施玉霞 金 華 靳虎群 何福榮

中國石油化工股份公司河南油田分公司技術(shù)監(jiān)測中心

天然氣電驅(qū)動壓縮機(jī)機(jī)組能效測算

施玉霞 金 華 靳虎群 何福榮

中國石油化工股份公司河南油田分公司技術(shù)監(jiān)測中心

天然氣電驅(qū)動壓縮機(jī)是以電動機(jī)為動力，以提高天然氣體壓力或輸送天然氣體的機(jī)電設(shè)備，是氣田集氣處理系統(tǒng)、油田輕烴回收系統(tǒng)、天然氣輸送系統(tǒng)必不可少的關(guān)鍵設(shè)備之一。為了準(zhǔn)確地反應(yīng)天然氣壓縮機(jī)的能耗狀況，規(guī)定測試時(shí)壓縮機(jī)機(jī)組應(yīng)穩(wěn)定運(yùn)行，排氣量波動在±5%以內(nèi)。測試期間內(nèi)各種參數(shù)應(yīng)同步進(jìn)行測試，時(shí)間間隔一致，間隔時(shí)間應(yīng)為5～15m in，測試時(shí)間不少于1 h。正平衡法、反平衡法測算壓縮機(jī)機(jī)組效率所得結(jié)果相差很小，但反平衡測定方法過程比較復(fù)雜；正平衡的測算方法科學(xué)、實(shí)用，方便現(xiàn)場的實(shí)際應(yīng)用。

天然氣；電驅(qū)動；壓縮機(jī)機(jī)組；效率

隨著我國氣田的不斷增多，集氣處理系統(tǒng)的壓縮機(jī)能耗占?xì)馓锟偰芎牡谋壤絹碓酱?，開展油田天然氣壓縮機(jī)能效測算方法研究已成為當(dāng)務(wù)之急。通過對油田用天然氣壓縮機(jī)能效的測算方法進(jìn)行研究，可以發(fā)現(xiàn)影響天然氣壓縮機(jī)機(jī)組運(yùn)行效率的因素，找出天然氣壓縮機(jī)機(jī)組本身及運(yùn)行中存在的問題，對安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、節(jié)約能源都具有重要意義。

1 工作原理

天然氣電驅(qū)動壓縮機(jī)是以電動機(jī)為動力，以提高天然氣體壓力或輸送天然氣體的機(jī)電設(shè)備，是氣田集氣處理系統(tǒng)、油田輕烴回收系統(tǒng)、天然氣輸送系統(tǒng)必不可少的關(guān)鍵設(shè)備之一。按原理基本上可以劃分為容積型壓縮機(jī)與速度型壓縮機(jī)兩大類，容積型壓縮機(jī)主要是依靠機(jī)械運(yùn)動，直接使氣體的體積變化而實(shí)現(xiàn)提高氣體壓力；速度型壓縮機(jī)主要是靠高速旋轉(zhuǎn)葉輪作用，首先使氣體得到一個(gè)很高的速度，然后使高速氣流在擴(kuò)壓器中迅速地降速，使氣體的動能轉(zhuǎn)化為靜壓能，從而實(shí)現(xiàn)氣體壓縮，把被壓縮氣體的壓力提高。

油田使用容積型往復(fù)式天然氣壓縮機(jī)較多，長輸管道輸氣使用速度型離心式為主。往復(fù)式壓縮機(jī)又分為單作用壓縮機(jī)、雙作用壓縮機(jī)、多缸單作用壓縮機(jī)、多缸雙作用壓縮機(jī)。壓縮機(jī)機(jī)組的主要能耗設(shè)備為電機(jī)、聯(lián)軸器和壓縮機(jī)等。

2 機(jī)組效率測算方法

根據(jù)能量平衡原理，壓縮機(jī)輸出功率按式（1）計(jì)算

式中Pw為壓縮機(jī)輸出功率（kW）；H為壓縮機(jī)壓能頭（kJ/kg）；m為壓縮機(jī)質(zhì)量流量（kg/h）。

壓縮機(jī)多變能量頭H按式（2）計(jì)算

式中Z為天然氣壓縮因子；Rg為天然氣氣體常數(shù)；T1為吸氣溫度（K）；n為壓縮機(jī)多變指數(shù)；p1為吸氣壓力（MPa）；p2為排氣壓力（MPa）。

