燃氣式往復壓縮機組節能降耗技術研究

林仕文　趙靚　胡金燕　王堯　杜德飛　何力（中國石油西南油氣田分公司安全環保與技術監督研究院）

?

燃氣式往復壓縮機組節能降耗技術研究

林仕文趙靚胡金燕王堯杜德飛何力（中國石油西南油氣田分公司安全環保與技術監督研究院）

摘要：燃氣式往復壓縮機組是天然氣增壓開采和增壓集輸的主要工藝設備，其能耗巨大，運行效率低下。結合氣田開采實際，提出4大增壓機組節能提效技術：加強機組冷卻、減小流動損失以減小壓縮機功率損失；調整壓縮機組負荷、優化增壓工況以增強機組適應性；優化點火提前角、降低發動機熱損失以提高發動機效率；優化消聲器、潤滑系統從而減少輔助系統損失。這些技術的運用能顯著提高壓縮機效率，減少氣田開發成本，達到節能減排效果。

關鍵詞：往復壓縮機；天然氣發動機；壓縮機效率；負荷率

壓縮機及與之配套的原動機系統稱為壓縮機組，氣田開發中、后期，通常采用增壓開采和增壓集輸工藝，天然氣壓縮機組因此得到廣泛應用。西南油氣田已建成用于天然氣增壓集輸或氣舉的增壓站100多座，有各類壓縮機組300余臺，絕大多數是燃氣式往復壓縮機，但其能耗巨大，運行效率低下。據統計數據顯示，西南油氣田增壓站能耗占其總能耗的17.19%，燃氣增壓機組平均效率僅為25%[1]。隨著能源供應日益緊張，節能降耗、提高能源利用率越來越引起人們的重視。本文在減少壓縮機功率損失、增強機組適應性、提高發動機效率、減少輔助系統損失等4個方面進行了增壓機組節能提效技術的研究。

1　減少壓縮機功率損失

壓縮機功率損失主要包含中間冷卻器回冷不完善、密封不嚴和預熱、氣體流動、壓縮和膨脹過程偏離等溫線的損失[2]。加強壓縮機組冷卻能減少中間冷卻器回冷不完善損失和壓縮、膨脹過程偏離等溫線的損失，減小進排氣閥和氣流脈動損失能減少氣體流動損失，這些能相當程度上提高壓縮機的效率。

1.1加強機組冷卻，降低壓縮過程指數和進氣溫度

由壓縮機原理可知，壓縮氣體耗功與壓縮過程指數有關，等溫壓縮最省功（圖1）。降低壓縮過程指數可節省壓縮機指示功率，為此，應強化氣缸換熱，改善換熱條件，減少由污染造成氣體較大的回冷不完善度，如降低冷卻水入口溫度，提高冷卻水流量，清除冷卻器管束沉積物，采用水處理藥劑軟化冷卻水等。安陽某鋼鐵集團公司通過采用并聯冷卻管路代替原設計的串并混聯冷卻結構方式，并且擴大了冷卻水進水管徑，降低冷卻水入口溫度，使壓縮機2級排氣溫度由160℃降至130℃，避免機組停車現象[3]。

圖1　不同壓縮過程指示功示意圖

單級壓縮時，隨著壓比提高，壓縮過程越來越偏離等溫壓縮，因此宜采用多級壓縮機。多級壓縮能省功，主要是有中間冷卻。根據理論分析，溫度每增加3度，下1級的耗功約增加1%；因此，提高各級冷卻器的冷卻效果直接影響耗功和排氣溫度。運行中調整適當的冷卻水流量及控制冷卻水溫度，使其有較好的冷卻效果，能達到省功的目的。梁政等[4]對L-12/5-250型壓縮機第2、4級級間回氣管上加裝冷卻器后，在0.35、0.38、0.40 MPa 3種進氣壓力下取得的對應節能比分別為3.87%、4.0%、3.96%，具有良好的節能效果。

