)改造試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：①降低了各級(jí)壓縮缸的進(jìn)出口溫度；②不同原料氣進(jìn)氣壓力下，CNG壓縮機(jī)單耗都有所下降，在0.35MPa的進(jìn)氣壓力下得到了3.87％的節(jié)能效果。試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該節(jié)能技術(shù)的可行性，對(duì)CNG加氣站的節(jié)能降耗具有指導(dǎo)意義。

1　CNG壓縮機(jī)工藝分析

CNG加氣站一般由天然氣預(yù)處理、壓縮、儲(chǔ)存、控制以及CNG售氣等5個(gè)系統(tǒng)組成^[3]。CNG壓縮機(jī)是壓縮系統(tǒng)的核心部分，一般為多級(jí)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(tái)L-1e／5—250型壓縮機(jī)，為2列四級(jí)壓縮(一、三級(jí)在豎直列，二、四級(jí)在水平列)，中間冷卻，有油潤(rùn)滑，氣缸和中間冷卻器為水冷結(jié)構(gòu)，具有運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、排氣量大、適用范圍廣、維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)勢(shì)^[5-6]。由于采用了級(jí)差式壓縮缸結(jié)構(gòu)，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(tài)和減小電機(jī)的負(fù)荷，在同列壓縮缸中間設(shè)有平衡腔來(lái)平衡活塞力^[7]。L-12／5-250型壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)如圖l所示，其額定功率為126kw，排氣量為12m³／min，進(jìn)氣壓力為0.5MPa，排氣壓力為25Mpa^[8]。

L-12／5-250型壓縮機(jī)的工藝流程為：原料氣經(jīng)過(guò)預(yù)處理，除去氣體中的硫和游離水，經(jīng)CNG壓縮機(jī)逐級(jí)壓縮，級(jí)間壓縮氣體經(jīng)過(guò)中間冷卻器冷卻和油水分離器分離出凝液和潤(rùn)滑油，最終將天然氣壓縮到25MPa，隨后進(jìn)人下一處理環(huán)節(jié)^[9]。同時(shí)，由于L型四級(jí)壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)布局的關(guān)系，為回收平衡腔漏失的天然氣，把二、四級(jí)壓縮缸的第二、四級(jí)級(jí)間回氣(平衡腔漏失的天然氣)直接返回到第一級(jí)壓縮缸再次壓縮^[10]。

L-12／5-250型壓縮機(jī)第二、四級(jí)級(jí)間回氣未經(jīng)過(guò)冷卻和分離而直接與原料氣混合后進(jìn)人一級(jí)壓縮缸壓縮，由于第二、四級(jí)級(jí)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(jí)進(jìn)氣溫度，而且第二、四級(jí)級(jí)間回氣所含的凝液和潤(rùn)滑油等進(jìn)入一級(jí)壓縮缸，減少了原料氣的吸人量，惡化了各級(jí)壓縮缸的工況，增加了各級(jí)冷卻器、分離器的負(fù)荷，必然降低壓縮機(jī)組的效率。

2　CNG壓縮機(jī)節(jié)能技術(shù)

根據(jù)壓縮機(jī)熱力學(xué)，多級(jí)壓縮中各級(jí)每一理論工作循環(huán)的多變壓縮功為^[11]：

式中W為單位質(zhì)量天然氣的理論壓縮功，kJ／kg；Z₁、Z₂為進(jìn)、排氣壓力下的氣體壓縮性系數(shù)；R_g為氣體常數(shù)，kJ／(kg·K)；T₁為壓縮缸進(jìn)氣溫度，K；n為壓縮過(guò)程多變指數(shù)；P₁、P₂為壓縮缸進(jìn)、排氣壓力，MPa。

由上式可見(jiàn)，壓縮機(jī)的理論壓縮功正比于壓縮缸進(jìn)氣溫度L和氣體常數(shù)R_g，這表明進(jìn)氣溫度越低，進(jìn)氣氣質(zhì)越好，壓縮功耗越低^[12]。因此，提高各級(jí)冷卻器的冷卻效果以降低壓縮機(jī)各級(jí)進(jìn)氣溫度、提高各級(jí)分離器的分離效果以降低各級(jí)壓縮缸進(jìn)氣的含液率，均可達(dá)到降低壓縮機(jī)能耗的目的。