壓縮因子Z的計(jì)算公式包括

式中Tm,c為混合氣體的平均臨界溫度（K）；pmc為混合氣體的平均臨界壓力（MPa）；yi為單一氣體的容積成分（%）；Tci為單一氣體的臨界溫度（K）；pci為單一氣體的臨界壓力（MPa）。

求得對比溫度Tr和對比壓力pr，公式為

由Tr、pr查相關(guān)文獻(xiàn)可得壓縮因子Z。

天然氣氣體常數(shù)Rg按式（7）計(jì)算

式中Rg為天然氣氣體常數(shù)（kJ/（kg·K））；R為通用氣體常數(shù)，R=8.315 kJ/（kmol·K）；Mc為混合氣體平均分子量。

式中yi為單一氣體的容積成分（%）；Mi為天然氣各組分分子量。

壓縮機(jī)多變指數(shù)n按式（9）計(jì)算

式中T1為吸氣溫度（K）；T2為排氣溫度（K）；p1為吸氣壓力（MPa）；p2為排氣壓力（MPa）。

天然氣壓縮機(jī)質(zhì)量流量m按式（10）計(jì)算

式中ρ為天然氣標(biāo)準(zhǔn)狀況下密度（kg/m3）；Q為壓縮機(jī)標(biāo)準(zhǔn)狀況下排氣量（m3/h）。

壓縮機(jī)標(biāo)準(zhǔn)狀況排氣量Q按式（11）計(jì)算

式中Qc為壓縮機(jī)出口排氣量（m3/h）；T0為標(biāo)準(zhǔn)狀況溫度，T0=273.15 K；p0為標(biāo)準(zhǔn)狀況壓力，p0=0.10MPa。

天然氣壓縮機(jī)機(jī)組效率η按式（12）計(jì)算

式中pe壓縮機(jī)輸入功率（kW）。

多級天然氣壓縮機(jī)機(jī)組效率ηT按式（13）計(jì)算。

對于多級壓縮，每一級輸出功率測試、計(jì)算步驟相同，機(jī)組效率計(jì)算時(shí)總輸出功率為每一級輸出功率之和。

式中pwj為每一級輸出功率（kW）。

3 測試參數(shù)及儀器儀表

測試參數(shù)及所用儀器儀表見表1。

表1 測試參數(shù)及儀器儀表

為了準(zhǔn)確地反應(yīng)天然氣壓縮機(jī)的能耗狀況，規(guī)定測試時(shí)壓縮機(jī)機(jī)組應(yīng)穩(wěn)定運(yùn)行，且排氣量波動在±5%以內(nèi)。測試期間內(nèi)各種參數(shù)應(yīng)同步進(jìn)行測試，時(shí)間間隔一致，間隔時(shí)間應(yīng)為5～15min，測試時(shí)間不少于1 h。

4 應(yīng)用

采用能量守衡中的反平衡方法對河南油田寶聯(lián)1#低壓氣壓縮機(jī)機(jī)組、下二門聯(lián)合站3#壓縮機(jī)機(jī)組的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果如表2所示。

表2 壓縮機(jī)機(jī)組效率測算%

5 結(jié)論

正平衡法、反平衡法測算壓縮機(jī)機(jī)組效率所得結(jié)果相差很小，但反平衡測定方法過程比較復(fù)雜，在測算過程中需要壓縮機(jī)設(shè)計(jì)資料，對溫度測定的精度要求較高，特別是對壓縮機(jī)外形表面積的測定在實(shí)際應(yīng)用過程種存在困難，不適合現(xiàn)場應(yīng)用；而正平衡的測算方法科學(xué)、實(shí)用，方便現(xiàn)場的實(shí)際應(yīng)用。

（0377）63837862、hq9278@163.com

（欄目主持楊軍）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.6.019

施玉霞：2011年畢業(yè)于石油大學(xué)油氣儲運(yùn)專業(yè)，現(xiàn)任河南油田節(jié)能監(jiān)測中心節(jié)能監(jiān)測站工程師。