1.2減小進排氣閥、氣流脈動等損失

氣閥是壓縮機重要核心部件，但同時也是最容易損壞的零件。根據對某集氣站壓縮機無計劃停機的統計表明，氣閥故障導致壓縮機停機占了30%[5]。天然氣壓縮機過去常用金屬閥片，由于壓縮機氣質含一定量的水、H2S、脫硫劑、雜質等，容易導致金屬閥片斷裂，進而對氣缸造成損害。相比金屬閥片，PEEK閥耐高溫、腐蝕，密封性好，抗沖擊，即使掉入氣缸也不會有太大損害。蜀南氣礦某井ZTY265型壓縮機原是金屬閥，平均每15 d就出現故障，換成PEEK閥后平均2個月才檢修1次，檢修期間產氣量加上人工費、材料費共計節約13.36萬元/a。

管道中的壓力脈動會增加功率損失，尤其是當發生共振時，情況更惡化，排氣管中脈動氣流消耗的功率占總功率的40%；因此，應避免進、排氣管路產生氣柱共振，盡量減小管路中壓力脈動的幅值，通過設置較大閥腔、靠近氣缸處安裝緩沖器、合理安排各級氣缸間的相互位置等方式來解決。塔里木油田輪南天然氣站的壓縮機組氣流脈動嚴重，管線振動劇烈，降低了壓縮機效率，嚴重影響了壓縮機的可靠運行；通過加粗管徑、增加孔板、加強原有支撐等方式使振幅從1800 μm降至180 μm，保證了機組安全的同時也使機組的效率得以提高[6]。

2　增加壓縮機組適應性

壓縮機核算標準按初期最大量為準，因此，隨著各氣田陸續進入中后期開發，氣量和壓力都逐年降低，壓縮機組的運行工況逐漸偏離設計工況。壓縮機組進氣壓力低于設計最低進氣壓力值時，容易導致壓縮機的停機；氣量的大幅下降導致壓縮機的負荷降低，單臺機組的燃料氣消耗大幅度增加。

2.1調整壓縮機組負荷

據節能監測結果顯示，燃氣發動機壓縮機組的運行負荷普遍較低，平均值僅為57.04%。由發動機原理可知，負荷加大時，進入氣缸的混合氣量增多，燃燒壓力升高，同時殘余廢氣相對量減少，燃燒充分，燃料消耗量減少，發動機效率提高。因此，為促進壓縮機組節能經濟運行，應優先考慮提高壓縮機組的負荷率，可從改變壓縮缸缸徑、改變壓縮缸單雙作用和調整余隙尺寸等方式進行。

2.1.1改變缸徑

氣田開采后期，氣量大幅減少，可以將增壓機原有小氣缸換成大氣缸，放大缸徑，增加排氣量，提高壓縮機負荷，使壓縮機在接近額定功率的條件下運轉，以充分發揮其生產能力。對于雙缸并聯壓縮的壓縮機，可先換1個缸，運行數年再換另1個缸，可以使壓縮機在較高負荷下運行更長時間。

例如，某氣田8#井增壓站原設備在50%～70%功率內運行，這不僅使設備的機械磨損加大，同時增加維修保養費用，而且使機組的燃料氣消耗也大幅度增加。實施了壓縮機改缸技術試驗改造，將ZTY265-7.5 in×7.5 in增壓機的壓縮缸體改為9.5 in×9.5 in（圖2），燃料氣單耗節約150 m3，年節能成本約27.71萬元[7]。

圖2　壓縮機改缸前后對比

2.1.2改變壓縮缸單雙作用和余隙尺寸

當壓縮機處理氣量低、負荷小時，可將壓縮機單作用改為雙作用，加大處理氣量，提高機組效率。天然氣壓縮機在1級缸頭往往配置有余隙缸，通過改變余隙活塞的位置改變余隙容積。對于新安裝的壓縮機，由于其進口壓力尚處在較高值，往往余隙調在較大值；當進口壓力隨著時間遞減時，余隙應調至小值，以平衡進口壓力減少所引起的功率下降，使壓縮機不至于在低功率的負荷下運轉，達到保持較大排氣量的目的。

