摘要:論述了回收利用天然氣調(diào)壓工藝?yán)淠艿囊饬x,壓縮天然氣加氣站的組成與功能,壓縮天然氣加氣站中壓縮機(jī)組的工藝流程,壓縮機(jī)冷卻系統(tǒng)的作用、冷卻介質(zhì)的選取、對(duì)冷卻系統(tǒng)的要求。提出了利用高壓天然氣調(diào)壓工藝?yán)淠艿膲嚎s機(jī)組冷卻工藝,分析了該工藝的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。
關(guān)鍵詞:工藝?yán)淠芾茫徽{(diào)壓;CNG壓縮機(jī);冷卻系統(tǒng)
Discussion on Application of Technology Cold Energy from Natural Gas Pressure Regulation to Cooling of Compressors Unit
ZHENG Zhi,WANG Shu-1i,YANG Bin
Abstract:The meaning of recovery and utilization of technology cold energy from natural gas pressure regulation,the composition and functions of CNG filling station,the process flow of compressor unit,the application of compressor cooling system,the selection of cooling media and the requirement for the cooling system are discussed. The cooling process of compressor unit by using technology cold energy from natural gas pressure regulation is put forward,and the techno-economic efficiency of this process is analyzed.
Key words:utilization of technology cold energy;pressure regulation;CNG compressor;cooling system
1 概述
汽車(chē)保有量的高速增長(zhǎng)帶來(lái)了環(huán)境污染和能源短缺,世界各國(guó)廣泛開(kāi)展了汽車(chē)替代燃料的研發(fā)工作。天然氣汽車(chē)以其低排放、抑制溫室效應(yīng)和擺脫對(duì)石油的依賴(lài)這3個(gè)主要特征,正在世界范圍內(nèi)得到普及和推廣[1、2]。在我國(guó),天然氣汽車(chē)自2002年以來(lái)發(fā)展迅速,截至2007年年底,16個(gè)重點(diǎn)推廣城市的壓縮天然氣汽車(chē)保有量已達(dá)26.5×104輛,建成CNG加氣站555座[3、4]。CNG加氣站使用的壓縮機(jī)大都是具有曲柄連桿的往復(fù)活塞式壓縮機(jī)[5]。冷卻系統(tǒng)是往復(fù)活塞式壓縮機(jī)運(yùn)行可靠性和經(jīng)濟(jì)性的重要保障之一[6]。合理的級(jí)間冷卻,可以降低各級(jí)的排氣溫度,減少壓縮氣體的功耗,增大壓縮機(jī)的排氣量;良好的氣缸冷卻可以保證氣缸具有良好的潤(rùn)滑性,也可減少功耗,增大排氣量。因此,對(duì)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化應(yīng)予以足夠的重視。高壓天然氣經(jīng)門(mén)站膨脹降壓后,自身溫度顯著下降,伴隨大量工藝?yán)淠艿纳?sup>[7、8]?;厥绽眠@部分潛在能源,對(duì)于建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。
2 CNG加氣站
