王 瑋 劉 洋 孫文忠

（中國(guó)石油大港油田天然氣公司處理站，天津 300280）

往復(fù)式壓縮機(jī)節(jié)能降耗技術(shù)分析

王 瑋 劉 洋 孫文忠

（中國(guó)石油大港油田天然氣公司處理站，天津 300280）

針對(duì)如何最大限度地降低往復(fù)式壓縮機(jī)的能耗問題，通過建立往復(fù)式壓縮機(jī)的指示功量及功率理論公式，得出壓縮機(jī)的氣缸尺寸和轉(zhuǎn)速一定時(shí)，壓力比、壓力損失和氣體性質(zhì)是影響壓縮機(jī)功率的主要因素，并通過壓縮機(jī)性能模擬計(jì)算軟件，分別對(duì)天然氣氣體性質(zhì)中的絕熱指數(shù)、氣體比重、壓縮系數(shù)和工作參數(shù)中的進(jìn)氣溫度、進(jìn)氣和排氣壓力等因素對(duì)壓縮機(jī)功率的影響作了分析，得出了氣體比重增加、絕熱指數(shù)減小會(huì)使壓縮機(jī)的排氣量和功率下降以及工作參數(shù)中影響壓縮機(jī)功率的主要因素是入口壓力與壓縮比的結(jié)論，并根據(jù)結(jié)論制定出了諸如改善壓縮機(jī)的運(yùn)行條件、合理布置管道、選用導(dǎo)熱系數(shù)高且便于清洗的冷卻器、定期清理機(jī)組空冷器等往復(fù)式壓縮機(jī)日常生產(chǎn)運(yùn)行中的節(jié)能降耗措施。

往復(fù)式壓縮機(jī) 壓縮機(jī)功率 氣體性質(zhì) 進(jìn)氣溫度 進(jìn)氣壓力

0 引言

往復(fù)式壓縮機(jī)近年來在我國(guó)的天然氣長(zhǎng)輸管道輸送、天然氣處理、氣井注采過程中的應(yīng)用越來越廣泛，也是天然氣生產(chǎn)中的主要能耗設(shè)備。如何最大限度地降低往復(fù)式壓縮機(jī)的能耗是管理技術(shù)人員面臨的難題，為此筆者針對(duì)往復(fù)式壓縮機(jī)的節(jié)能降耗技術(shù)問題進(jìn)行研究和分析。

1 壓縮機(jī)指示功率的計(jì)算公式

往復(fù)式壓縮機(jī)的指示功量是壓縮機(jī)氣缸在工作循環(huán)中壓縮氣體所消耗的總功量，用Li表示；單位時(shí)間內(nèi)消耗的指示功量稱為指示功率，用Ni表示。

實(shí)際壓縮過程的指示功量計(jì)算公式為：

指示功率計(jì)算公式為：

式中，ps為氣缸吸氣壓力，kgf／cm2；pd為氣缸排氣壓力，kgf／cm2；Vh為氣缸行程容積，m3；λV為容積系數(shù)，表示氣缸工作容積利用率降低的程度；k為氣體絕熱指數(shù)；ε為壓力比，為氣缸排氣壓力與吸氣壓力的比值；σ為相對(duì)壓力損失，%；n為壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，r／min。

由往復(fù)式壓縮機(jī)的指示功率計(jì)算公式得出，當(dāng)壓縮機(jī)的氣缸尺寸和轉(zhuǎn)速一定時(shí)，影響壓縮機(jī)指示功率的主要因素是壓力比、壓力損失和氣體性質(zhì)。

2 氣體性質(zhì)對(duì)壓縮機(jī)功率的影響分析

對(duì)于1臺(tái)在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)使用的壓縮機(jī)，壓縮機(jī)的氣缸尺寸和活塞行程、轉(zhuǎn)速等指標(biāo)已經(jīng)確定，可以通過分析壓縮氣體的物理性質(zhì)對(duì)壓縮機(jī)功率的影響來制定合理的節(jié)能措施。

為了研究氣體組分對(duì)壓縮機(jī)功率和其他參數(shù)的影響，選取了3種氣體的組分，見表1。

表1 壓縮機(jī)進(jìn)氣氣體的組分表

假設(shè)壓縮機(jī)的氣缸數(shù)量為6個(gè)，直徑為229 mm，活塞行程為152.4mm，入口壓力為1.0MPa，出口壓力為2.5MPa，氣缸入口的阻力降固定不變，壓縮機(jī)的進(jìn)氣溫度為47℃，通過計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算得出的結(jié)果見表2。2.1 絕熱指數(shù)的影響

