天然气压缩机效率评价方法分析.pdf

1压缩机发展及分类 1 ． 1 压 缩机 的发 展 压缩机的发展总的来说分为四个阶段 1 第一代开启式活塞压缩机 。南电动机通过联 轴 器或皮带驱动 的活塞压缩机组成 ， }犬 】 有许多接头和 轴封泄漏制冷剂 ， 制冷系统需定期充装制 冷剂 ， 与第 二代 的全封闭活塞压缩机相 比称之为开启式活塞压 缩 机 。 2 第二代全封闭式活塞压缩机 。解决 了开肩式 活塞压缩机『 I 二 作过程 中制冷剂的泄漏 ， 并通过整个制 冷系统接 口的全部焊接解决 了整个制冷系统丁作过 程 中制冷剂 的泄漏 ， 大大地提高 了整个制冷系统工作 的可靠性。但活塞压缩机 同有的进排气 阀片故 障 、 曲 轴连杆活塞这些将 电动机旋转运行转换 为往复直线 运动对效率 的影响 、 转动部 分的抱轴卡涩 、 活塞余隙 对效率的影响等问题并没有解决。 3 第三代旋转 滑片 压缩机。旋转式压缩机 的 活塞像一个在扁平圆盒子 内旋转 的转子一样 ， 活塞装 在扁心轴上 ， 沿气缸侧壁面做平面滚动 ， 作用于气缸 内的制冷剂 。为了隔断吸气区与排气 区， 在气缸侧壁 上开一个垂直的槽 ， 槽 内装有一个与转子侧壁槽 内的 滑片。与活塞压缩机相 比消除了进气伐片故 障 、 曲轴 连杆将电动机旋转运动转换为往复直线运动 、 曲轴连 杆部分的抱轴卡涩 、 活塞余 隙等对效率的影响。但其 2 0 1 0 牟 6 j_7 2 段I 滑片的密封及排气伐片的故障等 问题并没有彻底解 决 。 4 第 四代涡旋式压缩机。原理是由偏心轴带动 运动滑盘绕 同定滑盘的轴线摆动而完成进气和压缩 的功能。与旋转式相 比， 涡旋式压缩机不仅同样没有 曲轴连 杆进排气 阀等 ， 而且无旋转式 所必须有 的滑 片 、 排气阀而极大地提高了工作 的可靠性。涡旋式压 缩机 的活塞就是那个绕 固定滑盘 的轴线摆动的运动 滑盘 ， 但涡旋式压缩机的制造加工要求非常高 ， 加T 成本直接影响了成本及应用。 1 ． 2 压缩机的分类 压缩机的主要种类 分为 往复式压缩机 ； 回转式 压缩 机 ； 滑片式压缩机 ； 液体一 活塞式压缩机 ； 罗茨双 转子式压缩机 ； 螺杆压缩机 ； 速度型压缩机 ； 离心式压 缩机 ； 轴流式压缩 机 ； 混合流式压缩 机 ； 喷射式 压缩 机 ； 容积式压缩机 ； 无油空压机； 高压压缩机等。 2 往复式压缩机的原理及结构 叶哈油 田天然气压缩机基本上属于往复式压缩 机。原 因是 往复式压缩机是容积式压缩机 ， 其压缩 元件是一个活塞， 在气缸内作往复运动。 目前往复式 压缩机主要 以活塞式空压机为主， 而活塞式空压机现 在主要向中压及高压方 向发展 ， 离心机 目前无法达到 的一个高度。往复式压缩机的工作原理 见图 1 。 鼢 钨 气缸盖； 2 - 排气阀； 3 - 进气阀； 4 - 气缸； 5 - 活塞 6 一 活塞环； 7 - 冷却套； 8 - 连杆； 9 - 曲轴 图 1 往 复式压缩机的工作示意图 2 ． 1 往复式压缩机原理 压缩机南电动机通过联轴节驱动 ， 电动机转子直 接带动压缩机的曲轴旋转 ， 然后由连杆和十字头将曲 轴 的旋转运动变成活塞的往复直线运动。气缸为双 作用 ， 即盖侧和轴侧都有相应 的_T作腔 。以盖侧 为 例 ， 当活塞 由盖侧始点位置 向轴侧开始运动时 ， 盖侧 容积变大汽缸 内的残 留气体膨胀 ， 压 力下降 ， 与气体 腔 汽缸 的气道 内压力产生压力差 。当压力差大于 吸气阀弹簧力时， 吸气阀 自动打开。随着活塞继续向 轴侧运动 ， 缸内容积进一步扩大 ， 将气体吸人缸内 ， 活 塞到达内止点时吸气完毕。