王榮敏 武振明 謝辰 馬亞欣 劉海濱 梁昌晶

（1.長(zhǎng)慶工程設(shè)計(jì)有限公司；2.國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)北方管道有限責(zé)任公司西安輸油氣分公司；3.國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)北方管道有限責(zé)任公司；4.中國(guó)市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司；5.中國(guó)石油華北油田公司二連分公司工程技術(shù)研究所）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)天然氣的需求量逐年增加，而我國(guó)天然氣產(chǎn)地與需求地嚴(yán)重不平衡，因此長(zhǎng)輸管道成為天然氣運(yùn)輸?shù)闹饕绞?。在輸氣管道運(yùn)行中，輸氣站場(chǎng)壓縮機(jī)組的能耗占比較大，一般為60%～70%[1-3]。在壓縮機(jī)組節(jié)能測(cè)試和測(cè)試項(xiàng)目計(jì)算的基礎(chǔ)上，開展節(jié)能分析與評(píng)價(jià)，分析影響壓縮機(jī)組效率的因素，有利于降低運(yùn)輸能耗，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)，為壓縮機(jī)組提效措施的制定奠定基礎(chǔ)。影響壓縮機(jī)組的能耗有眾多因素，如氣質(zhì)、發(fā)動(dòng)機(jī)效率、傳動(dòng)效率、冷卻器換熱效能等[4-5]。

1 壓縮機(jī)系統(tǒng)能耗影響因素

以往復(fù)式壓縮機(jī)為例進(jìn)行分析，監(jiān)測(cè)方法一般參照SY/T 6637—2018《天然氣輸送管道系統(tǒng)能耗測(cè)試和計(jì)算方法》和Q/SY 1821—2015《油氣田用天然氣壓縮機(jī)組節(jié)能監(jiān)測(cè)方法》，主要測(cè)試項(xiàng)目為壓縮機(jī)組效率，測(cè)試參數(shù)包括：壓縮天然氣的各級(jí)進(jìn)氣溫度、排氣溫度、各級(jí)進(jìn)氣壓力、排氣壓力、進(jìn)氣條件下壓縮天然氣量、驅(qū)動(dòng)電機(jī)電能消耗量、循環(huán)水泵功率、冷卻風(fēng)機(jī)功率、動(dòng)力缸冷卻水流量。壓縮機(jī)組轉(zhuǎn)速、環(huán)境溫度、天然氣采樣、天然氣組分分析、大氣壓力等[6]。電驅(qū)壓縮機(jī)機(jī)組效率為：

式中：η為壓縮機(jī)組效率，%；Np為壓縮機(jī)指示功率，kW；p1為電驅(qū)輸入功率，kW；p為水泵和風(fēng)機(jī)單位時(shí)間內(nèi)消耗功率的和，kW。

1.1 工作參數(shù)的影響

一級(jí)吸氣壓力：若出口壓力保持不變，進(jìn)口壓力的變化會(huì)引起壓縮機(jī)其他參數(shù)（如排氣量和功率消耗）的變化。隨著一級(jí)吸氣壓力降低，壓縮機(jī)各級(jí)的活塞力均增加，此時(shí)壓縮機(jī)處于長(zhǎng)時(shí)間低效運(yùn)轉(zhuǎn)，易損壞發(fā)電動(dòng)機(jī)。此外，若一級(jí)吸氣壓力升高過快，當(dāng)超過了活塞環(huán)的允許密封能力，會(huì)引起壓縮機(jī)氣缸內(nèi)漏，增加耗能輸出[7]。

末級(jí)排氣壓力：壓縮機(jī)的排氣壓力的高低與背壓相關(guān)，而背壓取決于目標(biāo)壓力下壓縮機(jī)進(jìn)口氣量與出口氣量的平衡程度。在壓縮機(jī)進(jìn)口壓力不變的條件下，出口壓力升高，壓比與指示功率也會(huì)隨之升高。

一級(jí)吸氣溫度：一級(jí)吸氣溫度對(duì)壓縮機(jī)的功率有一定的影響，壓縮機(jī)軸功率隨著一級(jí)吸氣溫度的升高而升高。與此同時(shí)，一級(jí)排氣溫度也隨之升高，會(huì)導(dǎo)致下一級(jí)進(jìn)氣溫度偏高，任何一級(jí)進(jìn)氣溫度升高都會(huì)降低容積效率。

