劉子曉，梁 偉，林 揚，李 安，薛繼旭，楊美芝

1 前言

燃驅(qū)壓縮機具有供給壓力范圍廣、熱效率高及在高溫高壓、極小流量的場合具有極高的適應性等優(yōu)點，成為石油、天然氣的加工輸送及其它工業(yè)部門中不可缺少的主要設備。然而，往復式壓縮機能耗巨大，有統(tǒng)計分析，不同行業(yè)中往復式壓縮機的能源消耗量已經(jīng)超過全國總能耗的10%，在天然氣輸送過程中壓氣站的能耗費用達到天然氣輸送總費用的70%［1］。如何提高往復式壓縮機輸送天然氣的工作效率也日益成為國內(nèi)外相關(guān)學者關(guān)注的焦點。以陜京管道儲氣庫壓縮機組為例，單臺燃氣發(fā)動機組每小時耗氣量約為850m3，每天耗氣量約為20400m3，工作效率卻只有30%左右，按照工業(yè)用天然氣3.2元/m3計算，工作效率提高1%，按照每臺壓縮機一年工作240天計算，每年節(jié)約成本可達15.67萬元。

燃驅(qū)壓縮機機組工作效率的評價涉及氣體方程的計算，而在高壓條件下，實際氣體的性質(zhì)會受到分子本身體積以及分子間相互作用的影響?？紤]到這些影響，Van de Waals在理想狀態(tài)方程的基礎上加入表征這些因素的參數(shù)，首先提出了適用于實際氣體的VDW EOS方程［2，3］。后來陸續(xù)出現(xiàn)精度更高但適用于特定條件的氣體狀態(tài)方程，如 RK EOS、SRK EOS、PR EOS 等［4］。李云清等通過對 VDW EOS、RK EOS、SRK EOS、PR EOS方程的研究，得出以上方程在不同條件下的精確度區(qū)別以及它們對提高氣體壓縮因子的計算精度的效果［5］。梁廣川等利用Visual Basic軟件對計算壓縮因子的方法進行計算對比，得出AGA8-92DC、Piper-DAK、Piper-Mahmoud、Elsharkaway-DAK和 Elsharkaway-Mahmoud等方程在不同壓力及氣體組分時的精確度［6］。

2 燃驅(qū)壓縮機性能的影響因素

壓縮機說明書或手冊中提供的性能參數(shù)（如進排氣溫度、壓力、排氣量、功率等）是在設計工況條件下通過試驗等途徑獲得的數(shù)據(jù)。但在壓縮機的實際工作狀態(tài)中，工作環(huán)境多變加上配套設施上下游設備的影響通常與其設計條件不同，可能會出現(xiàn)操作手冊中給出的性能參數(shù)與實際運行參數(shù)存在差別的情況［7］。對壓縮機自身工作參數(shù)及天然氣參數(shù)等可調(diào)因素進行分析，旨在對其工作效率進行評價，最后達到優(yōu)化與提升的效果。本文針對燃驅(qū)壓縮機組開展效率評價，主要包括燃氣內(nèi)燃機驅(qū)動或燃氣輪機驅(qū)動往復式壓縮機組，以下稱壓縮機。

2.1 壓縮機工作參數(shù)對效率的影響

（1）壓縮機負荷

壓縮機負荷越大，燃燒壓力升高，燃料燃燒更充分［8］，因而產(chǎn)生的廢氣越少，發(fā)動機效率越高［9］，提高壓縮機組的負荷率可從改變壓縮缸缸徑、改變壓縮缸單雙作用和調(diào)整余隙尺寸等方式進行。

（2）進氣溫度

當其他條件不變時，進氣溫度越高，天然氣發(fā)生膨脹造成天然氣密度降低，導致壓縮機吸入氣體的量減少，最終使壓縮機工作性能下降。可以通過級間冷卻的方式降低每級壓縮機進氣溫度，但要綜合考慮冷卻造成的能耗升高與壓縮機工作效率升高之間的整體效果。

（3）進氣壓力

進氣壓力對壓縮機功率的影響取決于壓縮機排氣量和壓比兩個因素。當壓比大于一個值時，進氣壓力升高，造成壓縮機排量升高所增加的功率超過了壓比下降所降低的功率。因此隨著進氣壓力的升高，壓縮機的功率也升高。當壓縮機的壓比小于這個拐點值時，由于吸氣壓力降低，造成壓縮機排量降低所減少的功率高于壓比上升所增加的功率。因此隨著入口壓力的升高，壓縮機的功率會隨之降低［10］。