随后活塞又从轴侧位置 向盖侧方向返 回移动 ， 此时缸 内容积开始变小 ， 压力 随之增高 ， 缸内与进气腔的压差消失 ， 吸气 阀 自动关 闭， 随着活塞的继续移动 ， 缸内容积不断变小 ， 已吸入 的气体受到压缩 ， 压力逐步升高。当缸 内压力高于排 气腔 内压力， 压力差大于排气 阀弹簧力时 ， 排气阀打 开。此时缸 内已被压缩的气体开始排出 ， 当活塞返 同 到外止点 盖侧 始点位置 时 ， 排气完毕 ， 至此完成了 一 个T作循环。轴侧_丁作腔的T作原理与此相同 ， 但 有 1 8 0 。 的相位差 即当气缸轴侧吸气时盖侧排气 ； 轴 侧排气时盖侧吸气 。由于活塞不断地做往复运动 ， 使气缸 内交替发生气体的膨胀吸入和压缩排出过程 ， 从而获得连续脉动的压缩气源。 2 ． 2 往 复式压 缩机 结构 往复式压缩机从 系统 角度主要 分为六个 系统 1 气路系统 ； 2 水路系统 ； 3 循环润滑油系统 ； 4 仪控保护系统 ； 5 气量调节 系统 ； 6 隔室充氮保护 系统。 从元件角度来分 ， 往 复式压缩 机结构 南以下组 成 1 机身部件 曲轴箱 ； 2 曲轴部件 ； 3 连杆部 件 ； 4 十字头部件 ； 5 盘车器 ； 6 气缸部件 ； 7 巾 体部件 ； 8 活塞部件 ； 9 填料部件 ； 1 0 气 阀部件 ； 1 1 就地仪表柜 。 3 天然气压缩机效率评价方法 评 价 天 然 气 压 缩 机 的 机 组 效 率 是 依 据 s Y 厂 l 、 6 6 3 7 2 0 0 5 输气管道系统能耗测试和计算方法 。根 据标准需要测量天然气 的流量 、 压力 、 温度和组分 ， 以 及压缩机机组 的耗电量 ， 这样才能计算 出压缩机机组 系统效率。 3 ． 1 燃气轮机离心压缩机机组系统效率计算 1 计算参数基 准 基准温度 2 O ； 基 准压力 1 0 1 ． 3 k P a ； 燃料发热值 燃 料收到基低位 发热值 。测 试的各项参数以箅术平均值进行计算。 2 天然气 的低 位发热值 ， 密度 ， 相应 密度根据 G B f r 1 1 0 6 2 计算。 3 压缩 因子根据 G B ／ T 1 7 7 4 7 计算 。 4 天然气的定压 比热容计算 。 5 基准压力下的定压比热容计算 见式① c O 1 ． 6 8 7 1 o ． 0 0 1 t ／ 4 s G 式中 天然气在基准压力下 的定压 比热容 ， k J ／ k g c c ； ￡ 广 天然气 出站温度， ℃； 『 - _ 天然气相对 密度 。 6 天然气视临界压力计算见式② ∑X i P ② 式 中 一i 组分在天然气中的体积分数 ， ％； p t 。一 天然气l 临界压力 ， MP a ； 天然气各组分I晦界压力 ， MP a。 7 视对比压力计算见式③ p 『 ／ p ． 式 中 一天然气绝 热指数 ； 一 天然气的定容 比热容 ， k J ／ k g o C 。 1 2 天然气气体常数计算见式⑦ R’ R／ L L ⑦ 式 中 R’ 一天然气气体常数 ， k J ／ k g K ； R 一通用 气体 常数 ， k J ／ k mo l K ， R 8 ． 3 1 4 ； 一 天然气的摩 尔 熵 ， k J ／ k m o l K 。 1 3 离心压缩机第 i 级效率计算见式⑧ r ， 、 ] I _ l I ％ ⑧ L J 式中 ～离心压缩机第j 级效率； ，l厂 第j 级压 缩机天然气进 13温度 ， K； 广 第 i 级压缩机天然气出 口温度 ， K； 厂 - - 第 i 级压缩机天然气进 13压 力， MP a ； 『厂 第j 级压缩机天然气进 口压力 ， MP a ； 一第j 级 的 天然气绝热指数 。 