東北地區(qū)CNG壓縮機(jī)冷卻方式的選擇

摘 要

根據(jù)東北地區(qū)環(huán)境條件，提出CNG加氣站運(yùn)行對(duì)CNG壓縮機(jī)冷卻系統(tǒng)的要求，分析了適合該地區(qū)環(huán)境條件的CNG壓縮機(jī)的冷卻方式，提出了優(yōu)選方案。
摘要：根據(jù)東北地區(qū)環(huán)境條件，提出CNG加氣站運(yùn)行對(duì)CNG壓縮機(jī)冷卻系統(tǒng)的要求，分析了適合該地區(qū)環(huán)境條件的CNG壓縮機(jī)的冷卻方式，提出了優(yōu)選方案。
關(guān)鍵詞：CNG壓縮機(jī)；壓縮機(jī)冷卻方式；水冷式；風(fēng)冷式；混冷式
Selection of CNG Compressor Cooling-down Method in Northeast of China
WANG Zhifeng，SHEN Xiaojun，YU Yinglian
Abstract：According to the environmental conditions in northeast of China.the requirements for CNG compressor cooling system in operation of CNG filling station are put forward.The CNG compressor cooling-down method suitable for the environmental conditions of this region is analyzed，and the optimization scheme is proposed.
Key words：CNG compressor；compressor cooling-down method；water-cooled； air-cooled；mixture cooled
1 概述
   壓縮天然氣(CNG)作為汽車燃料，具有經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性等優(yōu)點(diǎn)。大力推廣CNG汽車，能顯著減少城市污染，對(duì)保護(hù)環(huán)境、改善能源結(jié)構(gòu)有重要意義。因此，在國(guó)家大力提倡綠色能源的背景下，積極挖掘天然氣能源潛力，廣泛應(yīng)用于汽車領(lǐng)域，減少汽車對(duì)汽油的依賴，是我國(guó)能源替代戰(zhàn)略的一個(gè)重要發(fā)展方向。
    隨著我國(guó)東北天然氣田的開(kāi)發(fā)和投入使用，CNG技術(shù)在東北地區(qū)的應(yīng)用更加廣泛，在吉林、遼寧、黑龍江等地陸續(xù)建成汽車加氣站，但加氣站能力已不能滿足市場(chǎng)的需求，需要增加CNG加氣站的數(shù)量及對(duì)原加氣站擴(kuò)容。尤其對(duì)CNG加氣站的關(guān)鍵設(shè)備——天然氣壓縮機(jī)如何冷卻、如何適應(yīng)嚴(yán)寒、缺水地區(qū)提出了更高要求。因此，在選擇CNG壓縮機(jī)時(shí)必須在技術(shù)上充分保證壓縮機(jī)能夠滿足惡劣運(yùn)行條件的要求，能夠持久、安全、可靠地運(yùn)行[1～2]。
    本文結(jié)合近年來(lái)CNG加氣站運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)[3]，就東北地區(qū)CNG壓縮機(jī)冷卻系統(tǒng)的方案進(jìn)行對(duì)比分析，提出優(yōu)選方案。
2 東北高寒地區(qū)環(huán)境條件
    東北地區(qū)屬大陸性季風(fēng)型氣候。自南向北跨暖溫帶、中溫帶與寒溫帶。年極端最高氣溫為43.2℃，年極端最低氣溫為-40.5℃，冬季平均氣溫為-20℃。最冷月平均最低氣溫較低，東北西部天然氣田地區(qū)風(fēng)沙揚(yáng)塵較大、缺水嚴(yán)重。
3 對(duì)壓縮機(jī)冷卻系統(tǒng)的要求
    天然氣壓縮機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)期間，天然氣經(jīng)壓縮后，壓力升高，氣體溫度升高，氣缸和填料的工作表面溫度升高，機(jī)身潤(rùn)滑油溫度也隨之升高。因此，在壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，需要進(jìn)行級(jí)間、終級(jí)、氣缸、填料、潤(rùn)滑油等的冷卻。