CNG加氣站是CNG汽車(chē)加裝燃料的基地,是CNG汽車(chē)產(chǎn)業(yè)必不可少的組成部分,是CNG汽車(chē)使用和發(fā)展的基礎(chǔ)設(shè)施[9]。CNG加氣站一般由調(diào)壓計(jì)量系統(tǒng)、凈化干燥系統(tǒng)、壓縮系統(tǒng)、儲(chǔ)存系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、銷(xiāo)售系統(tǒng)共6部分組成。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)或附近是否有天然氣管網(wǎng),分為標(biāo)準(zhǔn)站、加氣母站和加氣子劇[10]。
CNG子母站是近年來(lái)針對(duì)管網(wǎng)、征地、安全等條件限制而發(fā)展起來(lái)的一種無(wú)管網(wǎng)輸配技術(shù)[11]。其中,母站作為一種氣源站,通常建在城市門(mén)站或天然氣主干管道附近。這些地方天然氣管網(wǎng)內(nèi)的壓力可達(dá)到1.0~1.5MPa,有些地方甚至達(dá)到2.0MPa,比城市管網(wǎng)中0.15~0.40MPa的壓力要高得多。因此,在相同排氣壓力(25MPa)條件下,壓縮機(jī)僅用3級(jí)即可,單位氣體的壓縮機(jī)功耗比標(biāo)準(zhǔn)站的4級(jí)壓縮機(jī)減少約25%,故壓縮氣體價(jià)格相對(duì)便宜。此外,城市管網(wǎng)中的壓力會(huì)受用氣高峰的影響而產(chǎn)生波動(dòng),對(duì)壓縮機(jī)工作十分不利。而母站處的壓力則較為穩(wěn)定。
母站的供氣量大都在2000m3/h以上,它通過(guò)CNG氣瓶車(chē)向子站供氣。一個(gè)母站的供氣量可供4~6個(gè)子站用氣。同時(shí)母站也可對(duì)汽車(chē)直接供氣,尤其是大型的公交車(chē)輛,不僅有利于降低運(yùn)行成本,而且供氣速度快且有保證。隨著城市化的迅速發(fā)展,對(duì)于那些無(wú)管網(wǎng)到達(dá)的城鎮(zhèn)或居民小區(qū),其燃料也可利用母站的壓縮天然氣氣瓶車(chē)進(jìn)行定期配送[12、13]。
3 CNG加氣站中壓縮機(jī)組的工藝流程
壓縮機(jī)保障了CNG加氣站向天然氣汽車(chē)加氣的壓力條件,提供了向天然氣汽車(chē)快加氣和慢加氣(以加氣機(jī)對(duì)汽車(chē)氣瓶加氣的完成時(shí)間來(lái)劃分,少于5min稱(chēng)為快加氣,超過(guò)5min稱(chēng)為慢加氣)所必需的流量,因此,壓縮機(jī)成為CNG加氣站的核心動(dòng)力設(shè)備。
圖1是加氣母站1臺(tái)壓縮機(jī)組系統(tǒng)的工藝流程。
天然氣經(jīng)3級(jí)壓縮,壓力由1.0~1.5MPa升至25.0MPa。加壓后的天然氣,或經(jīng)加氣柱注入CNG氣瓶車(chē)轉(zhuǎn)運(yùn),或經(jīng)加氣機(jī)給天然氣汽車(chē)加氣。壓縮機(jī)缸體、級(jí)間冷卻器一般采用水冷。壓縮機(jī)每一級(jí)出口設(shè)有一個(gè)冷卻器,用于將氣體溫度降低到后續(xù)部分允許的范圍之內(nèi)。每一級(jí)冷卻器后設(shè)有一個(gè)氣液分離器,用于將天然氣中攜帶的潤(rùn)滑油和因冷卻而析出的水分分離掉,尤其是最后一級(jí)必須要分離干凈,否則水分和潤(rùn)滑油會(huì)對(duì)加氣機(jī)和汽車(chē)燃料供應(yīng)系統(tǒng)產(chǎn)生較大的危害。整個(gè)機(jī)組進(jìn)口設(shè)有一個(gè)緩沖過(guò)濾器,其作用是給壓縮機(jī)營(yíng)造一個(gè)平穩(wěn)的吸氣壓力,并分離掉天然氣中可能攜帶的水滴和其他雜質(zhì)。各級(jí)氣缸排氣口設(shè)有一個(gè)緩沖罐,用以減小氣流壓力脈動(dòng),保證壓縮機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)。