針對(duì)L-12／5-250型壓縮機(jī)壓縮工藝，在不改變系統(tǒng)其他條件的前提下，提出對(duì)第二、四級(jí)級(jí)間回氣進(jìn)行冷卻、分離的節(jié)能技術(shù)(圖2)。此節(jié)能技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：①降低一級(jí)壓縮缸進(jìn)氣溫度，改善壓縮缸的工況；②降低壓縮機(jī)進(jìn)氣的含液量，提高原料氣的吸人量，提高壓縮缸的工作效率；③提高壓縮系統(tǒng)的效率，降低壓縮機(jī)組的能耗，達(dá)到壓縮機(jī)節(jié)能運(yùn)行的目的。

3　節(jié)能技術(shù)效果分析

基于上述的節(jié)能技術(shù)原理，由于現(xiàn)場(chǎng)條件的限制，本次改造僅僅在L-12／5-250型壓縮機(jī)第二、四級(jí)級(jí)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(xiàn)場(chǎng)如圖3所示。為了系統(tǒng)分析節(jié)能改造的節(jié)能效果，在不改變冷卻系統(tǒng)和壓縮機(jī)系統(tǒng)其他設(shè)備參數(shù)的條件下，通過(guò)系統(tǒng)原有壓力、溫度、氣量、電耗等記錄儀表，分別測(cè)試了原料氣進(jìn)氣壓力為0.35、0.38、0.40MPa下關(guān)閉和開(kāi)啟冷卻器時(shí)壓縮機(jī)的運(yùn)行參數(shù)和能耗，相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1、2。

從表2的數(shù)據(jù)可看出，當(dāng)進(jìn)氣壓力為0.35 MPa時(shí)開(kāi)啟冷卻器后壓縮機(jī)一級(jí)進(jìn)氣溫度由35℃降低到28℃，溫度下降了7℃，其他參數(shù)對(duì)比分析如圖4所示?？傊?，在不同進(jìn)氣壓力下，開(kāi)啟冷卻器后壓縮機(jī)各級(jí)進(jìn)氣溫度都有所下降，對(duì)第二、四級(jí)級(jí)間回氣的冷卻取得了降低壓縮機(jī)進(jìn)氣溫度的效果。

節(jié)能考核指標(biāo)為壓縮機(jī)壓縮單位體積的天然氣所需的能耗，即單耗。通過(guò)以上能耗數(shù)據(jù)對(duì)比分析得出關(guān)閉和開(kāi)啟冷卻器時(shí)壓縮機(jī)組在不同進(jìn)氣壓力下的單耗，分析該節(jié)能技術(shù)的節(jié)能效果。在原料氣進(jìn)氣壓力為0.35、0.38、0.40MPa時(shí)，分別取得了節(jié)能比為3.87％、4.04％、3.96％的節(jié)能效果。相關(guān)工況的節(jié)能效果分析結(jié)果見(jiàn)表3，改造前后壓縮機(jī)單耗對(duì)比分析如圖5所示。

4　結(jié)論

1)在分析現(xiàn)有CNG壓縮機(jī)工藝與理論的基礎(chǔ)上，提出了通過(guò)降低壓縮機(jī)級(jí)間溫度與含液量來(lái)提高壓縮機(jī)效率，達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。

2)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件，對(duì)L-12／5-250型壓縮機(jī)第二、四級(jí)級(jí)間回氣管上加裝冷卻器后，在0.35、0.38、0.40Mpa，3種進(jìn)氣壓力下取得的對(duì)應(yīng)節(jié)能比分別為3.87％、4.04％、3.96％，驗(yàn)證了該節(jié)能技術(shù)的可行性。

3)如果能夠通過(guò)技術(shù)改造，在不增加循環(huán)水量的前提下，進(jìn)一步改善冷卻器的冷卻效果、提高各級(jí)分離器分離效率，降低壓縮機(jī)各級(jí)進(jìn)氣溫度和各級(jí)氣體的含液率，對(duì)提高壓縮機(jī)效率、降低壓縮機(jī)能耗、實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)節(jié)能經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要的意義。

參考文獻(xiàn)