    依據(jù)高寒地區(qū)工況特點(diǎn)，對(duì)冷卻系統(tǒng)的總體要求如下：
    ① 必須滿足工藝設(shè)計(jì)中對(duì)各級(jí)間冷卻與終級(jí)冷卻的溫度要求，壓縮機(jī)終級(jí)排氣溫度不得比環(huán)境溫度高15℃，且低于45℃。
    ② 滿足潤(rùn)滑油冷卻散熱的要求。
    ③ 壓縮機(jī)停機(jī)后，冷卻介質(zhì)要求防凍。
    ④ 總傳熱系數(shù)高，使冷卻器結(jié)構(gòu)尺寸小、重量輕。
   ⑤ 流動(dòng)阻力小。
   ⑥ 系統(tǒng)應(yīng)簡(jiǎn)單可靠，便于清洗維修。
4 設(shè)備選擇對(duì)策
    鑒于高寒地區(qū)工況特點(diǎn)及對(duì)設(shè)備的要求，壓縮機(jī)的冷卻方式有風(fēng)冷式、水冷式和水風(fēng)混合冷卻式等3種。
4.1 風(fēng)冷式壓縮機(jī)特點(diǎn)
風(fēng)冷式壓縮機(jī)的壓縮天然氣采用冷卻器強(qiáng)制風(fēng)冷，氣缸與填料采用自然冷卻，潤(rùn)滑油在管路中閉式循環(huán)，高溫油管路采用強(qiáng)制風(fēng)冷。風(fēng)冷式壓縮機(jī)比較適用于寒冷地區(qū)及缺水地區(qū)。風(fēng)冷式壓縮機(jī)系統(tǒng)工藝流程見(jiàn)圖1。
 

   ① 氣體的冷卻
   根據(jù)氣體流動(dòng)傳熱原理，使增壓后的高溫天然氣在不銹鋼翅片管冷卻器內(nèi)流動(dòng)，風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的冷卻空氣則垂直于換熱管束流過(guò)，將天然氣的熱量帶走，達(dá)到強(qiáng)制冷卻的目的。
    天然氣冷卻器采用高翅片以達(dá)到高效換熱效果，按照使用地的環(huán)境條件設(shè)計(jì)，可以在當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件下有效地工作，保證壓縮機(jī)終級(jí)氣體排氣溫度符合要求。
    天然氣從入口過(guò)濾器進(jìn)入壓縮機(jī)，增壓后通過(guò)一級(jí)排氣管進(jìn)入冷卻器內(nèi)部翅片管中，與冷卻器內(nèi)風(fēng)機(jī)垂直方向吹來(lái)的冷空氣進(jìn)行換熱，被冷卻的壓縮氣通過(guò)二級(jí)進(jìn)氣管再次進(jìn)入壓縮機(jī)，經(jīng)過(guò)二次增壓達(dá)到25MPa的天然氣通過(guò)二級(jí)排氣管再次進(jìn)入冷卻器中進(jìn)行換熱，被空氣冷卻后的高壓天然氣進(jìn)入出口過(guò)濾器，進(jìn)入下一步工序。
   ② 機(jī)身潤(rùn)滑油冷卻
   壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，為了使?jié)櫥筒恢乱驕囟冗^(guò)高引起性能變化，同時(shí)使運(yùn)動(dòng)部位散熱降溫，潤(rùn)滑油也必須進(jìn)行冷卻。
    壓縮機(jī)潤(rùn)滑油的冷卻一般采用專門的列管式冷卻器進(jìn)行冷卻。冷卻油管環(huán)繞風(fēng)扇進(jìn)行循環(huán)強(qiáng)制冷卻，控制油溫在規(guī)定范圍內(nèi)。
4.2 水冷式壓縮機(jī)特點(diǎn)
    壓縮天然氣、氣缸與填料水套和潤(rùn)滑油采用開(kāi)式循環(huán)水冷卻。冷卻循環(huán)水因冷卻氣體、氣缸與填料水套、潤(rùn)滑油而升溫后，再送至冷卻塔在環(huán)境空氣中冷卻降溫，然后再通過(guò)水泵進(jìn)行循環(huán)使用。水冷式壓縮機(jī)系統(tǒng)工藝流程見(jiàn)圖2。
 

    天然氣從入口過(guò)濾器進(jìn)入壓縮機(jī)，增壓后的氣體進(jìn)入冷卻器列管中，與列管周圍的冷水進(jìn)行換熱，冷水吸收氣體放出的熱量變成熱水并循環(huán)至冷卻塔，熱水在冷卻塔上噴淋暴露在空氣中冷卻。根據(jù)水溫指標(biāo)，控制風(fēng)扇的開(kāi)啟，達(dá)到冷卻的目的。氣缸、填料、潤(rùn)滑油的熱量均被循環(huán)水帶到冷卻塔與空氣換熱。被冷卻的高壓天然氣進(jìn)入出口過(guò)濾器，進(jìn)入下一步工序。