整個(gè)機(jī)組進(jìn)、出口均設(shè)有截止閥,用于停機(jī)時(shí)將壓縮機(jī)組與其后的地面儲(chǔ)氣設(shè)備及前面的天然氣管道隔斷,可以是手動(dòng)閥,也可以是氣動(dòng)閥或電動(dòng)閥。機(jī)組出口還設(shè)有單向閥,防止停機(jī)時(shí)地面儲(chǔ)氣裝置中的高壓氣體倒流回壓縮機(jī)組。壓縮機(jī)第一級(jí)進(jìn)口與最后一級(jí)出口之間設(shè)有由氣動(dòng)閥控制的旁通管道,用于開(kāi)機(jī)時(shí)減負(fù)荷啟動(dòng)。每一級(jí)的氣液分離器都設(shè)有氣動(dòng)閥控制的排污裝置,進(jìn)行定時(shí)自動(dòng)排污。每一級(jí)氣缸出口都設(shè)有壓力和溫度傳感器,用于檢測(cè)相應(yīng)信號(hào)。為了表達(dá)簡(jiǎn)捷,閥件、旁通管、傳感器等并未在圖1中表示。填料處漏氣集中排空,各處排污也集中排放。氣動(dòng)閥所需要的壓縮空氣由另外的微型空氣壓縮機(jī)提供。
4 壓縮機(jī)的冷卻系統(tǒng)
4.1 冷卻系統(tǒng)的作用
壓縮機(jī)的冷卻系統(tǒng)包括氣缸組件冷卻、級(jí)間冷卻、壓縮氣體排出壓縮機(jī)后的后冷卻、潤(rùn)滑油的冷卻等裝置。
冷卻系統(tǒng)良好,氣缸內(nèi)壁溫度低,傳給氣體的熱量少,可提高壓縮機(jī)的容積系數(shù)和溫度系數(shù),進(jìn)而提高排氣量。冷卻效果差,壓縮機(jī)的排氣溫度高,氣缸內(nèi)壁溫度高,使?jié)櫥偷男阅芟陆担瑫?huì)加速氣缸的磨損。排氣溫度過(guò)高,還會(huì)使?jié)櫥桶l(fā)生氧化而在設(shè)備、管道內(nèi)形成積碳,致使排氣閥等動(dòng)作失靈,熱量不能及時(shí)導(dǎo)出,氣體溫度迅速上升,導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。因此,壓縮機(jī)的排氣溫度有限制,JB/T 10298—2001《汽車(chē)加氣站用天然氣壓縮機(jī)》中限定各級(jí)的排氣溫度在180℃以下。氣缸溫度不均勻時(shí),會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的熱應(yīng)力,降低氣缸的強(qiáng)度。對(duì)于多級(jí)壓縮,級(jí)間冷卻越完善,就越省功。后冷卻可使氣體溫度降低,便于氣體中所含水分與油霧的分離。另外,由于冷卻后氣體的比體積下降,可減少氣體的流動(dòng)阻力或減小氣體管道直徑。對(duì)于無(wú)油潤(rùn)滑壓縮機(jī),由于不能用油帶走部分摩擦熱,加之活塞環(huán)、導(dǎo)向環(huán)采用非金屬材料,冷卻系統(tǒng)的作用就更為重要。
4.2 冷卻介質(zhì)的選取
往復(fù)式壓縮機(jī)冷卻系統(tǒng)中常用的冷卻介質(zhì)為水和空氣,故冷卻系統(tǒng)可分為水冷式和風(fēng)冷式。對(duì)于中、大型壓縮機(jī),排氣量較大,壓力高,所需傳遞的熱負(fù)荷大,一般選用比熱容大、價(jià)格低、容易獲得的水作為冷卻介質(zhì)。應(yīng)該指出,運(yùn)行一段時(shí)間后,在冷卻系統(tǒng)內(nèi)會(huì)有水垢形成,致使水流通道截面積減小,水循環(huán)的阻力增加,阻礙正常的熱交換,造成設(shè)備冷卻不良,增加功耗,甚至發(fā)生事故[14]。因此,使用前必須對(duì)冷卻水進(jìn)行軟化處理,且當(dāng)水垢超過(guò)一定厚度時(shí)應(yīng)及時(shí)將其清除掉。
對(duì)于小型、移動(dòng)式或橇裝式壓縮機(jī),一般選用空氣作為冷卻介質(zhì)。在野外作業(yè)時(shí),特別是缺水地區(qū),選用空氣冷卻(風(fēng)冷)較為適宜。風(fēng)冷具有空氣免費(fèi)易得、不需要泵和水處理等輔助設(shè)備、維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。但由于風(fēng)冷效果比水冷效果差,相同負(fù)荷情況下,風(fēng)冷式壓縮機(jī)的軸功率比水冷式壓縮機(jī)的軸功率大。