[1]　中國(guó)工業(yè)氣體工業(yè)協(xié)會(huì)．中國(guó)工業(yè)氣體大全[M]．大連：大連理工大學(xué)出版社，2008．

China Industrial Gases Industry Association．Encyclopedia of China Industrial Gases{M．Dalian：Dalian University of Technology Press，2008．

[2]　朱小華，王龍龍．CNG壓縮機(jī)的能耗與節(jié)能分析[J]．天然氣技術(shù)，2008，2(4)：56-58．

ZHU Xiaohua，WANG Longlong．Energy consumption and saving analysis of CNG compressor[J]．Natural Gas Tech-nology，2008，2(4)：56-58．

[3]　康榮學(xué)，吳宗之，桑海泉，等．CNG加氣站危險(xiǎn)性分析及事故預(yù)防措施研究[J]．中國(guó)安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2009，5(4)：19-22．

KANG Rongxue，WU Zongzhi，SANG Haiquan，et al．Hazard analysis and accident prevention measure study on CNG filling station[J]．Journal of Safety Science and Technology，2009，5(4)：19-22．

[4]　張學(xué)學(xué)．熱工基礎(chǔ)[M]．北京：高等教育出版社，2006：66-67．

ZHANG Xuexue．Basis of thermal[M]．Beijing:Higher Education Press，2006：66-67．

[5]　王飛鷹，陳本剛，王勁松，等．DF-5.1／2.5-250型壓縮機(jī)平衡管漏失天然氣回收技術(shù)改造研究[J]．壓縮機(jī)技術(shù)，20l0(4)：42-45．

WANG Feiying，CHEN Bengang，WANG Jinsong，et al．Research on reconstructed technique of recycling natural gas leaking from balancing pipe of DF-5.1／2.5-250 type compressor[J]．Compressor Technology，2010(4)：42-45．

[6]　祖因希，祖建國(guó)．汽車加油加氣站安全技術(shù)與管理[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005：281．

ZU Yinxi，ZU Jianguo．Gas station security technology and management[M]．Beijing：Chemical Industry Press，2005：281．

[7]　姬小林，朱迪有，趙東升，等．5L-l6／50型空壓機(jī)的技術(shù)改造[J]．壓縮機(jī)技術(shù)，2004(3)：32-33．

JI Xiaolin，ZHU Diyou，ZHAO Dongsheng，et al．Recon structed technique of 5L-16／50 type air compressor [J]．Compressor Technology，2004(3)：32-33．

[8]　郁永章，高其烈．天然氣汽車加氣站設(shè)備與運(yùn)行[M]．北京：中國(guó)石化出版社，2006：83．

YU Yongzhang，GAO Qilie．Natural gas vehicles gas station equipment and operation[M]．Beijing：China Petro chemical Press，2006：83．

[9]　石寶珩．天然氣汽車技術(shù)[M]．北京：石油工業(yè)H{版社，2000：36-37．

SHI Baoheng．Natural gas vehicles technique[M]．Beijing：Petroleum Industry Press，2000：36-37．

[l0]　王義官，靳錫光，鐘萃憐．一種用于壓縮機(jī)的級(jí)差式活塞：中國(guó)，200920176409．3[P]．2010-05-19．

WANG Yiguan，JIN Xiguang，Zhong Cuilian．One differ-ential piston used in compressor：Chinese Patent，CN 200920176409．3[P]．2010-05-19．

[11]　陳全樹(shù)．壓縮機(jī)級(jí)間冷卻對(duì)能耗及脫水效果的影響[J]．煤氣與熱力，2010，30(7)：B01-B03．

CHEN Quanshu．Influence of compressor interstage cooling on energy consumption and dehydration efficiency[J]．Gas&Heat，2010，30(7)：B01-B03．

[12]　王瑋，曲曉杰．天然氣往復(fù)壓縮機(jī)節(jié)能運(yùn)行分析[J]．壓縮機(jī)技術(shù)，2011(6)：35-36．

WANG Wei，QU Xiaojie．Analysis of energy saving operation of natural gas reciprocating compressor[J]．Compressor Technology，2011(6)35-36．

本文作者：梁政  李雙雙  田家林  朱小華  梅慶剛  張力文

作者單位：石油天然氣裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·西南石油大學(xué)

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