    水冷式冷卻系統(tǒng)的缺點(diǎn)是：由于冷卻循環(huán)水必須在環(huán)境空氣中降溫，不僅水質(zhì)不容易控制，而且還需定期補(bǔ)充水，水泵、冷卻塔中的風(fēng)扇也要消耗一定電能。
    采用水冷式冷卻系統(tǒng)方案還應(yīng)注意以下問(wèn)題：
    ① 在冬天使用應(yīng)注意防凍問(wèn)題。高寒地域冬季氣溫大部分時(shí)間在0℃以下，防凍問(wèn)題應(yīng)引起足夠重視。11月份氣溫降低時(shí)，需適時(shí)將軟化水更替為防凍液。防凍液一般由基礎(chǔ)液和添加劑組成，基礎(chǔ)液主要是乙二醇和水，添加劑主要是染色劑等。純乙二醇凝固點(diǎn)為-12.5℃左右，沸點(diǎn)為198℃左右，隨著水的加入，它的凝固點(diǎn)不斷降低，當(dāng)達(dá)到乙二醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%時(shí)，其凝固點(diǎn)可達(dá)-68℃。市場(chǎng)上一些劣質(zhì)防凍液基本是采用甲醇和乙醇勾兌，其沸點(diǎn)只有80℃左右，如果夏季仍然使用，會(huì)影響換熱效果。
    防凍液的選擇一般是要求其凝固點(diǎn)比當(dāng)?shù)貧鉁氐?0℃左右。東北寒冷地區(qū)一般選擇凝固點(diǎn)低于-45℃的防凍液。
    壓縮機(jī)停機(jī)時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，在特別寒冷的天氣里，需要開(kāi)啟循環(huán)泵，以保證防凍液的流動(dòng)性。并定期巡檢機(jī)器內(nèi)防凍液加熱器工作狀況，防止加熱器失靈，或因氣溫驟降而影響設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
    ② 選擇合理的冷卻器結(jié)構(gòu)型式，提高冷卻器換熱效果，盡可能使冷卻器結(jié)構(gòu)尺寸小、重量輕。
   ③ 避免腐蝕、結(jié)垢，便于清洗。循環(huán)冷卻水一般雖采用電子除垢器或鈉離子交換軟化法進(jìn)行處理，但效果不佳。循環(huán)冷卻水的水質(zhì)受各種因素的綜合影響，如濁度較高、懸浮物含量高、硬度較高，甚至含油，菌藻滋生嚴(yán)重。冷卻水的循環(huán)使用，給冷卻器帶來(lái)腐蝕、結(jié)垢問(wèn)題[4]，尤其是管間環(huán)隙結(jié)垢相當(dāng)嚴(yán)重，甚至被堵死，或者腐蝕嚴(yán)重，水氣泄漏，導(dǎo)致冷卻效果降低，從而使排氣溫度過(guò)高，對(duì)壓縮機(jī)的安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)期運(yùn)行構(gòu)成較大危害。冷卻器中換熱管一旦結(jié)垢，采用抽出后人工清除的辦法極難處理。如果換熱管采用不銹鋼材質(zhì)，可便于進(jìn)行定期化學(xué)清洗除垢。
4.3 混冷式壓縮機(jī)特點(diǎn)
    水風(fēng)混合冷卻式(以下簡(jiǎn)稱混冷式)壓縮機(jī)的各級(jí)排氣后的氣體、機(jī)身潤(rùn)滑油等的冷卻采用閉式循環(huán)水冷卻。閉式循環(huán)是指循環(huán)水始終處于密閉系統(tǒng)內(nèi)，循環(huán)水的熱量通過(guò)冷卻器上的風(fēng)扇進(jìn)行強(qiáng)制換熱冷卻?；旌侠鋮s是指壓縮機(jī)靠水冷卻、水靠風(fēng)扇冷卻的混合冷卻方式?；炖涫綁嚎s機(jī)系統(tǒng)工藝流程見(jiàn)圖3。
 

   天然氣從入口過(guò)濾器進(jìn)入壓縮機(jī)，增壓后的氣體進(jìn)入換熱器列管中，與列管外的冷水進(jìn)行換熱，冷水把氣體放出的熱量吸收并帶走至風(fēng)冷卻器，冷卻系統(tǒng)完全封閉，循環(huán)水在冷熱交換時(shí)不和環(huán)境空氣接觸，熱水被風(fēng)冷卻器風(fēng)扇強(qiáng)制冷卻，降溫后的冷卻水通過(guò)水泵循環(huán)至換熱器。高壓天然氣被冷卻后，通過(guò)出口過(guò)濾器，流進(jìn)下一步工序。
