壓縮機(jī)級(jí)間冷卻對(duì)能耗及脫水效果的影響

摘 要

摘要：論述了CNG加氣站壓縮機(jī)級(jí)間冷卻器的冷卻效果對(duì)壓縮機(jī)能耗及后置干燥器的脫水效果的影響，提出了改進(jìn)措施。關(guān)鍵詞：壓縮機(jī)級(jí)間冷卻；能耗；脫水效果Influence of Compressor Int
摘要：論述了CNG加氣站壓縮機(jī)級(jí)間冷卻器的冷卻效果對(duì)壓縮機(jī)能耗及后置干燥器的脫水效果的影響，提出了改進(jìn)措施。
關(guān)鍵詞：壓縮機(jī)級(jí)間冷卻；能耗；脫水效果
Influence of Compressor Interstage Cooling on Energy Consumption and Dehydration Efficiency
CHEN Quan-shu
Abstract：The influence of cooling efficiency of compressor interstage cooler at CNG filling station on energy consumption of compressor and dehydration efficiency of post-dryer is described，and the improvement measures are put forward.
Key words：compressor interstage cooling；energy consumption：dehydration efficiency
    在CNG加氣站的運(yùn)行中，壓縮機(jī)處于核心地位，其運(yùn)行效果直接影響到CNG加氣站的效益。本文僅就目前CNG加氣站中普遍存在的壓縮過程冷卻不良帶來的問題作簡單討論，希望對(duì)CNG加氣站壓縮機(jī)的正常運(yùn)行有所裨益。
1 壓縮機(jī)級(jí)間冷卻與壓縮機(jī)實(shí)際功耗
    雖然各地的天然氣購買價(jià)格不相同，但對(duì)加氣站的運(yùn)營而言，其贏利只與其賣出價(jià)與買入價(jià)之差——即毛利空間有關(guān)，該毛利空間隨地區(qū)的不同大致為0.80～1.40元/m3。在此毛利空間內(nèi)，涉及到成本的主要因素包括電費(fèi)、設(shè)備折舊、增值稅、人員薪資、辦公費(fèi)用等。其中，設(shè)備折舊、增值稅、人員薪資、辦公費(fèi)用等為固定支出，變動(dòng)最大的因素，即影響成本變化的主要因素是壓縮機(jī)消耗的電費(fèi)。
根據(jù)壓縮機(jī)熱力學(xué)，多級(jí)壓縮的壓縮機(jī)各級(jí)的單位質(zhì)量天然氣的理論壓縮軸功的表達(dá)式為[1]：
 