1.2 氣體性質(zhì)的影響

在往復(fù)式壓縮機(jī)的氣缸尺寸及活塞行程不變的情況下，氣體中的摩爾質(zhì)量系數(shù)、絕熱系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、壓縮系數(shù)及氣體含水量和其他組分的含量均會(huì)影響壓縮機(jī)功耗。摩爾質(zhì)量系數(shù)越大，氣體比重越大，壓縮機(jī)能耗越高；氣體絕熱系數(shù)越大，壓縮機(jī)能耗越大；導(dǎo)熱系數(shù)越大，氣體之間的熱傳導(dǎo)性能越好，排氣量也會(huì)隨之下降；壓縮系數(shù)越大，壓縮機(jī)的排氣量和所需的軸功率越大；氣體介質(zhì)中的雜質(zhì)和水越少，壓縮機(jī)的工作效率越高[8]。

1.3 環(huán)境變量的影響

通過對(duì)壓縮機(jī)組實(shí)際性能影響因素的調(diào)研，總結(jié)出環(huán)境變量主要因素為：環(huán)境溫度、大氣壓力、空氣濕度、機(jī)組老化、燃料氣熱值和實(shí)際負(fù)荷轉(zhuǎn)速等。

環(huán)境溫度：根據(jù)GB 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中關(guān)于壓縮機(jī)組廠房的設(shè)置要求，天然氣壓縮機(jī)組的設(shè)計(jì)環(huán)境溫度-50～45℃。目前，已運(yùn)行的壓縮機(jī)廠房普遍存在通風(fēng)不良的現(xiàn)象，當(dāng)溫度過高時(shí)，壓縮機(jī)的效率明顯下降，需采取強(qiáng)排風(fēng)，勢(shì)必增加成本投入。此外，空氣比容的增加會(huì)導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)吸入空氣量的減少，也會(huì)惡化壓縮機(jī)的工作狀態(tài)，增加燃?xì)庀牧縖9-10]。

大氣壓力：隨著海拔的上升，大氣壓力和空氣比容均不斷降低，導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)最大輸出功率降低。研究表明，在相同輸出功率的條件下，高海拔地區(qū)燃?xì)廨啓C(jī)的負(fù)載率要高于低海拔地區(qū)3%～5%。

2 模型建立與結(jié)果分析

2.1 模型建立

壓縮機(jī)效率正平衡計(jì)算方法是通過多變指數(shù)得到指示功率和壓縮機(jī)能耗效率，然后計(jì)算得到壓縮機(jī)軸功率。根據(jù)公式氣體性質(zhì)和環(huán)境參數(shù)為固定條件，無(wú)法進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，因此在處理量相同的條件下，影響壓縮機(jī)組軸功率的主要因素為進(jìn)氣壓力、壓比、進(jìn)氣溫度。其中壓比為排氣壓力與進(jìn)氣壓力的比值，故重點(diǎn)分析進(jìn)氣壓力、排氣壓力和進(jìn)氣溫度對(duì)耗電量的影響。由于現(xiàn)場(chǎng)工況為正常穩(wěn)態(tài)工況，要得到不同因素下的瞬態(tài)工況需采用HYSYS建立三級(jí)壓縮機(jī)組模型見圖1，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行能耗影響分析。

圖1 三級(jí)壓縮機(jī)組模型Fig.1 Three-stage compressor unit model

2.2 方法驗(yàn)證

以現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)進(jìn)行模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證，對(duì)某壓氣站壓縮機(jī)組的進(jìn)口壓力測(cè)試中，進(jìn)口壓力從4.3 MPa升高到4.7 MPa，每0.1 MPa測(cè)一次，每次測(cè)試時(shí)間為4 h，獲取了每個(gè)壓力點(diǎn)對(duì)應(yīng)的日耗電量、日處理氣量，壓縮機(jī)組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)對(duì)比見表1。模擬計(jì)算中，根據(jù)實(shí)測(cè)的流量和進(jìn)出口壓力，計(jì)算壓縮機(jī)耗電量。經(jīng)過對(duì)比，耗電量整體誤差小于10%，因此該模型在此項(xiàng)目中是可行的。

表1 壓縮機(jī)組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.1 Comparison between measured data and simulated data of compressor unit

