往复式压缩机节能降耗技术分析

时间：2024-07-28

王玮刘洋孙文忠

（中国石油大港油田天然气公司处理站，天津 300280）

往复式压缩机节能降耗技术分析

王玮刘洋孙文忠

（中国石油大港油田天然气公司处理站，天津 300280）

针对如何最大限度地降低往复式压缩机的能耗问题，通过建立往复式压缩机的指示功量及功率理论公式，得出压缩机的气缸尺寸和转速一定时，压力比、压力损失和气体性质是影响压缩机功率的主要因素，并通过压缩机性能模拟计算软件，分别对天然气气体性质中的绝热指数、气体比重、压缩系数和工作参数中的进气温度、进气和排气压力等因素对压缩机功率的影响作了分析，得出了气体比重增加、绝热指数减小会使压缩机的排气量和功率下降以及工作参数中影响压缩机功率的主要因素是入口压力与压缩比的结论，并根据结论制定出了诸如改善压缩机的运行条件、合理布置管道、选用导热系数高且便于清洗的冷却器、定期清理机组空冷器等往复式压缩机日常生产运行中的节能降耗措施。

往复式压缩机压缩机功率气体性质进气温度进气压力

0 引言

往复式压缩机近年来在我国的天然气长输管道输送、天然气处理、气井注采过程中的应用越来越广泛，也是天然气生产中的主要能耗设备。如何最大限度地降低往复式压缩机的能耗是管理技术人员面临的难题，为此笔者针对往复式压缩机的节能降耗技术问题进行研究和分析。

1 压缩机指示功率的计算公式

往复式压缩机的指示功量是压缩机气缸在工作循环中压缩气体所消耗的总功量，用Li表示；单位时间内消耗的指示功量称为指示功率，用Ni表示。

实际压缩过程的指示功量计算公式为：

指示功率计算公式为：

式中，ps为气缸吸气压力，kgf／cm2；pd为气缸排气压力，kgf／cm2；Vh为气缸行程容积，m3；λV为容积系数，表示气缸工作容积利用率降低的程度；k为气体绝热指数；ε为压力比，为气缸排气压力与吸气压力的比值；σ为相对压力损失，%；n为压缩机转速，r／min。

由往复式压缩机的指示功率计算公式得出，当压缩机的气缸尺寸和转速一定时，影响压缩机指示功率的主要因素是压力比、压力损失和气体性质。

2 气体性质对压缩机功率的影响分析

对于1台在生产现场使用的压缩机，压缩机的气缸尺寸和活塞行程、转速等指标已经确定，可以通过分析压缩气体的物理性质对压缩机功率的影响来制定合理的节能措施。

为了研究气体组分对压缩机功率和其他参数的影响，选取了3种气体的组分，见表1。

表1 压缩机进气气体的组分表

假设压缩机的气缸数量为6个，直径为229 mm，活塞行程为152.4mm，入口压力为1.0MPa，出口压力为2.5MPa，气缸入口的阻力降固定不变，压缩机的进气温度为47℃，通过计算机模拟计算得出的结果见表2。2.1 绝热指数的影响

表2 不同组分的气体对压缩机性能参数的影响表

由表2计算结果看出随着气体中重组分的增加，气体的摩尔质量和气体比重都增加，但是绝热指数降低，压缩机的排气量和功率都下降。

往复式压缩机容积系数的计算公式为：

式中，α为相对余隙容积，即余隙空间容积与气缸总容积的比值；m为膨胀过程指数。

根据公式（3）得出，在相同的气缸余隙容积下，气体的绝热指数增加后，压缩机的容积系数会有所增加，排气量也会增加。

往复式压缩机的排气温度计算公式为：

式中，Td为排气温度，℃；Ts为进气温度，℃。当压缩机的压力比ε不变时，气体的绝热指数变大，压缩机的排气温度将会升高。

2.2 气体比重的影响

由表2看出，3种气体的比重不一样，随着气体中重组分的增加，气体的比重增加，比重大的气体经过管道和气阀的压降较大，使得气缸内的实际压力比变大，因此压缩机的指示功率变小，指示效率变低，压缩系数变小，故排气量有所下降。而气体比重变小时，指示功率变大，排气量增加［1-2］。

