天然气增压机在CNG系统中的应用

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Application of Natural Gas Booster on CNG System镪XU Jin(Zigong Dongfang Tongyong Gas Compressor Co.，Lld.，Zigong 643000，China)Abstract：According to the diferent conditons of gas supplied for compressor，a natural gas booster cal be instaled in Series infront of the compressor.This paper has specifed the series program and several methods for match according to actual situation。

Key words：CNG compressor；booster；series matching1 CNG压缩机前串联增压机的客观要求随着天然气汽车的推广应用，我国的 CNG加气站用设备的生产厂家也在不断增多，尤其是CNG压缩机的生产厂家由原来的两三家迅速发展到了十几家。虽然生产厂家增加了，但几乎所有厂家都按标准站：3、4级压缩 (母站三级压缩，子站两级压缩)模式来进行。

由于每个 CNG加气站的供气条件各不相同，且同-个加气站每季、每月、甚至每天的供气压力 (即CNG系统的进气压力)均会出现大幅度的变化，如：白天压力低，晚上压力高，-些供气管线与民用气管线合用的站甚至会出现早、中、晚3餐做饭时间供气压力极低的现象。而-些加气站在设计时只考虑了供气管线的静态压力，当压缩机开始工作后，其进气压力下降幅度远远偏离设计工况。有的站建成时供气压力正常，但随着同管网用气客户的增多，其供气压力逐年下降，无法达到设计要求，有的CNG站几乎从运行开始的那天起，就没有达到设计要求。

收稿 日期：2013-07-05另有-些加气站的供气压力在 0.1 MPa以下(如 孟 加 拉 和 巴基 斯 坦 的供 气 压 力 多 为0.056-0.1 MPa)。这就使得国内普遍生产的4级压缩的机器，大多因压比过大，导致排气温度上升，可靠性能下降，且普遍排气量偏小不能很好的满足客户的要求，虽然有些厂家针对情况专门设计生产了5级压缩的机器，但其成本和可靠性均不尽人意。

为了应对上述的不同情况，厂家不得不生产适应各种进气压力以及各种排气量的压缩机，有的厂家甚至采取了-站-套设计的方法。这就使得 CNG压缩机主要零部件的通用化、标准化程度很低，从而使其生产加工的难度增大，成本增高。

即使如此，我们仍然不能适应各加气站供气压力的变化。由于CNG压缩机长期偏离设计工况运行，使得其工作效率及使用寿命降低，运行成本增加。以某 CNG加气站为例：该站设计进气压力为0.6 MPa，配排气量为 600 Nm 及 1020 Nm 的压缩机各-台。在试运行期间每天销售 6000 Nm天然气。这样，按设计工况，该站只需开600 Nm弧的压缩机 10 h左右，或开 1020 Nm3/h的压缩机2013年o4期(总第24.0期) ) ai与on a测ndAP0 T '-6 h左右即可满足售气需求。然而，该站试运后，其进气压力只能达到O.25 MPa左右，这就使该压缩机的排气量只能达到其设计要求的-半，从而使该站的CNG压缩机及相关系统的运行成本大幅度上升，使其寿命几乎缩短-倍，经初步测算，该站的毛利约40%被上述因素消耗掉了。(据笔者所知，上述情况在建成的CNG加气站中较为普遍，笔者所在城市的 10个站中，大多设计进气压力为0.4～0.6 MPa，而实际进气压力在0-3 MPa以下)。

综上所述，笔者将上述问题归纳为以下3类：(1)进气压力波动幅度大，使压缩机工况变化大； (2)实际进气压力远远低于设计压力 ；(3)进气压力过低，4级压缩难以达到要求，而生产5级压缩的机器有困难或不合算。

针对上述问题，笔者认为最简单易行，经济性及可靠性均较好的方式是在上述 CNG压缩机前再串联-台天然气增压机。

2 天然气增压机的串联方案对于进气压力波动幅度大的诚，建议在压缩机进口管道上安装-截止阀，天然气增压机的进气口接在截止阀前，.排气口接在截止阀后。如图 l所示。

图 1当进气压力达到或接近设计压力时，打开截止阀让天然气直接进入 CNG压缩机；当供气压力低于最低进气压力设定时，开启天然气增压机，关闭截止阀，让天然气经增压机将压力增至设定的进气压力，并经冷却后进人CNG压缩机。若将截止阀选为气动或电动阀门，本系统可通过控制系统实现自动切换。