2.3 結(jié)果分析

2.3.1 進(jìn)口壓力

進(jìn)口壓力對(duì)壓縮機(jī)的處理量和功率消耗有著很大影響，在模擬計(jì)算中，保持出口壓力、進(jìn)口溫度和處理量一致，探討進(jìn)口壓力對(duì)壓縮機(jī)能耗的影響。設(shè)定天然氣進(jìn)口溫度為20℃，排氣壓力為20 MPa，進(jìn)氣量為120×104m3/d，進(jìn)口壓力對(duì)能耗的影響見表2，現(xiàn)場(chǎng)結(jié)果為2019—2020年統(tǒng)計(jì)的進(jìn)口壓力、耗電量和日處理量數(shù)據(jù)。實(shí)際結(jié)果中日耗電量隨進(jìn)口壓力的升高而增加，處理單耗則隨進(jìn)口壓力的升高而降低，實(shí)際結(jié)果與模擬結(jié)果的單耗變化趨勢(shì)一致。模擬計(jì)算結(jié)果中壓縮機(jī)耗電量隨進(jìn)口壓力的上升而降低，但通過實(shí)際數(shù)據(jù)的擬合卻發(fā)現(xiàn)耗電量呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，日耗量的增加也有可能與處理量增加有關(guān)，當(dāng)增加的幅度超過了軸功率增加的幅度時(shí)，最終導(dǎo)致壓縮機(jī)單位能耗隨著進(jìn)口壓力的增加而降低。進(jìn)口壓力每升高0.1 MPa，日耗電量增加1 180 kWh，日處理量增加約1.7×104m3，處理單耗降低0.9×10-3kWh/m3。

表2 進(jìn)口壓力對(duì)能耗的影響Tab.2 Influence results of inlet pressure on energy consumption

結(jié)合模擬情況，當(dāng)往復(fù)式壓縮機(jī)各級(jí)吸氣溫度、排氣壓力及壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速不變時(shí)，其處理量和單位能耗同進(jìn)口壓力之間具有線性關(guān)系。隨著進(jìn)口壓力的提高，往復(fù)式壓縮機(jī)的處理量成比例的增加，單位能耗隨著進(jìn)口壓力的升高而下降。

壓縮機(jī)工況改變時(shí)，氣缸行程容積不變，且溫度系數(shù)、壓力系數(shù)、泄漏系數(shù)的變化均很小，根據(jù)處理量計(jì)算公式可知容積系數(shù)就是壓縮機(jī)處理量的決定因素。通過對(duì)壓縮機(jī)處理量公式計(jì)算分析，壓縮機(jī)的吸入氣量是由Ⅰ級(jí)氣缸的大小決定的。對(duì)多級(jí)壓縮機(jī)，當(dāng)進(jìn)口壓力提高時(shí)，各級(jí)壓比都會(huì)下降，此時(shí)Ⅰ級(jí)壓比減小，容積系數(shù)增大，壓縮機(jī)的處理量增大。

同時(shí)，Ⅰ級(jí)行程容積不變，壓縮機(jī)吸入的總體積就不變，由氣體狀態(tài)方程可知，如果進(jìn)口溫度不變，壓力升高，則實(shí)際吸入氣體的流量增大，經(jīng)折算得到的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下壓縮機(jī)的處理量就會(huì)進(jìn)一步增大，但進(jìn)口壓力的提高是有限度的。隨著進(jìn)口壓力的提高，壓縮機(jī)各列的活塞力增加，軸功率也相應(yīng)提高，電動(dòng)機(jī)的儲(chǔ)備功率降低，如果壓縮機(jī)長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)容易燒壞電動(dòng)機(jī)，所以當(dāng)進(jìn)口壓力變化較大時(shí)，應(yīng)采用熱力學(xué)軟件對(duì)壓縮機(jī)軸功率和活塞力進(jìn)行校核。

2.3.2 出口壓力

同理，探討出口壓力對(duì)壓縮機(jī)能耗影響見表3。實(shí)際結(jié)果與模擬結(jié)果的單耗變化趨勢(shì)一致。壓縮機(jī)的實(shí)際日耗電量和處理單耗隨出口壓力的升高而增加，日處理量則隨出口壓力升高而降低。表現(xiàn)為出口壓力每升高2 MPa，日耗電量增加1 304 kWh，日處理量降低約2.2×104m3，處理單耗增加1.1×10-3kWh/m3。

