压缩机级间冷却对能耗及脱水效果的影响

摘 要

摘要：论述了CNG加气站压缩机级间冷却器的冷却效果对压缩机能耗及后置干燥器的脱水效果的影响，提出了改进措施。关键词：压缩机级间冷却；能耗；脱水效果Influence of Compressor Int
摘要：论述了CNG加气站压缩机级间冷却器的冷却效果对压缩机能耗及后置干燥器的脱水效果的影响，提出了改进措施。
关键词：压缩机级间冷却；能耗；脱水效果
Influence of Compressor Interstage Cooling on Energy Consumption and Dehydration Efficiency
CHEN Quan-shu
Abstract：The influence of cooling efficiency of compressor interstage cooler at CNG filling station on energy consumption of compressor and dehydration efficiency of post-dryer is described，and the improvement measures are put forward.
Key words：compressor interstage cooling；energy consumption：dehydration efficiency
    在CNG加气站的运行中，压缩机处于核心地位，其运行效果直接影响到CNG加气站的效益。本文仅就目前CNG加气站中普遍存在的压缩过程冷却不良带来的问题作简单讨论，希望对CNG加气站压缩机的正常运行有所裨益。
1 压缩机级间冷却与压缩机实际功耗
    虽然各地的天然气购买价格不相同，但对加气站的运营而言，其赢利只与其卖出价与买入价之差——即毛利空间有关，该毛利空间随地区的不同大致为0.80～1.40元/m3。在此毛利空间内，涉及到成本的主要因素包括电费、设备折旧、增值税、人员薪资、办公费用等。其中，设备折旧、增值税、人员薪资、办公费用等为固定支出，变动最大的因素，即影响成本变化的主要因素是压缩机消耗的电费。
根据压缩机热力学，多级压缩的压缩机各级的单位质量天然气的理论压缩轴功的表达式为[1]：
 
式中W——单位质量天然气的理论压缩轴功，kJ/kg
    Zs——进气压力下的气体压缩性系数
    R——气体常数，kJ/(kg·K)
    Ts——气缸吸气温度，K
    n——压缩过程多变指数
    pd——气缸排气压力，MPa
    ps——气缸吸气压力，MPa
    Zd——排气压力下的气体压缩性系数
    由此可见，压缩机的理论压缩轴功即能耗正比于气缸吸气温度。由于压缩机的1级吸气温度只与当地的气候条件有关，是不可控条件，故不在此讨论范围之内。
    以进气压力为0.3MPa、排气量为680m3/h、气缸1级吸气温度为20℃、配置132kW电机的4级压缩、采购价格约为42×104元/台的天然气压缩机为例，计算由于各级冷却器冷却不良，致使2～4级的吸气温度上升带来的能耗增加。为了简化计算，在此考察的条件是压缩机采用等压缩比压缩，由此各级的压缩功也相同，忽略压缩比的微小差异对各级压缩功的影响，且不考虑压缩机各级间温度升高对各级压缩过程多变指数和压缩性系数的影响。
    由于高压储气井的稳压作用，压缩机的第4级即末级排气压力变化范围一般为12～25MPa，对应压缩机的轴功率和电动机的实际电耗也相应变化。在此条件下，压缩机的电耗与吸气温度的关系见表1。
表1 压缩机的电耗与吸气温度的关系
2、3、4级吸气温度/℃
平均轴功率/kW
级间的
功耗比例/%
电机输入功率
/kW
增加电耗/(kW·h
·a-1)
10年寿命期增加的电费/元
30
122.00
100.000
132.61
0
0
40
126.02
103.295
136.98
25171
138441
50
130.05
106.598
141.36
50400
277200
60
134.07
109.893
145.73
75571
415641
注：压缩机工作时间为16h/d，以360d/a、电费0.55元/(kW·h)计。
   由此看到，当压缩机冷却不完善度超过20℃——即当压缩机2～4级气缸吸气温度超过50℃时，其多消耗的电费支出在压缩机的寿命期内占到采购成本的66%；而当冷却不完善度超过30℃时——即吸气温度超过60℃时，多消耗的电费成本几乎可以再购买1台设备。许多地区冷却循环水没有经过软化处理，导致压缩机各级排气冷却器严重结垢，经冷却后的天然气温度超过50℃的情况相当普遍，严重的甚至超过70℃。
2 压缩机级间冷却不良的其他危害
事实上，冷却不良导致的各级吸气温度升高的危害还不仅仅是增加电费支出的问题。天然气经过压缩后，从气缸排出的温度的表达式为[1]：
 