式中W——單位質(zhì)量天然氣的理論壓縮軸功，kJ/kg
    Zs——進(jìn)氣壓力下的氣體壓縮性系數(shù)
    R——氣體常數(shù)，kJ/(kg·K)
    Ts——氣缸吸氣溫度，K
    n——壓縮過程多變指數(shù)
    pd——氣缸排氣壓力，MPa
    ps——氣缸吸氣壓力，MPa
    Zd——排氣壓力下的氣體壓縮性系數(shù)
    由此可見，壓縮機(jī)的理論壓縮軸功即能耗正比于氣缸吸氣溫度。由于壓縮機(jī)的1級(jí)吸氣溫度只與當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件有關(guān)，是不可控條件，故不在此討論范圍之內(nèi)。
    以進(jìn)氣壓力為0.3MPa、排氣量為680m3/h、氣缸1級(jí)吸氣溫度為20℃、配置132kW電機(jī)的4級(jí)壓縮、采購價(jià)格約為42×104元/臺(tái)的天然氣壓縮機(jī)為例，計(jì)算由于各級(jí)冷卻器冷卻不良，致使2～4級(jí)的吸氣溫度上升帶來的能耗增加。為了簡化計(jì)算，在此考察的條件是壓縮機(jī)采用等壓縮比壓縮，由此各級(jí)的壓縮功也相同，忽略壓縮比的微小差異對(duì)各級(jí)壓縮功的影響，且不考慮壓縮機(jī)各級(jí)間溫度升高對(duì)各級(jí)壓縮過程多變指數(shù)和壓縮性系數(shù)的影響。
    由于高壓儲(chǔ)氣井的穩(wěn)壓作用，壓縮機(jī)的第4級(jí)即末級(jí)排氣壓力變化范圍一般為12～25MPa，對(duì)應(yīng)壓縮機(jī)的軸功率和電動(dòng)機(jī)的實(shí)際電耗也相應(yīng)變化。在此條件下，壓縮機(jī)的電耗與吸氣溫度的關(guān)系見表1。
表1 壓縮機(jī)的電耗與吸氣溫度的關(guān)系
2、3、4級(jí)吸氣溫度/℃
平均軸功率/kW
級(jí)間的
功耗比例/%
電機(jī)輸入功率
/kW
增加電耗/(kW·h
·a-1)
10年壽命期增加的電費(fèi)/元
30
122.00
100.000
132.61
0
0
40
126.02
103.295
136.98
25171
138441
50
130.05
106.598
141.36
50400
277200
60
134.07
109.893
145.73
75571
415641
注：壓縮機(jī)工作時(shí)間為16h/d，以360d/a、電費(fèi)0.55元/(kW·h)計(jì)。
   由此看到，當(dāng)壓縮機(jī)冷卻不完善度超過20℃——即當(dāng)壓縮機(jī)2～4級(jí)氣缸吸氣溫度超過50℃時(shí)，其多消耗的電費(fèi)支出在壓縮機(jī)的壽命期內(nèi)占到采購成本的66%；而當(dāng)冷卻不完善度超過30℃時(shí)——即吸氣溫度超過60℃時(shí)，多消耗的電費(fèi)成本幾乎可以再購買1臺(tái)設(shè)備。許多地區(qū)冷卻循環(huán)水沒有經(jīng)過軟化處理，導(dǎo)致壓縮機(jī)各級(jí)排氣冷卻器嚴(yán)重結(jié)垢，經(jīng)冷卻后的天然氣溫度超過50℃的情況相當(dāng)普遍，嚴(yán)重的甚至超過70℃。
2 壓縮機(jī)級(jí)間冷卻不良的其他危害
事實(shí)上，冷卻不良導(dǎo)致的各級(jí)吸氣溫度升高的危害還不僅僅是增加電費(fèi)支出的問題。天然氣經(jīng)過壓縮后，從氣缸排出的溫度的表達(dá)式為[1]：
 