4.3 對(duì)冷卻系統(tǒng)的要求[15]
① 冷卻系統(tǒng)必須滿(mǎn)足工藝設(shè)計(jì)中對(duì)排氣溫度、級(jí)間冷卻與后冷卻的溫度要求。
② 要有較高的總傳熱系數(shù),以使冷卻器結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕。
③ 要求其流動(dòng)阻力小,以減少循環(huán)泵的功耗和流動(dòng)介質(zhì)因克服流動(dòng)阻力而產(chǎn)生的冷量損失。
④ 冷卻系統(tǒng)應(yīng)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、成本低,便于安裝、調(diào)節(jié)、清理與維修。
5 利用調(diào)壓工藝?yán)淠艿膲嚎s機(jī)組冷卻工藝
5.1 高壓天然氣調(diào)壓工藝?yán)淠芾玫目尚行?/span>
當(dāng)城市燃?xì)廨斉涔芫W(wǎng)壓力一定時(shí),天然氣膨脹的制冷溫度主要受上游管道運(yùn)行壓力和調(diào)壓裝置進(jìn)氣溫度的影響[16]。上游輸送介質(zhì)的壓力越大,溫度越低,膨脹制冷后的溫度就越低。通過(guò)預(yù)冷進(jìn)氣、逐級(jí)膨脹,可以獲得溫度更低、品位更高的冷能。
假設(shè)天然氣全由甲烷構(gòu)成。25.0℃、4.0MPa的高壓甲烷氣體(等熵指數(shù)為0.8)等熵膨脹至0.5MPa,可獲得-77.6℃的低溫;當(dāng)進(jìn)氣被預(yù)冷到-5℃時(shí),能產(chǎn)生-100.7℃的低溫。膨脹制冷后的低溫天然氣通過(guò)與載冷劑進(jìn)行熱交換,可將調(diào)壓工藝?yán)淠芗傻街评溲h(huán)或冷卻系統(tǒng)中,從而使其得到充分利用。
由于載冷劑與環(huán)境之間溫差較大,輸送過(guò)程存在冷損,必須根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂?、?jīng)濟(jì)、用戶(hù)溫度分布等具體條件,求得技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化的輸送距離。目前,溫度為4~20℃的冷水,其經(jīng)濟(jì)輸送距離為5~6km[17]。
5.2 利用調(diào)壓工藝?yán)淠艿膲嚎s機(jī)冷卻系統(tǒng)
根據(jù)上述分析,筆者提出了一種利用天然氣調(diào)壓工藝?yán)淠艿膲嚎s機(jī)冷卻工藝(見(jiàn)圖2)。該法尤其適用于加氣站與門(mén)站(或調(diào)壓站)相距不遠(yuǎn)的情況。
流程主要包括調(diào)壓工藝?yán)淠艿纳?、?chǔ)存、利用3個(gè)部分。高壓天然氣經(jīng)氣波制冷機(jī)預(yù)冷、脫水后,進(jìn)入透平膨脹機(jī)中,根據(jù)門(mén)站的要求,將壓力降至規(guī)定范圍之內(nèi)。調(diào)壓過(guò)程中,氣體對(duì)外做功,驅(qū)動(dòng)同軸發(fā)電機(jī)輸出電能,同時(shí)自身溫度進(jìn)一步降低,產(chǎn)生深冷的低壓天然氣。膨脹制冷的低溫低壓天然氣通過(guò)與乙二醇水溶液進(jìn)行換熱,利用相變物質(zhì)的潛熱將冷量?jī)?chǔ)存于儲(chǔ)冷槽中。壓縮機(jī)工作時(shí),循環(huán)冷卻水經(jīng)儲(chǔ)冷槽冷卻,用泵送至各級(jí)冷卻部位。
5.3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析
① 高壓天然氣蘊(yùn)藏著豐富的壓力能,簡(jiǎn)單的調(diào)壓過(guò)程會(huì)造成巨大的能源浪費(fèi)[18]。利用氣波制冷機(jī)、透平膨脹機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)調(diào)壓工藝中的調(diào)壓器,回收利用天然氣壓力能,可以獲得清潔的調(diào)壓工藝?yán)淠芎碗娔?。將調(diào)壓工藝?yán)淠軕?yīng)用于加氣母站壓縮機(jī)的冷卻系統(tǒng),不僅完善了冷能的利用方式,提高了能源的利用效率,也保證了壓縮機(jī)的正常運(yùn)行,降低了壓縮機(jī)冷卻系統(tǒng)的能耗。
