蘭海濤，田家林，馬國興，馬文采，張煜(.中國石油股份有限公司青海油田分公司鉆采工藝研究院，甘肅 敦煌 7360；.西南石油大學機電工程工學院，四川 成都 60500)

0 引言

天然氣作為一種清潔能源，具有綠色環(huán)保、經(jīng)濟實惠、安全可靠等諸多優(yōu)點[1]。壓縮機作為氣田開采集輸、天然氣長輸增壓過程中必不可少的關鍵設備，具有壓力范圍廣、壓縮效率高等優(yōu)點[2]。壓縮機的能耗與熱力過程和壓縮功密切相關，合理使用有限的能源，減少能源的浪費，是工業(yè)生產(chǎn)中的重要問題，也是社會可持續(xù)發(fā)展的必須解決的問題[3]。如圖1所示，從壓縮機在運行工作流程來看，有膨脹、吸氣、壓縮以及排氣四個過程。壓縮氣體的功耗和氣體的熱力性能有關，若氣缸冷卻十分完善，氣體在氣缸內的流速很慢時，氣體受壓縮產(chǎn)生的熱量全部都及時傳走，可將壓縮過程視為等溫壓縮[4]，壓縮過程如圖1中1-2-3″-1，此時功耗最省，對于節(jié)能來講效果十分顯著[5]。若氣缸冷卻條件極差，氣體流速很快，氣體在壓縮過程所產(chǎn)生的熱量全部都無法散失，則視為絕熱過程，如圖1中1-2-3′-1所示，此時功耗最大。在往復式活塞壓縮機實際運行的過程中，壓縮過程是介于等溫壓縮和絕熱壓縮之間，即是一個多變過程。

圖1 壓縮機循環(huán)指示圖

氣體多變指數(shù)m介于氣體等溫壓縮n=1和絕熱壓縮n=k之間，因此壓縮機的工作過程是一個復雜多變的過程[6]。天然氣是一種混合工質，在實際壓縮過程中并不能視為理想氣體，多變過程決定著壓縮機壓縮氣體過程的功耗，壓縮過程的多變指數(shù)與天然氣的組分和熱力性能有關，文章在天然氣組分一定的情況下，分析壓縮機排氣溫度和排氣壓力對壓縮機多變指數(shù)的影響，對壓縮機優(yōu)化運行，節(jié)能降耗具有實際意義。

1 氣體多變指數(shù)與壓縮機效率關系

由于天然氣是有互不發(fā)生反應的多種氣體組成的混合氣體，而單一氣體組分的熱力性能有所差異，因此天然氣氣體組分是影響多變指數(shù)的一個因素[7]。在天然氣壓縮過程中，隨著氣體被不斷壓縮，壓力和溫度升高，氣體某些狀態(tài)參數(shù)時刻都在發(fā)生顯著改變，而且壓縮過程中與外界存在著熱量交換，總的來說，壓力和溫度是影響多變指數(shù)的重要因素。

1.1 氣體多變指數(shù)的確定

天然氣壓縮機運行過程中壓縮比為：

式中：εi為第i級壓縮比；pouit為壓縮機第i級排氣壓力(MPa)；pini為壓縮機第i級進氣壓力(MPa)。

多變指數(shù)計算m方法為：

式中：mi為多變指數(shù)；Touti為壓縮機排氣溫度(K)；Tini為壓縮機進氣溫度(K)。

1.2 壓縮氣體有效功率的確定

壓縮機有效功率與進口天然氣流量、天然氣相對密度、天然氣壓縮因子、天然氣氣體常數(shù)、壓縮機進口溫度、多變指數(shù)以及壓縮機進出口壓力有關，由上一節(jié)的分析已知，多變指數(shù)是與壓縮機進出口溫度和壓力有關的。

根據(jù)文獻[6]，天然氣相對密度計算方法為：

式中：SG為天然氣相對密度；Mj為天然氣組分j的摩爾質量；Mair為標準組分的干空氣摩爾質量，取28.963 6 kg/kmol。

天然氣氣體常數(shù)計算方法：

式中：R′為天然氣氣體常數(shù)；R為通用氣體常數(shù)(kJ/(kmol·K))，取8.314 kJ/(kmol·K)；μ為天然氣摩爾熵(kJ/(kmol·K))。

