來源：天然氣（煤層氣）與管道網(wǎng)
轉(zhuǎn)載武漢市燃?xì)鉄崃σ?guī)劃設(shè)計院

1 概述

隨著全球石油資源的日趨短缺以及對環(huán)保節(jié)能的新要求，天然氣在車用能源上的優(yōu)勢日顯突出。我國在20世紀(jì)80年代后期，由四川石油管理局引進(jìn)第一臺成套天然氣加氣和車輛改裝設(shè)備。截至2006年，我國已經(jīng)建成了不同類型的天然氣加氣站(CNG站)逾700座，擁有天然氣汽車逾30×104輛。隨著陜一京線、西氣東輸、忠武線等大型輸氣管道的陸續(xù)投入運(yùn)行，我國的CNG汽車加氣站的發(fā)展將迎來新的機(jī)遇。筆者在平時的設(shè)計工作中，接觸的進(jìn)口的壓縮機(jī)品牌分別有美國Ariel、加拿大IMW、意大利Safe、意大利Fornovo Gas，國產(chǎn)的壓縮機(jī)品牌分別有自貢通達(dá)、重壓、四川金星、安瑞科等。

天然氣壓縮機(jī)作為CNG加氣站最主要的核心設(shè)備，其采用的技術(shù)與很多基礎(chǔ)機(jī)械工業(yè)相關(guān)。無論是設(shè)計理念、材質(zhì)、熱處理技術(shù)、加工精度都必須要達(dá)到很高的水平，以壓縮機(jī)的連桿為例，不僅要考慮到它的負(fù)載特征，還要對其運(yùn)行的溫度作嚴(yán)格的限制。因此，在確定氣體組成、進(jìn)氣壓力、排氣壓力等重要參數(shù)后，還必須使用專用設(shè)計軟件對壓縮機(jī)的各項參數(shù)進(jìn)行計算，在合理的溫度條件、合理的連桿負(fù)載下核實(shí)其負(fù)載能力。在這方面我國壓縮機(jī)制造水平與國際先進(jìn)水平相比，特別是與國外大型壓縮機(jī)公司相比，還有很多可學(xué)之處。

國內(nèi)使用的天然氣壓縮機(jī)在氣缸布局上是以W型、V型、D型、L型為主，排氣量為300～1500m3/h，也有排氣量在1500m3/h以上的機(jī)型，冷卻方式為水冷或混冷(壓縮天然氣采用風(fēng)冷，氣缸與潤滑油采用閉式循環(huán)水冷)。國外天然氣設(shè)備成橇商陸續(xù)進(jìn)入中國，也給國內(nèi)帶來了先進(jìn)的壓縮機(jī)技術(shù)，壓縮機(jī)大排氣量、小體積、少油潤滑、全自動運(yùn)行、風(fēng)冷技術(shù)等都反映了當(dāng)今的國際先進(jìn)水平。隨后國產(chǎn)壓縮機(jī)也不斷地學(xué)習(xí)和開發(fā)研究，部分產(chǎn)品已經(jīng)開始推廣使用，但其技術(shù)水平與國外先進(jìn)水平仍然有一定的差距。

2 壓縮機(jī)選擇的評估標(biāo)準(zhǔn)

2.1 制造標(biāo)準(zhǔn)

在各國的制造標(biāo)準(zhǔn)中，設(shè)立最早并且最為完善的是美國石油協(xié)會API 618《石油、化工和氣體工業(yè)往復(fù)式壓縮機(jī)》標(biāo)準(zhǔn)，其標(biāo)準(zhǔn)號為API 618—2008。相對于其他制造標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)對制造商的設(shè)備性能提出了很多的約束條件，以保證用戶使用設(shè)備的安全性和穩(wěn)定性。

2.2 適用性

設(shè)計應(yīng)與應(yīng)用條件一致，系統(tǒng)才能高效率運(yùn)行。

① 設(shè)計的吸氣壓力、排氣壓力、氣體流量應(yīng)滿足需要，確保加氣量和加氣速度滿足用戶需要。

② 系統(tǒng)各部分的性能應(yīng)匹配，特別是壓縮機(jī)、電機(jī)、冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、過濾回收系統(tǒng)之間的性能應(yīng)匹配。