式中Td——气缸排气温度，K
    ε——压缩比，为气缸排气压力pd与吸气压力ps之比，即ε=pd/ps
    由此计算得出压缩机在不同吸气温度下对应的排气温度，见表2。
表2 吸气温度与排气温度
各级吸气温度/℃
30.0
40.0
50.0
60.0
各级排气温度/℃
109.4
122.0
134.6
147.3
注：对4级等压缩比压缩，ε=2.8145，n=1.29。
由表2可知，不同吸气温度下，压缩机各级排气温度相差很大。过高的排气温度，又带来如下危害。
    ① 排气温度越高，冷却器的冷却负荷越大。对已使用的压缩机而言，其冷却器负荷是基本固定的，因此当进入冷却器的气体温度超过其最大冷却能力时，必然导致冷却不完善度增加。这又会进一步升高下一级的吸气温度，增加压缩机的能耗，由此造成恶性循环。
    ② 压缩气体温度高，会影响活塞环与气缸之间的润滑，增加摩擦功，加速气缸、活塞环的磨损，缩短其使用寿命。此外，高温下润滑油更易碳化，形成积碳，导致气阀、活塞环、填料寿命缩短。
    由此可见，冷却不完善对压缩机正常运行的影响是多方面的，良好的冷却措施既可节省不必要的电费支出，又可保障压缩机的安全运行。
3 干燥器的脱水效果与进气温度的关系
    从我国CNG加气站的发展史看，最早应用的加气站脱水设备是后置式干燥器，目前由于川渝地区的气质原因，仍在大量使用。对于一些气源条件不稳定的地区，比如较小的气田或产量不大的油田伴生气，由于其天然气往往没有经过适当处理，后置式干燥器仍是首要选择。在此笔者仅讨论进气温度对后置式干燥器脱水效果的影响，暂不考虑润滑油等因素对分子筛的负面作用。
    影响干燥器脱水效果的三大要素是天然气流量(即处理量)、工作压力范围、入口天然气中的水分含量。显然，前两条因素是CNG加气站建设的客观要求，没有讨论的余地；但第三条因素，则往往被忽略。
   从表3可见，气体温度越高，所携带的水蒸气也越多，因此干燥器所需要脱除的水分越多，即干燥器的负荷越大。因此降低进入干燥器的天然气温度对于后置式干燥器有着非常重要的意义。
表3 不同温度对应的饱和水蒸气含量[2]
露点/℃
水蒸气的体积分数/%
绝对湿度相对比值/%
30
4.18534
57.5
35
5.55512
76.3
40
7.27819
100.0
45
9.46709
130.1
50
12.17309
167.3
55
15.54968
213.6
60
19.65854
270.1
注：以40℃时的绝对湿度为100%计。
    压缩机最后一级压缩后的天然气经过冷却后直接进入干燥器，其冷却温度是影响后置式干燥器的主要因素。由于我国没有专门的天然气干燥器标准，因此在设计后置式干燥器时，一般参考压缩空气干燥器规范[3]，以40℃时的天然气绝对湿度作为后置式干燥器进气的水分含量。
    由表3可知，40℃的气体即使温度变化5℃，其水分含量的变化也达-23.7%～30.1%。当气体的温度从40℃上升到50℃时，其水蒸气的饱和绝对湿度增加了67.3%；当温度下降10℃到达30℃时，水蒸气的饱和绝对湿度仅为40℃时的57.5%.下降了42.5%。
    对干燥器而言，60%的负荷变化是巨大的，超出了其最大能力，因此其出口气体中的水分含量不可能满足规定的技术指标H1。这也是川渝地区加气站的成品气在技术监督局定期检验中大面积不合格的重要原因之一。
    综上所述，对压缩机而言，各级压缩间的天然气冷却良好是CNG加气站正常运行的必要条件。通过对冷却循环水进行软化处理及加设冷却塔，有助于降低CNG加气站的运行成本，生产出合格气质的车用天然气[5]。
参考文献：
[1] 林梅，孙嗣莹.活塞式压缩机原理[M].北京：机械工业出版社，1987.
[2] 徐明.压缩空气站设计手册[M].北京：机械工业出版社，1993.
[3] GB/T 10893—1989，压缩空气干燥器规范与试验[S].
[4] GB 18047—2000，车用压缩天然气[S].
[5] 刘君富，李德春，曾嗣堂，等.压缩机中间冷却器的改造及其节能效果分析[J].煤气与热力，2001，21(6)：505-506、509.
 
(本文作者：陈全树 重庆燃气(集团)有限责任公司 重庆 400020)