2.2優化增壓工況

隨著進氣壓力持續下降，機組壓比過大，增壓機組排氣溫度急劇升高，導致了功耗增加、運動部件磨損加劇、潤滑油用量加大、頻繁停機等問題，增加了機組運行、維護成本。如重慶氣礦的某氣田，機組壓比由增壓初的1.4 MPa增大到目前的8.7 MPa，機組壓比不斷升高。據統計，僅重慶氣礦，其極限進氣壓力與進氣壓力差在0.5 MPa之間的增壓氣田數量約占整個全氣礦增壓氣田的60%[8]。由壓縮機原理可知，實行多級壓縮可以節省氣體指示功，降低排氣溫度，提高容積系數，降低活塞力[9]。為此，氣田壓力下降、壓縮機進氣壓力低導致高壓縮比時應采用多級壓縮，可通過站內壓縮機組改造和增壓站間2次增壓改造2種方式來實現。

2.2.1站內壓縮機組改造

宋敏[10]提出“并聯小氣缸”來解決壓縮機組適應性的問題，即通過并聯多個小氣缸增大進氣量以適應氣田前期壓力高、排量大工況，串聯小氣缸以滿足氣田后期低進氣壓、排量小要求。在增壓前期，所有可串可并的2級缸設定在并聯狀態滿負荷大排量工作；后期在某個時機，排量變小，壓比增加后調整為級間串聯，以適應進口（井口）壓力持續下降的情況。這樣的方案不僅能消除冗余、大幅降低設備費用，同時也能進一步降低氣井廢棄壓力。例如重慶氣礦龍門增壓站，機組由1級壓縮改為2級壓縮后，處理氣量由原來的110×104m3/d提高至目前的116×104m3/d，實現龍門氣田日增產氣量6.0×104m3。

2.2.2增壓站間2次增壓

對集輸管網進行適當改造，利用增壓站間進行跨站增壓，也適用于更低進氣壓力的增壓運行。目前，重慶氣礦已經開展了張家場、福成寨和西河氣田適應性論證。改造后，可停運2個脫水站，新增1個增壓站，其處理能力為8×104m3/d；新增富余機組2臺，極限進氣壓力可降低至0.3 MPa。

3　提高發動機效率

氣田壓縮機組驅動機以燃氣發動機為絕對主體，占總數的95.05%。燃氣發動機具有結構緊湊、動力平衡好等優點，但效率低下，通過降低發動機熱損失，改變點火提前角能有效提高其效率。

3.1優化點火提前角

發動機點火提前角對燃燒過程的有效性和發動機的工作有很大的影響。點火提前角過小，散熱損失增大，最高燃燒壓力降低，導致發動機過熱，功率下降，耗氣量增加；點火提前角過大，壓縮過程將消耗較多的能量，最高燃燒壓力較高，可能出現爆燃和運轉不平穩現象，同樣導致發動機過熱、功率下降。只有選擇最適當的點火提前角，才能保證燃燒及時，發動機功率最大，熱能利用最好。

重慶氣礦根據壓縮機廠家提供的最佳點火提前角參數（7°～11°），對旗下4個場站的整體式燃氣壓縮機組進行了點火提前角調節的現場試驗，發現隨著點火提前角的增大（7°到11°，或9°到11°），燃料氣消耗率下降，試驗條件下降幅最大為4.9%[11]。該技術無需改造費用，經濟效益和節能效益十分明顯。

3.2降低發動機熱損失

壓縮機動力缸、壓縮缸通過夾套冷卻水進行冷卻。動力缸水溫過高將導致發動機功率下降，水溫過低將導致氣缸內溫度下降，燃燒速度減慢，潤滑油變稠，增加摩擦功率，發動機有效功率下降；因此，發動機工作時，必須保持一定的冷卻水溫度。重慶氣礦對整體式燃氣壓縮機組進行了冷卻水調溫試驗，發現通過調節冷卻水溫度，壓縮機組的燃料氣消耗率降低，最大降幅為4%。研究表明，隨著冷卻水溫度的升高，壓縮機組燃料氣消耗率逐漸降低，到達極值點后，隨之上升。馮丞科等人[11]的試驗證明，該極值點在68~72℃的范圍內。因此，可通過節溫器或調節動力缸及壓縮缸進水管的截止閥來控制冷卻水量，使冷卻水溫度控制在最佳狀態，降低發動機熱損失。