（4）排氣壓力

在壓縮機的入口壓力保持不變的情況下，排氣壓力升高會導致壓縮機的壓比增大，壓縮機的指示功量和指示功率都將增大［11］。

2.2 天然氣組分及物性對效率的影響

天然氣是以甲烷為主的多種烴類或混雜H2S、H2O或N2等氣體的混合物。天然氣自身的性質(zhì)影響壓縮機效率的參數(shù)有很多，本文主要從以下因素考慮。

（1）相對密度

天然氣相對密度越大，一次吸排氣質(zhì)量會越大。另一方面相對密度的增大會提高上文所述壓縮機的負荷，使壓縮機工作效率提高。

（2）壓縮因子

氣體的壓縮因子受氣體組分影響，當天然氣組分發(fā)生變化時，其壓縮因子也會發(fā)生相應的改變，影響壓縮機的容積系數(shù)。壓縮機的指示效率隨天然氣的壓縮因子的提高而增大。

（3）導熱系數(shù)及壓縮系數(shù)

壓縮機在工作過程中與外界進行熱量交換，很大程度受到導熱系數(shù)的影響。氣體導熱系數(shù)越大，在壓縮過程中越易被加熱膨脹且壓力增大，排氣量越低。天然氣壓縮系數(shù)越大，氣體體積不易于被壓縮，排氣量也會越大。

（4）含水量及其他組分比重

天然氣受到壓縮后壓力提高，其中水組分濃度會上升與天然氣壓力升高的相同倍數(shù)。如果水組分能達到飽和濃度，就會出現(xiàn)凝結(jié)現(xiàn)象，是管道產(chǎn)生腐蝕，增大管道壁阻力，從而降低工作效率［12］。所以一般采用對天然氣洗滌來提升其工作效率。天然氣輕組分比重越大，壓縮系數(shù)變大，從而使壓縮機功率和排氣量升高。

3 壓縮機組效率模型的建立

3.1 壓縮機組效率模型的建立

本文以某儲氣庫的4臺燃驅(qū)壓縮機組為對象進行研究。其中，燃氣發(fā)動機型號為CATERPILLAR 3616，壓縮機型號為ARIEL JGU/6。其中，燃氣發(fā)動機有16個氣缸，沖程為300mm，壓縮比為9：1，點火方式為火花點火；壓縮機為三級壓縮，每級有兩個作用氣缸，共6個氣缸，沖程為146.05mm，額定轉(zhuǎn)速為1200r/min。研究對象為多級壓縮，多級壓縮機的多變壓縮功可以用每級有效功的代數(shù)和表示，而壓縮機實際消耗的總功則采用消耗燃料氣的發(fā)熱量表示，根據(jù)現(xiàn)有標準建立燃驅(qū)壓縮機的效率計算模型［13］：

式中 ηrjz——燃驅(qū)壓縮機機組效率

HEi——壓縮機第i級的有效功率，kW

Bτ——燃料氣消耗量（標準狀態(tài)下），m3/h

Qnet—— 天然氣的基低位發(fā)熱量（標準狀態(tài)下），kJ/m3

壓縮機第i級有效功率的計算式：

式中 Gin—— 壓縮機進口流量（標準狀態(tài)下），m3/h

ρa——空氣密度（標準狀態(tài)下），kg/m3

SG——天然氣相對密度

Zini—— 第i級進口壓力條件下的天然氣壓縮因子

R' ——天然氣氣體常數(shù)，kJ/（kg·K）

Tini——第i級的進口溫度，K

mi——壓縮機第i級多變指數(shù)

Pouti—— 壓縮機第i級的出口壓力（絕對壓力），MPa

Pini—— 壓縮機第i級的進口壓力（絕對壓力），MPa

由于壓縮機組發(fā)動機在工作過程中進排氣也會有壓力損失，所以需要進行效率折算。

式中 ηrjzsz——機組折算效率

βgl—— 燃氣驅(qū)動壓縮機有效功率折算系數(shù)

βrl——燃料折算系數(shù)