② 城市燃?xì)庳?fù)荷受上游氣源、時(shí)段、季節(jié)、氣候等的影響,波動(dòng)量比較大,造成調(diào)壓釋放的冷能隨之波動(dòng)。故通過(guò)設(shè)置蓄冷裝置,利用相變物質(zhì)的潛熱,在冷能充裕時(shí),吸收冷能而凝固;在冷能供應(yīng)不足時(shí),熔化并釋放冷能。
鑒于加氣母站與調(diào)壓站的地理位置差異,需要考慮冷能的經(jīng)濟(jì)輸送距離,對(duì)管道設(shè)備采用相應(yīng)的保冷材料和技術(shù),減少長(zhǎng)距離輸送造成的冷損。
③ 所提出的新工藝采用了并聯(lián)式水冷系統(tǒng),使進(jìn)入冷卻部位的均為最冷的水,故回冷完善,冷卻效果好,且各部分的水量、水溫均可調(diào)節(jié),查找故障方便。另外,冷卻水構(gòu)成閉式循環(huán),使水質(zhì)不受外界環(huán)境的影響,防止污染,較好地控制了水冷壓縮機(jī)冷卻系統(tǒng)的結(jié)垢和腐蝕。運(yùn)行過(guò)程中可根據(jù)具體情況,在循環(huán)泵出口處安裝除氧裝置,在回水口處安裝過(guò)濾器,向循環(huán)水中加入除氧劑和緩蝕劑。
④ 水冷機(jī)組適于環(huán)境溫度較高的南方地區(qū)使用,能營(yíng)造較低的壓縮機(jī)各級(jí)吸氣溫度,有利于控制各級(jí)排氣溫度和油溫,保證壓縮機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)或填料的可靠冷卻和潤(rùn)滑。通過(guò)在冷卻水中摻入防凍劑,水冷機(jī)組也可以應(yīng)用于環(huán)境溫度較低的北方地區(qū)。
⑤ 冷卻水的流量與壓縮過(guò)程產(chǎn)生的熱量、冷卻水的進(jìn)口溫度、缸壁和管壁的傳熱系數(shù)、冷卻器的流動(dòng)特性、水的比熱容等因素有關(guān)。水量過(guò)少,冷卻效果差;水量過(guò)多則增加了水的流動(dòng)阻力。故冷卻水量必須滿(mǎn)足壓縮機(jī)的要求,可通過(guò)分流器進(jìn)行水量的調(diào)節(jié)。
⑥ 新工藝中增加了氣波制冷機(jī)、透平膨脹機(jī)、儲(chǔ)冷槽、并聯(lián)閉式冷卻水循環(huán)管道等輔助設(shè)施,造價(jià)有所提高,在工程應(yīng)用中尚需要進(jìn)行深入的經(jīng)濟(jì)性論證。
6 結(jié)語(yǔ)
隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高,我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)正逐漸發(fā)生改變,對(duì)天然氣等清潔能源的需求將持續(xù)增長(zhǎng)。將高壓天然氣調(diào)壓工藝?yán)淠軕?yīng)用于CNG加氣母站的壓縮機(jī)冷卻,既有效利用了這部分潛在能源,又降低了壓縮機(jī)冷卻系統(tǒng)的能耗,具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
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(本文作者:鄭志1 王樹(shù)立2 楊斌3 1.中國(guó)石油福建銷(xiāo)售分公司 三明油庫(kù)項(xiàng)目組 福建三明 365000:2.常州大學(xué)石油工程學(xué)院 江蘇常州 213016;3.南京揚(yáng)子石油化工設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司 江蘇南京 210048)
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