    在閉式冷卻系統(tǒng)中，使用含防凍液的軟化水，在防止水垢、腐蝕等方面，有較強(qiáng)的綜合優(yōu)勢(shì)：
    ① 由于采用翅片管式風(fēng)冷卻器強(qiáng)制冷卻，換熱效果好，在滿足冷卻循環(huán)水流量情況下，實(shí)際所需要的水量不大。因此，可加注蒸餾水或純凈水，完全避免了冷卻水本身水質(zhì)差及蒸發(fā)濃縮等造成的損失、腐蝕、結(jié)垢等一系列問(wèn)題。特別是可以改加注防凍冷卻液，以適應(yīng)冬季高寒的北方地區(qū)及沙漠缺水地區(qū)。
    ② 對(duì)循環(huán)水進(jìn)行強(qiáng)制冷卻的冷卻器為低壓設(shè)備，翅片換熱管一般采用鋁材制造，傳熱效果比鋼材更佳，制造難度和成本相對(duì)較低。
5 設(shè)備特點(diǎn)比較
   ① 冷卻效果
   水冷式效果最好，混冷式效果次之，風(fēng)冷式效果較差。開(kāi)式循環(huán)水冷系統(tǒng)中，冷卻水在環(huán)境空氣中降溫徹底，經(jīng)過(guò)水冷卻器后的天然氣溫度，一般不比環(huán)境溫度高10℃。采用風(fēng)冷式時(shí)，出口處的天然氣溫度一般不比環(huán)境溫度高15℃。
   ② 冷卻器體積方面
   混冷式體積最小，風(fēng)冷式次之，水冷式需要設(shè)置冷卻塔，體積大，占地面積大。
    ③ 經(jīng)濟(jì)性
    混冷式CNG壓縮機(jī)的制造成本高于風(fēng)冷式，風(fēng)冷式CNG壓縮機(jī)的制造成本高于水冷式。但結(jié)合加氣站成套設(shè)備和占地費(fèi)用進(jìn)行比較，由于水冷式壓縮機(jī)需配置循環(huán)水泵、冷卻塔、水管路、水閥等；混冷式壓縮機(jī)也需配置循環(huán)水泵、風(fēng)冷卻器、水管路、水閥等，這些都會(huì)增加輔助設(shè)備費(fèi)用和占地費(fèi)用。經(jīng)比較，不同冷卻方式的天然氣加氣站，其建站總費(fèi)用相差不大，風(fēng)冷式CNG壓縮機(jī)可能更為經(jīng)濟(jì)。
    ④ 運(yùn)行與維護(hù)
    風(fēng)冷式CNG壓縮機(jī)無(wú)需增添一整套的水管道、泵、水處理輔助設(shè)備，冬季室外氣溫低，有利于換熱效果提升；由于水冷(或混冷)式系統(tǒng)存在腐蝕、結(jié)垢、清洗、防凍等一系列問(wèn)題，風(fēng)冷系統(tǒng)的維護(hù)費(fèi)用一般為水冷系統(tǒng)的20%～30%，加上東北西部天然氣田水資源供應(yīng)形勢(shì)日趨嚴(yán)峻，故風(fēng)冷式壓縮機(jī)的優(yōu)越性也越來(lái)越突出。
   ⑤ 振動(dòng)與噪聲
   采用同樣的成橇方式，水冷(或混冷)式CNG壓縮機(jī)的振動(dòng)遠(yuǎn)小于風(fēng)冷式CNG壓縮機(jī)。
    風(fēng)冷式CNG壓縮機(jī)的噪聲遠(yuǎn)高于水冷式和混冷式，所以風(fēng)冷式壓縮機(jī)需要特殊降噪措施如設(shè)置隔聲罩棚。
6 安全注意事項(xiàng)
    ① 壓縮機(jī)出入口連接處必須加強(qiáng)巡檢，冬季生產(chǎn)更應(yīng)頻繁巡檢。
    ② 調(diào)壓器出入口管道和調(diào)壓器本身在冬季時(shí)均應(yīng)伴熱，否則低溫易影響其性能，造成泄漏風(fēng)險(xiǎn)。
    ③ 氣缸、填料、潤(rùn)滑油冬季需要伴熱，否則影響壓縮機(jī)的正常運(yùn)行。
    ④ 冬季壓縮機(jī)各級(jí)排污宜每日2次，以保障壓縮機(jī)運(yùn)行順暢。
7 結(jié)論
    ① 風(fēng)冷式CNG壓縮機(jī)具有在東北地區(qū)全天候運(yùn)行的極強(qiáng)適應(yīng)性，在水冷式(或混冷式)壓縮機(jī)較難適應(yīng)的高寒、缺水地區(qū)也能正常工作，表現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。
    ② 在噪聲要求不高的天然氣田地區(qū)，或進(jìn)行降噪改造后在城市宜采用風(fēng)冷式CNG壓縮機(jī)。
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(本文作者：王志峰 申小軍 于英蓮 吉林港華燃?xì)庥邢薰?吉林吉林 132001)