式中Td——氣缸排氣溫度，K
    ε——壓縮比，為氣缸排氣壓力pd與吸氣壓力ps之比，即ε=pd/ps
    由此計(jì)算得出壓縮機(jī)在不同吸氣溫度下對(duì)應(yīng)的排氣溫度，見表2。
表2 吸氣溫度與排氣溫度
各級(jí)吸氣溫度/℃
30.0
40.0
50.0
60.0
各級(jí)排氣溫度/℃
109.4
122.0
134.6
147.3
注：對(duì)4級(jí)等壓縮比壓縮，ε=2.8145，n=1.29。
由表2可知，不同吸氣溫度下，壓縮機(jī)各級(jí)排氣溫度相差很大。過高的排氣溫度，又帶來如下危害。
    ① 排氣溫度越高，冷卻器的冷卻負(fù)荷越大。對(duì)已使用的壓縮機(jī)而言，其冷卻器負(fù)荷是基本固定的，因此當(dāng)進(jìn)入冷卻器的氣體溫度超過其最大冷卻能力時(shí)，必然導(dǎo)致冷卻不完善度增加。這又會(huì)進(jìn)一步升高下一級(jí)的吸氣溫度，增加壓縮機(jī)的能耗，由此造成惡性循環(huán)。
    ② 壓縮氣體溫度高，會(huì)影響活塞環(huán)與氣缸之間的潤滑，增加摩擦功，加速氣缸、活塞環(huán)的磨損，縮短其使用壽命。此外，高溫下潤滑油更易碳化，形成積碳，導(dǎo)致氣閥、活塞環(huán)、填料壽命縮短。
    由此可見，冷卻不完善對(duì)壓縮機(jī)正常運(yùn)行的影響是多方面的，良好的冷卻措施既可節(jié)省不必要的電費(fèi)支出，又可保障壓縮機(jī)的安全運(yùn)行。
3 干燥器的脫水效果與進(jìn)氣溫度的關(guān)系
    從我國CNG加氣站的發(fā)展史看，最早應(yīng)用的加氣站脫水設(shè)備是后置式干燥器，目前由于川渝地區(qū)的氣質(zhì)原因，仍在大量使用。對(duì)于一些氣源條件不穩(wěn)定的地區(qū)，比如較小的氣田或產(chǎn)量不大的油田伴生氣，由于其天然氣往往沒有經(jīng)過適當(dāng)處理，后置式干燥器仍是首要選擇。在此筆者僅討論進(jìn)氣溫度對(duì)后置式干燥器脫水效果的影響，暫不考慮潤滑油等因素對(duì)分子篩的負(fù)面作用。
    影響干燥器脫水效果的三大要素是天然氣流量(即處理量)、工作壓力范圍、入口天然氣中的水分含量。顯然，前兩條因素是CNG加氣站建設(shè)的客觀要求，沒有討論的余地；但第三條因素，則往往被忽略。
   從表3可見，氣體溫度越高，所攜帶的水蒸氣也越多，因此干燥器所需要脫除的水分越多，即干燥器的負(fù)荷越大。因此降低進(jìn)入干燥器的天然氣溫度對(duì)于后置式干燥器有著非常重要的意義。
表3 不同溫度對(duì)應(yīng)的飽和水蒸氣含量[2]
露點(diǎn)/℃
水蒸氣的體積分?jǐn)?shù)/%
絕對(duì)濕度相對(duì)比值/%
30
4.18534
57.5
35
5.55512
76.3
40
7.27819
100.0
45
9.46709
130.1
50
12.17309
167.3
55
15.54968
213.6
60
19.65854
270.1
注：以40℃時(shí)的絕對(duì)濕度為100%計(jì)。
    壓縮機(jī)最后一級(jí)壓縮后的天然氣經(jīng)過冷卻后直接進(jìn)入干燥器，其冷卻溫度是影響后置式干燥器的主要因素。由于我國沒有專門的天然氣干燥器標(biāo)準(zhǔn)，因此在設(shè)計(jì)后置式干燥器時(shí)，一般參考?jí)嚎s空氣干燥器規(guī)范[3]，以40℃時(shí)的天然氣絕對(duì)濕度作為后置式干燥器進(jìn)氣的水分含量。
    由表3可知，40℃的氣體即使溫度變化5℃，其水分含量的變化也達(dá)-23.7%～30.1%。當(dāng)氣體的溫度從40℃上升到50℃時(shí)，其水蒸氣的飽和絕對(duì)濕度增加了67.3%；當(dāng)溫度下降10℃到達(dá)30℃時(shí)，水蒸氣的飽和絕對(duì)濕度僅為40℃時(shí)的57.5%.下降了42.5%。
    對(duì)干燥器而言，60%的負(fù)荷變化是巨大的，超出了其最大能力，因此其出口氣體中的水分含量不可能滿足規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)H1。這也是川渝地區(qū)加氣站的成品氣在技術(shù)監(jiān)督局定期檢驗(yàn)中大面積不合格的重要原因之一。
    綜上所述，對(duì)壓縮機(jī)而言，各級(jí)壓縮間的天然氣冷卻良好是CNG加氣站正常運(yùn)行的必要條件。通過對(duì)冷卻循環(huán)水進(jìn)行軟化處理及加設(shè)冷卻塔，有助于降低CNG加氣站的運(yùn)行成本，生產(chǎn)出合格氣質(zhì)的車用天然氣[5]。
參考文獻(xiàn)：
[1] 林梅，孫嗣瑩.活塞式壓縮機(jī)原理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987.
[2] 徐明.壓縮空氣站設(shè)計(jì)手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1993.
[3] GB/T 10893—1989，壓縮空氣干燥器規(guī)范與試驗(yàn)[S].
[4] GB 18047—2000，車用壓縮天然氣[S].
[5] 劉君富，李德春，曾嗣堂，等.壓縮機(jī)中間冷卻器的改造及其節(jié)能效果分析[J].煤氣與熱力，2001，21(6)：505-506、509.
 
(本文作者：陳全樹 重慶燃?xì)?集團(tuán))有限責(zé)任公司 重慶 400020)