1 4 离心压缩机第 i 级绝热能量头 计算见式⑨ ③ j 式 中 J p ， ’ 一天然气视对比压力 ； _ 天然气m站 压力 ， MP a 。 8 天然气视临界温度计算见式④ ∑X Zj‘ R Ti j’ k j k j I 一 ] ⑨ 式中 ～第j 级压缩机绝热能量头 ， k J m ／ k g ； 一 第j 级压缩机的天然气压缩因子 。 1 5 离心压缩机第j 级轴功率计算见式⑩ ④Hp j P o S 6 H由 Q v j ／ 1 0 2 3 6 0 0 1／ 巧 ⑩ 式 中 ’ 一天然气视临界温度 ， K； 一 天然气各 组分临界温度 ， K 。 9 视对比温度计算见式⑤ T r o u ／ T 式 中 厂 第j 级压缩机 的轴功 率 ， k W； Q ，厂 第j 级压缩机天然气流量 ， m 标 ／ h ； 1 6 压缩机的轴功率计算见式⑩ ⑤ P ∑ 巧 式中 天然气出站温度 ， K。 1 0 天然气 的定压 比热容值根据计算 的基准压 力下 的定压 比热容 、 视对 比压力和视对 比温度值 。 1 1 天然气绝热指数计算见式⑥ k C Jp／ c ⑥ 2 0 1 0 6 期7 2月出版 式 中 _ 压缩机的轴功率 。 1 7 离心压缩机效率计算 见式 1 8 燃气轮机效率计算见式⑩ ⑩ ⑩ 锄 钨 3 6 0 0 y , Hp j 枷 。 ％ ⑩ 17 d H 叼厂 d／ 电 P d 动 机 1 0 0 ％ 电动机的输入功 式中 燃 气轮机的燃料消耗量 ， m ／ h 。 1 9 燃气轮机离心压缩机机组效率计算见式⑩ 7 7 I ，7 ‘ 7 7 7 ⑩ 4 离心压缩机第j 级效率计算同3 ． 1 ， 3 。 5 离心压缩机效率计算 同3 ． 1 ， 7 。 6 电动机离心压缩机机组效率， 7 d 计算见式⑩ ， 7 d I ， 7 d ’ ， 7 7_ ⑥ 2 0 燃气轮机离心压缩机机组系统效率卵 计算 见式⑩ 7 电动机离心压缩机机组系统效率 q x d l 计算见 式⑩ 叩 州 。 3 6 ，7 ∑ ， 式中 一辅机的耗电量 ， k W h 。 3 ． 2 燃气发动机往复式压缩机机组系统效率 计算方法同3 ． 1 。 3 _ 3 电动机离心压缩机机组系统效率 1 电动机负载率计算按照 G B ／ T 8 9 1 6 进行。 2 电动机离心压缩机轴功率计算见式嗵 P 式中 一 电动机离心压缩机轴功率 ， k W； 尸 牝一 电动机负载率 ， ％； 一 电动机额定功率 ， k W。 3 电动机的效率计算见式⑩ ⑩ 4 评价方法的分析 根据上面的方法 ， 以S Y ／ T 6 6 3 7 2 0 0 5 标准后面的 例题参数为例 ， 改变成分的比例 ， 对该压缩机效率进行 计算分析。例题的测试参数为 大气压力 9 4 ． 6 k P a ； 天 然 气 流 量 2 0 2 l 6 ． 5 m 标 ／ h ； 天 然 气 进 口温 度 1 9 ． 0 ； 天然气 出 口温度 9 7 ． 1 o C； 天然气进 口压力 一 1 ． 2 0 4 7 MP a ； 天然气 出口压力 2 ． 9 8 5 5 MP a ； 天然气组 分 甲烷 8 2 ． 8 5 ％， 乙烷 1 0 ． 5 7 ％， 丙烷 2 ． 9 4 ％， 异 丁烷 O ． 2 8 ％， 正丁烷 0 ． 1 2 ％， 氢气 3 ． 2 4 ％。根据这些参数 ， 计 算出效率为8 4 ． 5 4 ％， 在改变天然气的组分计算m其对 应的参数见表 l 。 表 l 改变天然气组分对应的参数 下转 4 1 页 一2 0 1 0 - ； ． 6 1 2 ； 峨 4 水轮机工艺指标 循环水给水温度 ≤3 0 ； 循环水给水压力 0 ． 4 5 ～ 0 ． 6 5 MP a ； 水轮机入 口压力 0 ． 0 5 ～ 0 ． 