③ 系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)滿足實(shí)際運(yùn)行環(huán)境，特別是冷卻系統(tǒng)。目前壓縮機(jī)風(fēng)冷技術(shù)是國際發(fā)展趨勢。

2.3 可靠性

系統(tǒng)和各元件的質(zhì)量可靠，減少維護(hù)費(fèi)用和停機(jī)檢修時間。這一點(diǎn)往往容易被用戶忽略。質(zhì)量一流的部件是創(chuàng)造系統(tǒng)高可靠性的重要保證，這包括：

① 壓縮機(jī)，其中包括缸體、連桿、活塞和氣閥等。

② 用于驅(qū)動壓縮機(jī)和冷卻風(fēng)扇的電機(jī)。

③ 儀器、儀表、手動或自動閥門、調(diào)壓閥、安全閥、各種壓力和溫度傳感器及開關(guān)等。

④ 穩(wěn)定高效的控制系統(tǒng)。

⑤ 易損件，其壽命應(yīng)保證長時間運(yùn)行，少油潤滑壓縮機(jī)應(yīng)保證8000h。

2.4 安全性

系統(tǒng)的安全性由壓縮機(jī)每個元件所設(shè)立的安全措施來進(jìn)行保障。它包括：

① 系統(tǒng)的泄壓閥。

② 系統(tǒng)入口的自動切斷閥。

③ 系統(tǒng)壓力容器和主要管道要設(shè)立安全閥。

④ 壓縮機(jī)的各級之間和出口應(yīng)有溫度和壓力傳感器。

⑤ 壓縮機(jī)應(yīng)裝有振動保護(hù)開關(guān)。

⑥ 電機(jī)應(yīng)裝有過流過載保護(hù)裝置。

⑦ 系統(tǒng)中的電氣設(shè)備必須滿足防爆要求。

2.5 經(jīng)濟(jì)性

系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性可以通過以下的指標(biāo)進(jìn)行衡量：

① 系統(tǒng)的能耗指標(biāo)，特別是壓縮機(jī)組主電機(jī)的能耗，這是加氣站的主要運(yùn)行成本。我們在壓縮機(jī)選型時，通常的做法是在同樣的入口壓力條件下，對不同型號壓縮機(jī)的單位能耗進(jìn)行對比，在這個過程中通常進(jìn)口設(shè)備有較大的優(yōu)勢。

② 冷卻方式也對設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性有較大的影響。現(xiàn)在公認(rèn)風(fēng)冷是CNG壓縮機(jī)發(fā)展的方向。一般風(fēng)冷卻器的制造費(fèi)用是水冷卻器制造費(fèi)用的1.5倍。而在壽命期內(nèi)，水冷卻器的維護(hù)費(fèi)用是風(fēng)冷卻器的幾倍甚至更多，還要建水處理裝置等，而且對銹蝕和水垢的處理仍然無法徹底解決。

③ 易損件的使用壽命決定了壓縮機(jī)無故障運(yùn)行的時間。如果易損件壽命短，將會增加設(shè)備的停機(jī)維護(hù)時間、人員的工作量、零件的采購費(fèi)用，從而增加運(yùn)行成本。

3 CNG壓縮機(jī)選型的技術(shù)要點(diǎn)

3.1 壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)型式

天然氣壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)型式多為w型、L型，曲軸為常曲拐設(shè)計，導(dǎo)致往復(fù)運(yùn)動部件——活塞、活塞環(huán)、活塞桿、填料、十字頭均易產(chǎn)生偏磨，造成壓縮氣體泄漏、氣體含油量增加。由于其體積流量和功率等級很難達(dá)到大型要求，角度式天然氣壓縮機(jī)以中小型為主，在實(shí)際運(yùn)用中排氣量多在3000m3/h以下。

隨著越來越多的國內(nèi)用戶引進(jìn)國外的天然氣壓縮機(jī)，我們選用了更為先進(jìn)的水平對稱式壓縮機(jī)。該機(jī)型氣缸為水平對稱平衡式結(jié)構(gòu)，曲軸互成180°，使得慣性力、慣性力矩均平衡，而且切向力十分均勻，因此，振動非常小，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，運(yùn)行噪聲低。相對于角度式天然氣壓縮機(jī)，對稱平衡式壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速更高，活塞環(huán)、填料的工作條件較好，現(xiàn)在是國內(nèi)大排氣量天然氣加氣母站和標(biāo)準(zhǔn)站用天然氣壓縮機(jī)的主導(dǎo)結(jié)構(gòu)型式。

