壓縮機級間冷卻對能耗及脫水效果的影響

摘 要

摘要：論述了CNG加氣站壓縮機級間冷卻器的冷卻效果對壓縮機能耗及后置干燥器的脫水效果的影響，提出了改進措施。關(guān)鍵詞：壓縮機級間冷卻；能耗；脫水效果Influence of Compressor Int
摘要：論述了CNG加氣站壓縮機級間冷卻器的冷卻效果對壓縮機能耗及后置干燥器的脫水效果的影響，提出了改進措施。
關(guān)鍵詞：壓縮機級間冷卻；能耗；脫水效果
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加氣站的運行中，壓縮機處于核心地位，其運行效果直接影響到CNG加氣站的效益。本文僅就目前CNG加氣站中普遍存在的壓縮過程冷卻不良帶來的問題作簡單討論，希望對CNG加氣站壓縮機的正常運行有所裨益。
1 壓縮機級間冷卻與壓縮機實際功耗
    雖然各地的天然氣購買價格不相同，但對加氣站的運營而言，其贏利只與其賣出價與買入價之差——即毛利空間有關(guān)，該毛利空間隨地區(qū)的不同大致為0.80～1.40元/m3。在此毛利空間內(nèi)，涉及到成本的主要因素包括電費、設(shè)備折舊、增值稅、人員薪資、辦公費用等。其中，設(shè)備折舊、增值稅、人員薪資、辦公費用等為固定支出，變動最大的因素，即影響成本變化的主要因素是壓縮機消耗的電費。
根據(jù)壓縮機熱力學，多級壓縮的壓縮機各級的單位質(zhì)量天然氣的理論壓縮軸功的表達式為[1]：
 
式中W——單位質(zhì)量天然氣的理論壓縮軸功，kJ/kg
    Zs——進氣壓力下的氣體壓縮性系數(shù)
    R——氣體常數(shù)，kJ/(kg·K)
    Ts——氣缸吸氣溫度，K
    n——壓縮過程多變指數(shù)
    pd——氣缸排氣壓力，MPa
    ps——氣缸吸氣壓力，MPa
    Zd——排氣壓力下的氣體壓縮性系數(shù)
    由此可見，壓縮機的理論壓縮軸功即能耗正比于氣缸吸氣溫度。由于壓縮機的1級吸氣溫度只與當?shù)氐臍夂驐l件有關(guān)，是不可控條件，故不在此討論范圍之內(nèi)。
    以進氣壓力為0.3MPa、排氣量為680m3/h、氣缸1級吸氣溫度為20℃、配置132kW電機的4級壓縮、采購價格約為42×104元/臺的天然氣壓縮機為例，計算由于各級冷卻器冷卻不良，致使2～4級的吸氣溫度上升帶來的能耗增加。為了簡化計算，在此考察的條件是壓縮機采用等壓縮比壓縮，由此各級的壓縮功也相同，忽略壓縮比的微小差異對各級壓縮功的影響，且不考慮壓縮機各級間溫度升高對各級壓縮過程多變指數(shù)和壓縮性系數(shù)的影響。
    由于高壓儲氣井的穩(wěn)壓作用，壓縮機的第4級即末級排氣壓力變化范圍一般為12～25MPa，對應壓縮機的軸功率和電動機的實際電耗也相應變化。在此條件下，壓縮機的電耗與吸氣溫度的關(guān)系見表1。
表1 壓縮機的電耗與吸氣溫度的關(guān)系
2、3、4級吸氣溫度/℃
平均軸功率/kW
級間的
功耗比例/%
電機輸入功率
/kW
增加電耗/(kW·h
·a-1)
10年壽命期增加的電費/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：壓縮機工作時間為16h/d，以360d/a、電費0.55元/(kW·h)計。
   由此看到，當壓縮機冷卻不完善度超過20℃——即當壓縮機2～4級氣缸吸氣溫度超過50℃時，其多消耗的電費支出在壓縮機的壽命期內(nèi)占到采購成本的66%；而當冷卻不完善度超過30℃時——即吸氣溫度超過60℃時，多消耗的電費成本幾乎可以再購買1臺設(shè)備。許多地區(qū)冷卻循環(huán)水沒有經(jīng)過軟化處理，導致壓縮機各級排氣冷卻器嚴重結(jié)垢，經(jīng)冷卻后的天然氣溫度超過50℃的情況相當普遍，嚴重的甚至超過70℃。
2 壓縮機級間冷卻不良的其他危害
事實上，冷卻不良導致的各級吸氣溫度升高的危害還不僅僅是增加電費支出的問題。天然氣經(jīng)過壓縮后，從氣缸排出的溫度的表達式為[1]：
 