本方案可保证 CNG压缩机始终保持最佳工作状态，确保其排气量不变，缩短压缩机工作时间。

对于实际压力远远低于设计压力的CNG站，(进气管道)- - - [：>l天然气增压机E： 大容积缓冲器 E cNG压缩机图 2-2013年04期(总第240期)可将天然气增压机直接串联在 CNG压缩机前面，将天然气压力提高到设计进气压力，并经冷却后送至 CNG压缩机，如图 2。

采用本方案的优点是：(1)由于天然气增压机的电机功率较小，用本方案运行的能耗将远远小于用 CNG压缩机直接压缩 (进气压力偏离设计值越远，节能效果越显著)；(2)减少 CNG系统及辅助系统的运行时间并确保其在最佳工况下运行，以提高该系统的可靠性，延长其使用寿命；(3)减少了相关人员的实质工作时间。

对于-些进气压力低，排气量要求较大，交货周期较短的诚，用天然气增压机与 CNG压缩机串联应不失为-种即经济实惠，又安全可靠的好办法。

由于可用改变天然气增压机的压比及排气量来达到改变整个 CNG系统的排气量。故这种方法的适应性极为广泛，甚至可以在进气压力为负压时正常工作。例如-位用户要求提供-套进气压力为 0.056 MPa，排气量不小于600 Nm 的CNG压缩机，交货期为2个月，笔者认为按上述条件，如果没有正好对应该工况的成熟机型，要在这么短的周期内新开发-台适应该工况的 CNG压缩机，难度较大，并且也不经济，其可靠性也难以保证。而用-台排气量大于 600 Nm3/h，进气压力为 0.056 MPa，排气压力为0.5 MPa的单级增压机与-台进气压力为0.5 MPa，排气压力为25 MPa，排气量为610 Nm3/h的CNG压缩机串联。由于该CNG压缩机系成熟机型，已经过长期运转的考验。

而-台压比为 3.85的单级增压机其结构简单，技术成熟，制造容易，造价低廉，将其与全压缩系统放在-个撬上，这样，对用户来说即满足了其技术要求及交货周期，又节省了投资 (该方案的售价低于-台同条件的5级压缩的机器)，图3为该机的布置图。

我们还可以利用增压机来提高现有压缩机的排气量 (超过设计值)这是因为当压缩机在每次运转中大部分时间排气压力远低于设计压力，故其配，套电动机功率有较大富余。这时用增压机将天燃气压力提高到压缩机进口压力标定值之上，可较大幅度的提高压缩机的排气量 (在配套电机功率的许用值以内)。我们可以利用电机电流变化的信号去控C-'NG压缩机制压缩机的进气压力，以获得最佳工作工况。

3 天然气增压机的结构形式对于增压机的机型选择，笔者认为仍以活塞机为首选，虽然大排量高压空压机中现已多采用螺杆机增压机与高压活塞机相串联，而在CNG系统中，其增压机的容积流量较小 (多在 2～6 m3/min左右)，我们知道，小排量并非螺杆机的强项，螺杆机后置的油分离系统也增加了管理维护的难度。

另外，螺杆机的价格也远远高于活塞机，当然，我们也不排除有条件的厂家采用螺杆机增压机的可能性。

4 天然气增压机与CNG压缩机的匹配增压机在CNG系统中的应用，即与CNG压缩机的串联匹配使用有几种方式，如 l1形，即-台增压机串联-台CNG压缩机使用。这种串联方式只要增压机和CNG压缩机的排气量-致，它们之间的串联就没有匹配问题 (除非增压机进气压力有变化)。即使 2台机组的排量略有差异，也仅会使 CNG压缩机的吸气压力有轻微波动，这对往复压缩机来讲是可以自适应的。

但对于-台增压机配 2台以上的 CNG压缩图 3L55，1-25O天然气压缩机技术参数容积总景 55 m3/min轴功率 t45 kW (电机160kW)吸气压力 0.1 lkqPa排气压力 25MPa电机转速 740 dmin重量 6200k窖外型尺寸 4OO0mm1900mmX1900mm机，若 CNG压缩机酮-台或多台，增压机与CNG压缩机的串联使用则会出现严重的不匹配情况。增压机的排气量会远远大于 CNG压缩机的吸气量，若不采取措施，将会导致增压机的排气压力提高，也意味着 CNG压缩机的吸气压力升高。