4　減少輔助系統損失

壓縮機組運行中，消聲器及連接管道帶來的壓力損失和潤滑油損失都較大，減小輔助系統的壓力損失、潤滑油損耗也是提高系統效率的重要方面。

4.1減少消聲器壓力損失

在天然氣壓縮機發動機煙氣排放口，安裝有消聲器，目前在用的主要有工業型、寬頻型和降噪型3種，國內整體式壓縮機組配套以工業型為主。消聲器的安裝會影響排氣背壓進而對燃料消耗有直接影響。2009年，西南油氣田和成都天然氣壓縮機廠共同開展了整體式燃氣壓縮機組消聲器對燃氣發動機能耗影響的專項課題研究。在某作業區某井同1臺壓縮機上對5家不同消聲器進行測試，并根據燃料氣消耗和噪聲等級等參數的測量對消聲器作出科學評價，優選出一部分廠家的新型寬頻消聲器，降低成本的同時也有利于機組節能降耗。按照ZTY265機組每年運行330 d計算，相比原降噪型消聲器，新型寬頻消聲器每年可節約燃料氣1.1×104m3。

4.2減少潤滑系統耗損

壓縮機的各摩擦面都需要潤滑，潤滑油既有減少磨損功效，又有冷卻、密封、清洗、防銹等作用。壓縮機組主要有飛濺、壓力和噴霧潤滑3種。通過對西南油氣田各增壓機組現場調研發現，潤滑油使用量相差巨大，單機消耗最高達0.872 2 L/h，最低為0.291 L/h，且普遍存在注油量把握不準，換

油時間不確定等問題。對此，馮丞科等[12]提出動力根據機組負荷來調整注油量，壓縮機依據缸徑大小來調節，曲軸箱換油時間應根據油品檢測結果調整；調整后，整體式壓縮機潤滑油下降8.7% ~ 10.3%，年節省潤滑油35.44 L。

5　結束語

增壓系統的能耗涉及到系統內的各個環節，節能技術也多種多樣。實踐證明，通過提出減小壓縮機功率損失，增強機組適應性，提高發動機效率和減少輔助系統損失等方式是推動增壓機組節能工作的重要途徑。在選擇增壓機組節能提效技術方案時，應結合氣田開發實際、機組現有條件和場站管理水平等因素進行綜合評估。

參考文獻：

[1]張德元，熊鋼，戴忠，等.氣田內部集輸系統能耗及節能技術[J].天然氣技術，2010，4（3）：64-66.

[2]劉建臣.集成式壓縮機及其在天然氣管道的應用[J].油氣儲運，2011，30（10）：721-724.

[3]王慶豐，李國安，郭振.關于往復壓縮機節能途徑的探討[J].節能技術，2006，23（6）：562-569.

[4]梁政，李雙雙，田家林，等. CNG壓縮機節能技術與試驗分析[J].天然氣工業，2013，33（2）：95-98.

[5]趙濤，陳龍，李文鵬，等.蘇里格氣田天然氣壓縮機氣閥故障及判斷方法[J].天然氣技術經濟，2011，5（30）：44-46.

[6]李永東，張文波，王相飛，等.往復壓縮機管道振動分析與控制[J].壓縮機技術，2012，233（3）：16-19.

[7]丁林何，躍曾金，江喬川.壓縮機改缸節能技術分析[J].石油石化節能，2013，3（4）：35-37.

[8]謝強，馮小波，肖啟強.重慶氣礦增壓工藝現狀及分析[J].天然氣與石油，2009，27（10）：16-20.

[9]孫嗣瑩.活塞式壓縮機原理[M].北京：機械工業出版社，1987：80-81.

[10]宋敏.天然氣壓縮機組配置優化設計[J].天然氣工業，2008，28（1）：122-124.

[11]馮丞科，張波，謝凌，等.整體式燃氣壓縮機燃料氣有效利用的節能研究[J].石油化工節能，2012，12（1）：1-3.

[12]馮丞科，謝凌，徐立，等.重慶氣礦增壓技術發展與應用[J].天然氣工業，2012，32（1）：1-4.

（編輯王艷）

收稿日期2015-09-19

作者簡介：第一林仕文，工程師，2014年畢業于西安交通大學（動力工程專業），從事節能評估、節能監測以及節能節水新技術、新工藝方面的工作，E-mail：linshiwen@petrochina.com.cn，地址：四川省成都市高新區天府大道北段12號中國石油西南油氣田科技大廈1513室，610041。

DOI:10.3969/j.issn.2095-1493.2016.02.001