Δpain—— 進氣壓力損失，一般設定為150 mm水柱，亦可實測獲得

Δpaout—— 排氣壓力損失，一般設定為50 mm水柱，亦可實測獲得

其中，一些參數(shù)可以通過現(xiàn)場的監(jiān)控系統(tǒng)直接得到，如壓縮機進口天然氣流量、壓縮機第i級的進口溫度等；還有一些參數(shù)需要通過現(xiàn)有的數(shù)據(jù)進行計算得到，如天然氣相對密度、壓縮機第i級多變指數(shù)等。根據(jù)相應的計算公式，對效率計算模型中的關(guān)鍵參數(shù)進行求解。

3.2 壓縮機組效率模型關(guān)鍵參數(shù)求解

（1）天然氣相對密度SG

首先計算天然氣的密度，任何氣體在標準工況下的密度計算式：

天然氣是一種混合物，該儲氣庫天然氣組分如表1所示。

表1 天然氣組分

表1給出了該儲氣庫天然氣組分及各組分所占比例。其中，C6+由于所占比例很小，因此為了簡化計算將其全部視為正己烷。根據(jù)天然氣各組分相對分子質(zhì)量及各部分所占比例求得天然氣的相對分子質(zhì)量，約為17.32。

天然氣的相對密度SG可以通過下式得到：

空氣的密度可以通過查閱資料得到，在溫度為0 ℃、101.325 kPa壓力下空氣的密度為1.293 kg/m3，在溫度為20 ℃、101.325 kPa壓力下空氣的密度為1.205 kg/m3。

（2）壓縮機第i級進口壓力下的天然氣壓縮因子Zini

對于天然氣壓縮因子的求解，我國已有國家標準GB/T 17747.3-2011《天然氣壓縮因子的計算 第3部分：用物性值進行計算》［14］和GB/T 17747.2-2011《天然氣壓縮因子的計算 第2部分：用摩爾組成進行計算》分別采用了SGERG-88方法和AGA8-92DC方法，但該方法主要適用于壓力在12 MPa以下，溫度在263～338 K的管輸氣。對于中高壓氣體，本文采用M. A. Mahmoud于2013年提出的求解壓縮因子的經(jīng)驗公式，該公式在中高壓條件下精度較高［15］，見式（8）：

式中 T——絕對溫度，K

P——絕對壓力，MPa

Tr——對比溫度

Pr——對比壓力

Tpc——偽臨界溫度，K

Ppc——偽臨界壓力，MPa關(guān)于偽臨界溫度Tpc和偽臨界壓力Ppc的求解應根據(jù)氣體組分不同而定，對于含有非碳氫和C7+組分的天然氣，可以使用，L D Piper于1993年提出的類似于SBV的混合法則［16］。由于本文氣體組分不含C7+或H2S 等組分，可以采用由Stewart W F，Burkhard S F Voo D于1959年提出的SBV混合法則，該法則相對簡單但同樣有較高精度［17，18］。

式中 J——SBV參數(shù)，K/MPa

K——SBV參數(shù)，K/MPa1/2

yi——組分的摩爾分數(shù)（C1～C6）

Tc——組分臨界溫度，K

pc——組分臨界壓力，MPa

天然氣各組分的臨界參數(shù)如表2所示。

表2 天然氣各組分的臨界參數(shù)

（3）天然氣氣體常數(shù)R

對任何氣體來說，其相對分子質(zhì)量與氣體常數(shù)的乘積（MR）都近似等于 8.314J/（mol·K）。于是天然氣氣體常數(shù)可以表示為下式［19］：

式中 Mg——天然氣相對分子質(zhì)量

（4）壓縮機第i級多變指數(shù)mi

壓縮機多變指數(shù)對壓縮機能耗也產(chǎn)生影響［20］。壓縮機第i級多變指數(shù)是由該級的壓縮比與進出口溫度變化決定的，如下式：

式中 εi——壓縮機第i級壓縮比

Touti——壓縮機第i級出口溫度，K

Tini——壓縮機第i級進口溫度，K

（5）天然氣的基低位發(fā)熱量Qnet

天然氣的基低位發(fā)熱量可以反映天然氣的真正可利用的熱量，因此選用天然氣的基低位發(fā)熱量作為壓縮機組消耗的總功。天然氣的基低位發(fā)熱量通過對每組分求解加權(quán)和得到，如下式：

式中 Qnet—— 天然氣的基低位發(fā)熱量（標準狀況下），kJ/m3

xj——天然氣中第j種組分的體積分數(shù)