轻则造成两机过载停车，重则会造成压缩机等设备的损坏。要解决这个问题，可根据实际情况用以下方法进行匹配。

4。1 回流即将多余的气体从增压机排气口经冷却后回流到进口，这种方式的优点是简单、可靠，投资极少 ，只需-个压力溢流阀门即可控制实现。但其缺点是能源浪费较大，因为回流的气体都是经过压缩的，又让其回到原来的进气状态，其压缩功就白白浪费了，所以这种方式仅适用于短时期或少量回流的情况。

4.2 变频即通过电机变频方式改变增压机的转数，从而改变增压机的排量。根据变频电机的调节范围，可使增压机的排气量在 30%～l00%之间任意变动，并可实现模糊控制，缺点是投资要大-些，调校困难-些，但其适应范围广，自动化控制容易实现。

4.3 停止部分气缸工作对于多缸或双作用增压机可采用压开某缸或2013年04期(总第240期)应Avv肭fi.mon a测nd-T ---，某侧进气阀或直接拆除进气阀的方法来调整排气量，如-台双缸双作用的单级增压机，可用这种方式分别按 25%，50%，75%和 100%的排气量来进行调节。这种方式也较简单，投资低，但只能分级调整。比较适合长期需减少排气量的情况。

但在使用这种方法时要注意增压机活塞力的平衡增减给增压机带来的影响。

进气压力变化对增压机的影响，我们都若忽略掉压缩因子的影响，在-定范围内压缩机的进气压力与排气量基本成正比关系，即：实际排量额定排量 ×实际进气压力额定进气压力从上式我们可以看出当实际进气压力小于额定进气压力时，实际排量小于额定排量，增压机和CNG压缩机的排量均小于额定排量，两机的负载也小于额定负载。反之，当实际吸气压力大于额定吸气压力时，增压机的排气量也会上升。虽然对于增压机排气量的调节可用上节所述方式调整，但对于因进气压力大幅上升对增压机活塞力的影响，是-个必须予以重点关注的问题。

在业内由于进气压力大幅上升造成的增压机或 CNG压缩机损坏，甚至爆炸的事故已发生多例。如湖南某 CNG加气站采用-台吸气压力O.2 MPa，排气压力为 1.2MPa的2机压缩增压机，为2台 1.2 MPa进气压力的CNG压缩机增压。增压机投入运行后，竞在 2个月内3次将增压机-级活塞压裂。生产厂家反复计算并不断更换材料，仍然无济于事，不得已厂家只好派人蹲守在该站维修。这才发现该站的进站气体压力因上游供气部门对其限量供应，当量已供够，则会关闭阀门，此时管内压力会降至0.2 MPa左右；而当结算期-过，则又会全开阀门，此时管内压力则会上升并保持在 1.2 MPa。由于上游开阀时并不通知该站，而此时额定吸气压力 0.2 MPa的增压机还正在工作，虽有吸气压力报警停机装置，可装置发生停机反应也多少有个过程。虽然时间短暂，也有-两个行程，此间增压机-级缸内压缩过程中活塞力陡升，短短不到 0.2 S的时间，增压机-级活塞就已经损坏。好在厂家其他运动部件强度均富余度较大，才未造成巨大损失。 。

针对上述情况，笔者认为对于进气管道压力波动较大的诚，无论是有无增压机，均应在压缩机进口管路上加装自动限压装置，以免类似事故再次发生。

5 结论综上所述，笔者认为采用天然气增压机与CNG压缩机串联，可以加大 CNG系统的适宜范围，调整其排气量，降低 CNG压缩机的设计和制造难度，从而降低其制造成本。用此技术对现已建成，但进气压力波动幅度大，压力低于设计进气压力较多的CNG站进行改造，可以提高其经济效益，增加设备的可靠性及使用寿命，同时还可以提高CNG压缩机的通用性和标准化程度。愿该技术的推广应用能为我国的CNG事业增添光彩。

作者简介：胥晋(1951-)，男 ，本科，高级工程师。毕业于西安交通大学，现任自贡东方通用压缩机有限公司总经理兼总工程师 ，主要研究方向为天然气压缩机及工业气体压缩机等；主要研究成果：双向润滑CNG压缩机专利；可转换为标准站压缩机的专利证书；带滑道的cNG压缩机机身专利。

- (上接第39页)解，得到了-系列突出信号局部特征的基本模态函数，并计算各 IMF分量熵值。对往复压缩机气阀振动信号的分析验证了EMD和信息熵相结合在提取信号特征过程中的有效性和准确性，为确诊往复压缩机气阀故障提供了依据。