式中Td——氣缸排氣溫度，K
    ε——壓縮比，為氣缸排氣壓力pd與吸氣壓力ps之比，即ε=pd/ps
    由此計算得出壓縮機在不同吸氣溫度下對應的排氣溫度，見表2。
表2 吸氣溫度與排氣溫度
各級吸氣溫度/℃
30.0
40.0
50.0
60.0
各級排氣溫度/℃
109.4
122.0
134.6
147.3
注：對4級等壓縮比壓縮，ε=2.8145，n=1.29。
由表2可知，不同吸氣溫度下，壓縮機各級排氣溫度相差很大。過高的排氣溫度，又帶來如下危害。
    ① 排氣溫度越高，冷卻器的冷卻負荷越大。對已使用的壓縮機而言，其冷卻器負荷是基本固定的，因此當進入冷卻器的氣體溫度超過其最大冷卻能力時，必然導致冷卻不完善度增加。這又會進一步升高下一級的吸氣溫度，增加壓縮機的能耗，由此造成惡性循環(huán)。
    ② 壓縮氣體溫度高，會影響活塞環(huán)與氣缸之間的潤滑，增加摩擦功，加速氣缸、活塞環(huán)的磨損，縮短其使用壽命。此外，高溫下潤滑油更易碳化，形成積碳，導致氣閥、活塞環(huán)、填料壽命縮短。
    由此可見，冷卻不完善對壓縮機正常運行的影響是多方面的，良好的冷卻措施既可節(jié)省不必要的電費支出，又可保障壓縮機的安全運行。
3 干燥器的脫水效果與進氣溫度的關(guān)系
    從我國CNG加氣站的發(fā)展史看，最早應用的加氣站脫水設(shè)備是后置式干燥器，目前由于川渝地區(qū)的氣質(zhì)原因，仍在大量使用。對于一些氣源條件不穩(wěn)定的地區(qū)，比如較小的氣田或產(chǎn)量不大的油田伴生氣，由于其天然氣往往沒有經(jīng)過適當處理，后置式干燥器仍是首要選擇。在此筆者僅討論進氣溫度對后置式干燥器脫水效果的影響，暫不考慮潤滑油等因素對分子篩的負面作用。
    影響干燥器脫水效果的三大要素是天然氣流量(即處理量)、工作壓力范圍、入口天然氣中的水分含量。顯然，前兩條因素是CNG加氣站建設(shè)的客觀要求，沒有討論的余地；但第三條因素，則往往被忽略。
   從表3可見，氣體溫度越高，所攜帶的水蒸氣也越多，因此干燥器所需要脫除的水分越多，即干燥器的負荷越大。因此降低進入干燥器的天然氣溫度對于后置式干燥器有著非常重要的意義。
表3 不同溫度對應的飽和水蒸氣含量[2]
露點/℃
水蒸氣的體積分數(shù)/%
絕對濕度相對比值/%
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℃時的絕對濕度為100%計。
    壓縮機最后一級壓縮后的天然氣經(jīng)過冷卻后直接進入干燥器，其冷卻溫度是影響后置式干燥器的主要因素。由于我國沒有專門的天然氣干燥器標準，因此在設(shè)計后置式干燥器時，一般參考壓縮空氣干燥器規(guī)范[3]，以40℃時的天然氣絕對濕度作為后置式干燥器進氣的水分含量。
    由表3可知，40℃的氣體即使溫度變化5℃，其水分含量的變化也達-23.7%～30.1%。當氣體的溫度從40℃上升到50℃時，其水蒸氣的飽和絕對濕度增加了67.3%；當溫度下降10℃到達30℃時，水蒸氣的飽和絕對濕度僅為40℃時的57.5%.下降了42.5%。
    對干燥器而言，60%的負荷變化是巨大的，超出了其最大能力，因此其出口氣體中的水分含量不可能滿足規(guī)定的技術(shù)指標H1。這也是川渝地區(qū)加氣站的成品氣在技術(shù)監(jiān)督局定期檢驗中大面積不合格的重要原因之一。
    綜上所述，對壓縮機而言，各級壓縮間的天然氣冷卻良好是CNG加氣站正常運行的必要條件。通過對冷卻循環(huán)水進行軟化處理及加設(shè)冷卻塔，有助于降低CNG加氣站的運行成本，生產(chǎn)出合格氣質(zhì)的車用天然氣[5]。
參考文獻：
[1] 林梅，孫嗣瑩.活塞式壓縮機原理[M].北京：機械工業(yè)出版社，1987.
[2] 徐明.壓縮空氣站設(shè)計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，1993.
[3] GB/T 10893—1989，壓縮空氣干燥器規(guī)范與試驗[S].
[4] GB 18047—2000，車用壓縮天然氣[S].
[5] 劉君富，李德春，曾嗣堂，等.壓縮機中間冷卻器的改造及其節(jié)能效果分析[J].煤氣與熱力，2001，21(6)：505-506、509.
 
(本文作者：陳全樹 重慶燃氣(集團)有限責任公司 重慶 400020)