Qj—— 天然氣中第j種組分的理想體積發(fā)熱量（標準狀況下），kJ/m3

根據(jù)天然氣各組分的發(fā)熱量便可得到天然氣的基低位發(fā)熱量，本次研究的壓縮機天然氣各組 分的發(fā)熱量如表3所示［21～24］。

表3 天然氣各組分在不同燃燒參比條件下的理想氣體摩爾發(fā)熱量

4 效率曲線的繪制與討論

對壓縮機組的效率進行分析和研究，首先根據(jù)儲氣庫4臺壓縮機組的運行數(shù)據(jù)繪制了對應的效率變化曲線，然后以D機組為例，研究了不同因素（進口壓力、進口溫度）對壓縮機組效率的影響。

4.1 壓縮機組效率變化曲線

由于壓縮機進氣量、進氣溫度以及進氣壓力等因素的不穩(wěn)定，壓縮機運行工況會因此發(fā)生改變，壓縮機組在一段時間內(nèi)的運行效率會隨工況的變化而發(fā)生相應的變化。

因此，對儲氣庫4臺壓縮機組不同工況下的運行效率進行了研究。選擇A，B，C，D 4臺壓縮機組2016年4月20日全天全開時的運行數(shù)據(jù)能夠體現(xiàn)壓縮機組實際工作效率，當日A壓縮機運行數(shù)據(jù)記錄如表4所示，當日4臺壓縮機組在不同工況下的效率如圖1所示。

表4 A機組運行數(shù)據(jù)

圖1 4臺機組不同工況下效率對比

從圖1可以看出D機組在各個時段工作效率相對較高，但是穩(wěn)定性欠佳；A機組在全天運行最穩(wěn)定；B機組在全天的效率浮動最大，達到了0.91%。由于根據(jù)輸送量任務的實時調(diào)控，在當天 9：00，改變工況，A，B，C，D 4 個機組均達到效率最低值，隨后隨著1級、2級、3級壓縮機壓力均有所上升，運行參數(shù)逐漸穩(wěn)定，效率又有不同程度的升高。從這一方面也可以看出工作效率變化也是對壓縮機組運行狀態(tài)的反應，為觀察壓縮機組運行的安全性、穩(wěn)定性提供另一個角度。

4.2 壓縮機組效率與入口溫度的關(guān)系

為了研究壓縮機組效率與入口溫度的關(guān)系，計算了2016年4月某日D機組不同入口溫度下的壓縮機組的工作效率，得到如圖2所示的關(guān)系曲線。

圖2 機組效率隨入口溫度的變化曲線

通過曲線可以得到：在實際運行過程中，在不調(diào)節(jié)其他參數(shù)的條件下，壓縮機組效率整體上有隨入口溫度的增大而減小的趨勢。在某些溫度點的效率并不完全滿足與入口溫度的負相關(guān)關(guān)系是由于壓縮機運行效率會受其他很多因素（如環(huán)境溫度、環(huán)境空氣流動）的影響。但整體符合往復壓縮機入口溫度的增大，導致每級壓縮過程遠離等溫壓縮使壓縮機效率降低的熱力分析過程。

另外，該模型中參數(shù)集群的變化勢必引起曲軸扭矩與受力分布的變化。效率優(yōu)化過程中不同參數(shù)的調(diào)節(jié)對動力輸出與安全性能的影響有待進一步研究；不同變量條件下的效率曲線與扭矩曲線亦需要進一步對比分析。

5 結(jié)論

（1）經(jīng)驗公式法可以較為快捷、有效地對燃驅(qū)壓縮機組進行效率評價，本文針對關(guān)鍵參數(shù)采用的求解方法以及適用于不同條件的求解方法是該評價方法應用范圍更廣。

（2）根據(jù)壓縮氣體組分、壓力及溫度等條件，可以采用不同經(jīng)驗公式求取天然氣相對密度、氣體常數(shù)、壓縮因子和基低位發(fā)熱量等關(guān)鍵參數(shù)，避免使用查表法造成不便與誤差等缺點。

（3）進氣溫度的上升，壓縮過程遠離等溫壓縮，壓縮機組效率降低。

（4）在實際運行中，由于壓縮機組發(fā)動機與壓縮機的匹配，發(fā)動機負荷調(diào)節(jié)，各級壓縮機壓力分配等因素使壓縮機組效率變動較大。

（5）可以看出工作效率變化也是對壓縮機組運行狀態(tài)的反應，為觀察壓縮機組運行的安全性、穩(wěn)定性提供另一個角度。

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