1 5 MP a 。 5 项目 实施进度 2 0 0 9 年4 月份 ， 可研报告批复 ； 2 0 0 9 年5 月份 ， 初步设计完成 ； 2 0 0 9 年9 月份 ， 施工图设计 ， 设备采购； 2 0 0 1 0 年4 月份 ， 施工完成； 2 0 1 0 年5 月份， 调试完成 。 6 改造后运行效果 6 ． 1 节能 相 比传统 的电动风机水轮机能达到 1 0 0 ％的技能 效 果 。 每年冷却塔风机按照运转 4 0 0 0 h计算 ， 则风机节 电量为 第一套循环水装置 1 台风机 1 6 0 k W x4 0 00 h 6 4x1 0 k W h 上接 3 6页 通过上面的数据表明 ， 当甲烷 的 含量越来越低 ， 压缩机的效率越来越大 ， 到最后 出 现 了异常 的数值 。当天然气 含有 3 0 ％的氢气 时 ， 视对 比温 度为 2 ． 5 8 2 ； 含有 3 0 ％的乙烷时 ， 压缩机 的效率基本达 到 l 0 0 ％。这些数据都 已经不符合 要求。表 明S Y ／ T 6 6 3 7 2 0 0 5 标准不能评价此时的 压缩机 的效率 ， 因此 ， S Y ／ T 6 6 3 7 2 0 0 5 标准来评价 天然气压缩机的效率至少有条件要求 ， 即甲烷 含 量范同， 由于条件 的限制 ， 甲烷的具体范同不能确 定 ， 需要 以后的进一步探讨。 目前 ， 除了空气压缩机有相应的标准以后 ， 其 他压缩机 如 氢气压缩机 、 制冷压缩机 、 乙烷压缩 机等 效率评价都是参照 S Y ／ T 6 6 3 7 2 0 0 5 标准 ， 同 时也包含天然气的甲烷含量低的压缩机。这些情 况使用 s Y 厂 r 6 6 3 7 2 0 0 5 标准来对压缩 J L fl 9 效率进 行计算时 ， 基本上都会出现异常数据 或者超 } H 图 2 0 7 D 年 茅 6 期7 2 月 出 版 ■ 第二套循环水装置2台风机 1 3 2 k W x 40 0 0 h x2 l 0 5． 6l 0 kW h 全年节电 6 4 x1 0 k W h 1 0 5． 6 x1 0 k W h 1 69 ． 6 xl 0 4 k W h 6 ． 2节约检修费用 传统的电动风机每 年要对 电动机 、 传动轴 、 减速 箱进行巾修和大修 ， 而水轮机 只需定期检查和添加润 滑油即可 ， 相 比之下减少了检修费用。 7 存在问题及结论 水轮机转速没有电动风机 高。传统 的电动风机 额定转 速 1 4 9 r ／ m i n ， 目前全 厂水轮机 转速 只能 达到 l 3 8 r ／ mi n。 由于水轮机旁路设 置了蝶 阀 ， 阀门关闭不严 ， 存 有漏量 ， 因此有一部分水没有通过水轮机做功直接进 入了布水管。 陔项 目改造后 ， 运行平稳 ， 可为具有 同类装置的 单位提供借鉴。 收稿 日期 2 0l 0 一1 0 2 0 编辑杜丽华 表范同， 从而就无法正确进 行评价分析 。 5 结论 通过分析， S Y ／T 6 6 3 7 2 0 0 5 输气管道系统能 耗测试和计算方法 不能评价压缩介质为氢气 、 甲 烷 含量低的天然气等压缩机 ． 只可能适合 含量 甲 烷高的天然气 ， 至于对高含量的天然气压缩机效 率 的评价是否准确 ， 以及适 合的范闻确定需要进 一 步研究和讨论 。今后将结合各种气的焓值表进 一 步对S Y ／ T 6 6 3 7 2 o o 5 输气管道系统能耗测试和 计算方法 适 应的准确 IL -- 判 断和适应范 围进行研 究和讨论 ， 以找 合适的方法 ， 准确的计算出油田 内部 的各种压缩机的效率 ， 满足油 田节能工作 的 需要 。 收稿 日期 2 0 l 0 1 0 0 5 编辑马长仁