3.2 潤滑方式

選擇有油潤滑還是無油潤滑壓縮機(jī)，一直困擾著許多的用戶。從目前國內(nèi)對國產(chǎn)和進(jìn)口壓縮機(jī)的使用情況來看，少油潤滑壓縮機(jī)是天然氣壓縮機(jī)的發(fā)展趨勢。這是因為少油潤滑壓縮機(jī)在運(yùn)行過程中潤滑油參與氣缸和填料函的動作，保證了壓縮機(jī)在高轉(zhuǎn)速(1500r/min)下易損件的壽命，且潤滑油也參與了氣缸的密封、清潔和降溫。如進(jìn)口少油潤滑壓縮機(jī)的易損件壽命都達(dá)到8000h以上，甚至能達(dá)到16000h。

大部分的無油潤滑壓縮機(jī)由于需要考慮氣缸的磨損以及摩擦熱的問題，只能保證壓縮機(jī)在低轉(zhuǎn)速(1000r/min)下運(yùn)行，即使這樣還是不能保證易損件的壽命。通常無油潤滑壓縮機(jī)的易損件壽命為4000h，有些國產(chǎn)壓縮機(jī)的易損件壽命只能達(dá)到2000h甚至更低，而且在填料函和活塞環(huán)過早損壞后，曲軸箱潤滑油也進(jìn)入氣缸，導(dǎo)致氣體含油量增大。

3.3 氣流脈動和振動

這是很多用戶在選擇壓縮機(jī)時容易忽視的問題之一。氣流脈動也是往復(fù)式壓縮機(jī)都必須解決的一個問題，過大的氣流脈動會引起壓縮機(jī)的振動，對整個橇體內(nèi)的元件造成損傷。API 618《石油、化工和氣體工業(yè)往復(fù)式壓縮機(jī)》第3.9條對氣流脈動和振動的消除作了明確的規(guī)定，用戶在采購壓縮機(jī)時可以要求制造商提供脈動分析報告，并且要明確氣流脈動裝置的設(shè)置。

3.4 冷卻方式

筆者通過對國內(nèi)外多款壓縮機(jī)的實(shí)際運(yùn)行狀況的分析認(rèn)為，要消除水冷壓縮機(jī)的固有弊病，較好的辦法是選擇全風(fēng)冷壓縮機(jī)。有的企業(yè)認(rèn)為，水冷或混冷的壓縮機(jī)冷卻效果要優(yōu)于風(fēng)冷。這種看法是不全面的。CNG壓縮機(jī)在國外已經(jīng)有逾70年的歷史，從最初的水冷、風(fēng)冷兩種冷卻方式并存，演化到現(xiàn)今以風(fēng)冷為主流。這說明：①國外成熟壓縮機(jī)技術(shù)更傾向采用風(fēng)冷，由于很好地控制了壓縮機(jī)各級的壓縮比，并不存在排氣溫度過高的問題。②國內(nèi)由于CNG壓縮機(jī)領(lǐng)域的技術(shù)相對滯后，在宣傳中夸大水冷機(jī)組的表面好處，卻回避了水冷機(jī)組的許多不足：結(jié)垢、腐蝕增加運(yùn)行成本等。

實(shí)踐證明，很多進(jìn)口全風(fēng)冷壓縮機(jī)的壓縮工藝流程設(shè)計的合理性保證了每級氣缸的排氣溫度不超過160℃，在實(shí)際運(yùn)行中有的氣缸排氣溫度不到100℃，在分級冷卻后出口溫度高于環(huán)境溫度的值小于15℃，冷卻效果非常明顯。

4 結(jié)語

作為天然氣加氣站的核心設(shè)備，用戶在天然氣壓縮機(jī)的選型和購買過程中，不要只注重壓縮機(jī)排氣量是否滿足生產(chǎn)需求、價格是否足夠低廉，還應(yīng)該從制造標(biāo)準(zhǔn)、結(jié)構(gòu)形式、維護(hù)費(fèi)用等各方面綜合考慮設(shè)備性能，確保加氣站投產(chǎn)后的正常運(yùn)營和預(yù)期收益。