表2 不同組分的氣體對(duì)壓縮機(jī)性能參數(shù)的影響表

由表2計(jì)算結(jié)果看出隨著氣體中重組分的增加，氣體的摩爾質(zhì)量和氣體比重都增加，但是絕熱指數(shù)降低，壓縮機(jī)的排氣量和功率都下降。

往復(fù)式壓縮機(jī)容積系數(shù)的計(jì)算公式為：

式中，α為相對(duì)余隙容積，即余隙空間容積與氣缸總?cè)莘e的比值；m為膨脹過程指數(shù)。

根據(jù)公式（3）得出，在相同的氣缸余隙容積下，氣體的絕熱指數(shù)增加后，壓縮機(jī)的容積系數(shù)會(huì)有所增加，排氣量也會(huì)增加。

往復(fù)式壓縮機(jī)的排氣溫度計(jì)算公式為：

式中，Td為排氣溫度，℃；Ts為進(jìn)氣溫度，℃。當(dāng)壓縮機(jī)的壓力比ε不變時(shí)，氣體的絕熱指數(shù)變大，壓縮機(jī)的排氣溫度將會(huì)升高。

2.2 氣體比重的影響

由表2看出，3種氣體的比重不一樣，隨著氣體中重組分的增加，氣體的比重增加，比重大的氣體經(jīng)過管道和氣閥的壓降較大，使得氣缸內(nèi)的實(shí)際壓力比變大，因此壓縮機(jī)的指示功率變小，指示效率變低，壓縮系數(shù)變小，故排氣量有所下降。而氣體比重變小時(shí)，指示功率變大，排氣量增加［1-2］。

2.3 導(dǎo)熱系數(shù)及壓縮系數(shù)的影響

氣體的導(dǎo)熱性影響壓縮機(jī)工作循環(huán)中的熱交換情況，導(dǎo)熱系數(shù)大的氣體在壓縮機(jī)吸氣、排氣過程中易被加熱，因此排氣量降低。由表2看出，不同組分的氣體，氣體的壓縮系數(shù)不同，組分輕的氣體壓縮系數(shù)較大，在同樣的氣缸直徑和進(jìn)排氣壓力下，壓縮系數(shù)大的氣體消耗壓縮機(jī)功率大，排氣量也大。

3 工作參數(shù)對(duì)壓縮機(jī)性能的影響分析

3.1 進(jìn)氣溫度的影響

假設(shè)壓縮機(jī)共有6個(gè)氣缸，直徑為229mm，活塞行程為152.4mm，入口壓力為1.0MPa，出口壓力為2.5MPa，氣缸入口的阻力降固定不變，通過計(jì)算模擬壓縮機(jī)的進(jìn)氣溫度對(duì)壓縮機(jī)的排氣量和功率的影響，結(jié)果見圖1。

圖1 進(jìn)氣溫度對(duì)壓縮機(jī)排氣量和功率的影響示意圖

由圖1看出，當(dāng)壓縮機(jī)的進(jìn)出口壓力保持不變的情況下，隨著進(jìn)氣溫度的升高，壓縮機(jī)的功率和排氣量都呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。進(jìn)氣溫度每升高1℃，壓縮機(jī)的功率就下降0.25kW，約占?jí)嚎s機(jī)功率的0.019%；排氣量減少3000m3／d，約占?jí)嚎s機(jī)排氣量的0.3%。這是由于隨著氣體溫度的升高，體積膨脹，氣體密度減小，氣缸吸入氣體的實(shí)際質(zhì)量相對(duì)減少的緣故。

3.2 排氣壓力的影響

在壓縮機(jī)的入口壓力保持不變的情況下，壓縮機(jī)的排氣壓力升高，壓縮機(jī)的壓力比ε增大，根據(jù)式（1）和式（2）可知，壓縮機(jī)的指示功量和指示功率都將增大。通過壓縮機(jī)性能軟件的計(jì)算，模擬氣缸直徑為229mm，活塞行程為152.4mm，入口壓力為1.0MPa不變，出口壓力從2.5MPa升高到3.1MPa時(shí)，壓縮機(jī)排氣量和功率的變化情況見圖2。

圖2 排氣壓力對(duì)壓縮機(jī)排氣量和功率的影響示意圖

由圖2看出，隨著出口壓力的升高，壓縮機(jī)的功率增大，排氣量減小，排氣壓力每升高0.1MPa，壓縮機(jī)的功率就增加1.3%～3.5%；結(jié)果還表明，當(dāng)入口壓力為1.0MPa時(shí)，出口壓力由2.5MPa增加到2.6 MPa時(shí)，壓縮機(jī)的功率增加3.5%，當(dāng)出口壓力由3.8 MPa增加到3.9MPa時(shí)，壓縮機(jī)的功率僅增加了1.4%。說明隨著壓縮比的逐漸提高，壓縮機(jī)功率增加的幅度逐漸減緩。