壓縮氣體所需有效功率為：

式中：HEi為壓縮機第i級有效功率(kW)；Gin為壓縮機進口天然氣流量(標準狀況下)(m3/h)；ρa為標準狀態(tài)下的空氣密度(kg/m3)；Zin為壓縮機第i級進口壓力下天然氣壓縮因子。

1.3 壓縮機級間效率

壓縮機第i級多變效率計算方法：

式中：ηTi為壓縮機第i級多變效率；houti和hini分別為壓縮機第i級進出口焓值(kJ/kg)，焓值與氣質組分、溫度和壓力均有關，計算方法見SY/T 6637—2012。

1.4 壓縮機效率

壓縮機效率等于壓縮機各級有效功率的總和與軸功率的比值，計算方法為：

式中：ηT為壓縮機效率；HP為壓縮機軸功率(kW)，按照式(8)計算：

其中，HPi為壓縮機第i級軸功率(kW)，計算方法如式(9)：

2 計算實例

以澀北二號氣田9號站為例，其天然氣氣質組分如表1所示，選取其一級氣舉壓縮機進行計算分析。

表1 天然氣各組分摩爾百分數(shù)

根據(jù)氣質組成成分，得到天然氣的物性參數(shù)如表2所示。

表2 物性參數(shù)數(shù)據(jù)

一級氣舉壓縮機的運行參數(shù)如表3所示。

表3 一級氣舉壓縮機運行參數(shù)

由上述方法和參數(shù)數(shù)據(jù)計算結果如表4所示。

表4 工況條件下多變指數(shù)、有效功率和壓縮機效率計算結果

若該增壓站天然氣氣質成分不變，處理氣量、進氣壓力、吸氣溫度均保持不變，假設通過改變冷卻條件使壓縮機的排氣溫度發(fā)生改變時，天然氣壓縮機的排氣壓力不發(fā)生改變，計算結果如表5所示。

表5 天然氣多變指數(shù)和有效功率以及多變效率隨排氣溫度的變化

通過分析結果可以看出，在其他條件不變時，隨著排氣溫度降低，多變指數(shù)也會降低，有效功率有所下降，壓縮機效率增加。

若該增壓站天然氣氣質成分不變，處理氣量、進氣壓力、吸氣溫度均保持不變，假設通過改變排氣閥出口壓力使壓縮機的排氣壓力發(fā)生改變時，天然氣壓縮機的排氣溫度不發(fā)生改變，計算結果如表6所示。

表6 天然氣多變指數(shù)和有效功率以及多變效率隨排氣壓力的變化

以上分析結果可以看出，在其他條件不變時，當排氣壓力的升高時，多變指數(shù)降低，有效功率明顯增加，壓縮機效率升高。但研究表明，隨著出口壓力增大，排氣量會出現(xiàn)下降，因此，通過改變排氣閥出口壓力來改變壓縮機排氣壓力時，應保持在一個合理的范圍內。

3 節(jié)能措施

當壓縮機組確定以后，增壓站天然氣組分一定的條件下，可通過改善冷卻條件來降低壓縮機排氣溫度，如對氣缸進行多條油路注油潤滑，使氣缸冷卻速度加快，冷卻更充分，降低排氣溫度，提高效壓縮機率。調節(jié)排氣閥出口壓力選擇合適的排氣壓力，有利于提高壓縮機效率。另外，由分析可知，壓縮機有效功率也會隨著處理氣量、多變指數(shù)、壓力和溫度等發(fā)生改變，將可編程控制器應用于壓縮機控制系統(tǒng)中，通過對壓縮機工況的采集，利用變頻技術調整電動機轉速來改變壓縮機轉速，根據(jù)壓縮機的有效功率調整輸入功率，提高壓縮機組系統(tǒng)的效率。

4 結語

在天然氣氣體組分相同時，氣體多變指數(shù)、有功功率和壓縮機效率與排氣溫度和壓力均有關系，通過改善冷卻條件提高冷卻性能，調節(jié)排氣閥壓力適當改變壓縮機排氣壓力，可提高壓縮機效率，根據(jù)壓縮機工作條件，調節(jié)電動機輸入功率，可降低電能的消耗，提高系統(tǒng)的能量利用率。