表3 出口壓力對(duì)能耗影響Tab.3 Influence results of outlet pressure on energy consumption

結(jié)合模擬情況，當(dāng)Ⅰ級(jí)吸氣壓力和壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速不變時(shí)，隨著末級(jí)排氣壓力的提高，往復(fù)式壓縮機(jī)的處理量略微降低，耗電量增加，單位能耗隨著排氣壓力的升高而明顯升高。且進(jìn)口壓力越高，耗電量、處理量和單位能耗隨出口壓力升高而改變的幅度變小。

由于末級(jí)的壓比和吸氣壓力都顯著提高，所以壓縮機(jī)的軸功率明顯增大。因此，當(dāng)排氣系統(tǒng)需要的背壓固定時(shí)，應(yīng)合理地設(shè)計(jì)壓縮機(jī)沿程的管路和閥門，包括管徑、閥門流量系數(shù)和三通閥的數(shù)量等，使沿程摩阻盡可能最小，達(dá)到節(jié)能的目的。

2.3.3 進(jìn)口溫度

同理，探討進(jìn)口溫度對(duì)壓縮機(jī)能耗影響見表4。實(shí)際結(jié)果與模擬結(jié)果的單耗變化趨勢(shì)一致。在相同的吸氣壓力和排氣壓力下，吸氣溫度降低，往復(fù)式壓縮機(jī)處理量增大，軸功率變化很小，單位能耗隨著吸氣溫度的降低而降低。表現(xiàn)為進(jìn)口溫度每升高1℃，日耗電量增加70 kWh，但變化較小，日處理量降低0.5×104m3，處理單耗增加1.3×10-3kWh/m3。

表4 進(jìn)口溫度對(duì)能耗影響Tab.4 Influence results of inlet temperature on energy consumption

結(jié)合模擬情況，進(jìn)口溫度與進(jìn)口壓力對(duì)壓縮機(jī)處理量的影響相似，這是因?yàn)橛捎趬嚎s機(jī)Ⅰ級(jí)行程容積不變，吸入的氣體總體積量就不變，由氣體狀態(tài)方程可知，如果Ⅰ級(jí)吸氣壓力不變，溫度升高，則氣體分子體積增大，密度減小，導(dǎo)致實(shí)際吸入氣體的流量減少，壓縮機(jī)的處理量也就越小。

Ⅰ級(jí)吸氣溫度的變化對(duì)各級(jí)壓縮比影響不大，壓縮機(jī)功率消耗也幾乎不變。由于處理量增大，功率消耗不變，則單位能耗必然減小。由此可知，降低壓縮機(jī)Ⅰ級(jí)吸氣溫度可以提高壓縮機(jī)處理量，但不會(huì)增加功率的消耗。

2.4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

在核算某輸氣站負(fù)荷、能耗的前提下，降低壓縮機(jī)Ⅰ級(jí)吸氣溫度，同時(shí)調(diào)整進(jìn)口壓力和排氣管道的背壓，調(diào)整后處理單耗降低5.53%。調(diào)整前后效果對(duì)比情況見表5。

表5 調(diào)整前后效果對(duì)比情況Tab.5 Comparison effect before and after adjustment

3 結(jié)論

1）當(dāng)進(jìn)口壓力過高且超過了活塞環(huán)允許的密封能力時(shí)，會(huì)使活塞環(huán)的密封性能下降，導(dǎo)致壓縮機(jī)內(nèi)泄漏增大，功耗增大，因此當(dāng)進(jìn)口壓力變化較大時(shí)，應(yīng)采用熱力學(xué)軟件對(duì)壓縮機(jī)軸功率和活塞力進(jìn)行校核。

2）當(dāng)排氣系統(tǒng)需要的背壓固定時(shí)，應(yīng)合理地設(shè)計(jì)壓縮機(jī)沿程的管路和閥門，包括管徑、閥門流量系數(shù)和三通閥的數(shù)量等，使沿程摩阻盡可能最小，達(dá)到節(jié)能的目的。

3）吸氣溫度的變化對(duì)各級(jí)壓縮比影響不大，壓縮機(jī)功率消耗也幾乎不變。但處理量增大，功率消耗不變時(shí)，單位能耗必然減小。因此，降低壓縮機(jī)一級(jí)吸氣溫度可顯著提高壓縮機(jī)處理量，且不會(huì)增加功率的消耗，是一種很好的節(jié)能措施。