2.3 导热系数及压缩系数的影响

气体的导热性影响压缩机工作循环中的热交换情况，导热系数大的气体在压缩机吸气、排气过程中易被加热，因此排气量降低。由表2看出，不同组分的气体，气体的压缩系数不同，组分轻的气体压缩系数较大，在同样的气缸直径和进排气压力下，压缩系数大的气体消耗压缩机功率大，排气量也大。

3 工作参数对压缩机性能的影响分析

3.1 进气温度的影响

假设压缩机共有6个气缸，直径为229mm，活塞行程为152.4mm，入口压力为1.0MPa，出口压力为2.5MPa，气缸入口的阻力降固定不变，通过计算模拟压缩机的进气温度对压缩机的排气量和功率的影响，结果见图1。

图1 进气温度对压缩机排气量和功率的影响示意图

由图1看出，当压缩机的进出口压力保持不变的情况下，随着进气温度的升高，压缩机的功率和排气量都呈现下降的趋势。进气温度每升高1℃，压缩机的功率就下降0.25kW，约占压缩机功率的0.019%；排气量减少3000m3／d，约占压缩机排气量的0.3%。这是由于随着气体温度的升高，体积膨胀，气体密度减小，气缸吸入气体的实际质量相对减少的缘故。

3.2 排气压力的影响

在压缩机的入口压力保持不变的情况下，压缩机的排气压力升高，压缩机的压力比ε增大，根据式（1）和式（2）可知，压缩机的指示功量和指示功率都将增大。通过压缩机性能软件的计算，模拟气缸直径为229mm，活塞行程为152.4mm，入口压力为1.0MPa不变，出口压力从2.5MPa升高到3.1MPa时，压缩机排气量和功率的变化情况见图2。

图2 排气压力对压缩机排气量和功率的影响示意图

由图2看出，随着出口压力的升高，压缩机的功率增大，排气量减小，排气压力每升高0.1MPa，压缩机的功率就增加1.3%～3.5%；结果还表明，当入口压力为1.0MPa时，出口压力由2.5MPa增加到2.6 MPa时，压缩机的功率增加3.5%，当出口压力由3.8 MPa增加到3.9MPa时，压缩机的功率仅增加了1.4%。说明随着压缩比的逐渐提高，压缩机功率增加的幅度逐渐减缓。

3.3 进气压力的影响

假设压缩机共有4个气缸，直径为317.5mm，活塞行程为152.4mm，出口压力为3.0MPa固定不变，压缩机为一级压缩。通过使用压缩机性能计算软件模拟压缩机的进气压力的变化对压缩机的排气量和功率的影响；又假设压缩机采用三级压缩模式，压缩机的出口压力为3.0MPa固定不变，入口压力在0.02～0.07MPa变化时，使用压缩机性能计算软件计算得出压缩机组入口压力对机组的功率和排气量影响情况。

单级压缩和多级压缩情况下，压缩机进气压力对机组排气量和功率影响的结果见图3。

由图3看出，对于单级压缩来说，当压缩机的出口压力固定不变时，随着压缩机入口压力的升高，压缩机的排气量逐渐增大；压缩机入口压力从1.0 MPa升至1.4MPa时，随着进气压力的不断升高，压缩机的功率逐渐增大，而进气压力从1.4MPa升至2.5MPa时，随着进气压力的升高，压缩机的功率反而逐渐降低。压缩机采用多级压缩时，当压缩机的出口压力固定不变时，随着压缩机进气压力的升高，压缩机的排气量和功率都逐渐增大。

根据压缩机指示功率的计算公式（2），对压缩机功率的影响，取决于压缩机排气量和ε两个因素中谁是主要因素。当ε大于1.1时，由于吸气压力降低，造成压缩机排量降低所减少的功率超过了ε上升所增加的功率。因此，随着入口压力的降低，压缩机的功率也降低［3］。当压缩机的ε小于1.1时，由于吸气压力降低，造成压缩机排量降低所减少的功率低于ε上升所增加的功率。因此，随着入口压力的降低，压缩机的功率增加；随着入口压力的升高，压缩机的功率降低［4］。

图3 单级和多级压缩机的进气压力对压缩机排气量和功率的影响示意图