3.3 進(jìn)氣壓力的影響

假設(shè)壓縮機(jī)共有4個(gè)氣缸，直徑為317.5mm，活塞行程為152.4mm，出口壓力為3.0MPa固定不變，壓縮機(jī)為一級(jí)壓縮。通過使用壓縮機(jī)性能計(jì)算軟件模擬壓縮機(jī)的進(jìn)氣壓力的變化對(duì)壓縮機(jī)的排氣量和功率的影響；又假設(shè)壓縮機(jī)采用三級(jí)壓縮模式，壓縮機(jī)的出口壓力為3.0MPa固定不變，入口壓力在0.02～0.07MPa變化時(shí)，使用壓縮機(jī)性能計(jì)算軟件計(jì)算得出壓縮機(jī)組入口壓力對(duì)機(jī)組的功率和排氣量影響情況。

單級(jí)壓縮和多級(jí)壓縮情況下，壓縮機(jī)進(jìn)氣壓力對(duì)機(jī)組排氣量和功率影響的結(jié)果見圖3。

由圖3看出，對(duì)于單級(jí)壓縮來說，當(dāng)壓縮機(jī)的出口壓力固定不變時(shí)，隨著壓縮機(jī)入口壓力的升高，壓縮機(jī)的排氣量逐漸增大；壓縮機(jī)入口壓力從1.0 MPa升至1.4MPa時(shí)，隨著進(jìn)氣壓力的不斷升高，壓縮機(jī)的功率逐漸增大，而進(jìn)氣壓力從1.4MPa升至2.5MPa時(shí)，隨著進(jìn)氣壓力的升高，壓縮機(jī)的功率反而逐漸降低。壓縮機(jī)采用多級(jí)壓縮時(shí)，當(dāng)壓縮機(jī)的出口壓力固定不變時(shí)，隨著壓縮機(jī)進(jìn)氣壓力的升高，壓縮機(jī)的排氣量和功率都逐漸增大。

根據(jù)壓縮機(jī)指示功率的計(jì)算公式（2），對(duì)壓縮機(jī)功率的影響，取決于壓縮機(jī)排氣量和ε兩個(gè)因素中誰是主要因素。當(dāng)ε大于1.1時(shí)，由于吸氣壓力降低，造成壓縮機(jī)排量降低所減少的功率超過了ε上升所增加的功率。因此，隨著入口壓力的降低，壓縮機(jī)的功率也降低［3］。當(dāng)壓縮機(jī)的ε小于1.1時(shí)，由于吸氣壓力降低，造成壓縮機(jī)排量降低所減少的功率低于ε上升所增加的功率。因此，隨著入口壓力的降低，壓縮機(jī)的功率增加；隨著入口壓力的升高，壓縮機(jī)的功率降低［4］。

圖3 單級(jí)和多級(jí)壓縮機(jī)的進(jìn)氣壓力對(duì)壓縮機(jī)排氣量和功率的影響示意圖

4 結(jié)束語

經(jīng)過往復(fù)式壓縮機(jī)指示功率計(jì)算公式分析和壓縮機(jī)性能的模擬計(jì)算，得出了往復(fù)式壓縮機(jī)優(yōu)化運(yùn)行、降低能耗的措施。建議注意改善壓縮機(jī)的運(yùn)行條件，合理布置管道，盡量降低管道阻力損失。在設(shè)計(jì)或安裝管道時(shí)，應(yīng)盡可能地縮短管道長(zhǎng)度，選用導(dǎo)熱系數(shù)高且便于清洗的冷卻器并定期清理機(jī)組空冷器。

［1］張勇.往復(fù)式天然氣壓縮機(jī)節(jié)能降耗淺析［J］.通用機(jī)械，2009（8）：33-36.

［2］趙國(guó)山，仇性啟.活塞式壓縮機(jī)節(jié)能研究概述［J］.通用機(jī)械，2006（11）：72-76.

［3］蘇建華，許可方，宋德琦，等.天然氣礦場(chǎng)集輸與處理［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2004.

［4］王瑋.天然氣長(zhǎng)輸管道壓縮機(jī)的改造［J］.設(shè)備管理與維修，2008（6）：48-49.

（編輯：蔣龍）

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2095-1132（2014）01-0049-03

10.3969／j.issn.2095-1132.2014.01.014

2013-04-24

2014-01-06

王瑋（1972-），高級(jí)工程師，從事天然氣凈化處理和壓縮機(jī)管理工作。E-mail：wangweidzt@sina.com。