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CNG母站用天然氣壓縮機降溫節(jié)能改造

文檔作者：唐伊盟周才華鐘北平文檔來源：中石化石油機械股份有限公司武漢江鉆天然氣分公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2024年06月16日
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電力行業(yè)節(jié)能
2018 年第4期總第427期 ＥＮＥＲＧＹ ＣＯＮＳＥＲＶＡＴＩＯＮ 節(jié)能
節(jié)能技術(shù)與產(chǎn)品
作者簡介： 唐伊盟， 技師， 研究方向為機電設(shè)備。
收稿日期： 2018-03-24
摘要： 因服役時間長久， 設(shè)備老化嚴重， CNG母站用天然氣壓縮機常出現(xiàn)超溫現(xiàn)象， 超溫嚴重時甚
至造成壓縮機停機， 嚴重影響母站的正常生產(chǎn)和保供。針對上述問題， 結(jié)合母站的實際運行情況， 對現(xiàn)有的
壓縮機工況調(diào)節(jié)裝置進行進一步改造， 在保證降溫節(jié)能的前提下， 大幅度降低了改造成本， 為母站用天然氣
壓縮機工況改善、降溫節(jié)能提供了一種切實可行的新方法。
關(guān)鍵詞： CNG母站； 天然氣壓縮機； 降溫； 節(jié)能
中圖分類號： TE0 文獻標識碼： B 文章編號： 1004-7948（2018）04-0043-04
doi:10.3969/j.issn.1004-7948.2018.04.013
CNG母站用天然氣壓縮機降溫節(jié)能改造
唐伊盟， 周才華， 鐘北平
（中石化石油機械股份有限公司武漢江鉆天然氣分公司， 湖北武漢430223）
引言
天然氣加氣母站是專門為CNG汽車提供燃料的集
接收、凈化、壓縮、儲存、轉(zhuǎn)運于一體的大型城市天
然氣運用基礎(chǔ)設(shè)施， 擔負著城市公交、的士的供氣保
障任務。其核心部件多為大排量臥式多列活塞往復式
壓縮機。加氣母站都在每臺壓縮機的進氣入口端設(shè)有
調(diào)壓閥， 保證壓縮機的可靠運行。節(jié)流減壓雖然穩(wěn)定
壓縮機的入口壓力， 但浪費了原料氣本來的壓縮能量。
其結(jié)果是增大了壓縮機能耗； 使壓縮機每一級壓縮比
不均衡導致某級排溫度過高， 增加了壓縮機維護成本，
在高溫天氣下， 因散熱不佳， 壓縮機需間歇使用或無
法使用。
由于服役時間長久， 設(shè)備老化嚴重， 武漢江鉆天
然氣分公司的CNG母站用2#壓縮機出現(xiàn)超溫現(xiàn)象。特
別是在夏季， 天氣炎熱導致環(huán)境溫度較高， 同時車用
氣處于高峰， 導致壓縮機嚴重超溫， 甚至需要停機，
進而影響了正常的生產(chǎn)和保供。針對上述問題， 需采
取一定措施對天然氣壓縮機進行降溫改造， 以保證壓
縮機的正常運行。
1 壓縮機超溫原因
武漢江鉆天然氣分公司的CNG母站用2#壓縮機是
由美國Ariel公司制造的型號為JGA/6的往復式壓縮機，
采用4級壓縮， 主要運行參數(shù)如表1所示。
從表1數(shù)據(jù)可以看出， 壓縮機各級壓縮比失衡， 其
一、二級壓縮比分別為3.56和2.62， 而三、四級壓縮比
僅為1.89和1.42， 導致其二級排氣溫度高達173℃。為
了降低壓縮機的排氣溫度， 需對壓縮機進行調(diào)節(jié)， 均
衡其各級壓縮比。
2 壓縮機降溫改造總體方案
目前國內(nèi)外常用的往復式壓縮機工況調(diào)節(jié)方式有：
旁路回流調(diào)節(jié)、電機變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、頂開進氣閥調(diào)節(jié)和
余隙無級調(diào)節(jié)。其中旁路回流調(diào)節(jié)和電機變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)
無法調(diào)節(jié)壓縮機各級壓縮比， 不適用于2#壓縮機的降
溫改造要求； 頂開進氣閥調(diào)節(jié)方式對頂開氣閥的時間
有精確要求， 而執(zhí)行機構(gòu)為高速運動部件， 因此對控
制和執(zhí)行機構(gòu)要求高、投資成本大。而余隙無級調(diào)節(jié)
可不改變壓縮機原主體結(jié)構(gòu)， 僅改造壓縮機缸蓋， 而
不改變機組原控制系統(tǒng)， 通過液壓控制油站來控制可
變余隙容積， 可實現(xiàn)調(diào)節(jié)壓縮機排氣量的同時均衡壓
縮機各級壓縮比， 從而達到減少能耗和降低壓縮機排
氣溫度的目的。它具有可靠性高、經(jīng)濟性能好、價格
低廉等優(yōu)點， 更重要的是， 它可以輕松解決壓縮機超
溫停機的問題。
近幾年， 余隙無級調(diào)節(jié)技術(shù)已成功應用于工程實
際， 最具代表性的是由武漢理工大學的專利《活塞往
復式壓縮機余隙無級調(diào)節(jié)裝置》， 該專利已成功應用于
荊門石化、錦西石化等多個石油煉化企業(yè)。隨著余隙
無級調(diào)節(jié)技術(shù)在實際工程應用的日益廣泛， 該技術(shù)已
日趨成熟。
結(jié)合母站的實際運行和設(shè)備現(xiàn)場布置情況， 并與
武漢理工大學專家共同探討， 將專利《活塞往復式壓
縮機余隙無級調(diào)節(jié)裝置》提出的余隙無級調(diào)節(jié)裝置進
萬方數(shù)據(jù) 43
電力行業(yè)節(jié)能
2018 年第4期總第427期 ＥＮＥＲＧＹ ＣＯＮＳＥＲＶＡＴＩＯＮ 節(jié)能
節(jié)能技術(shù)與產(chǎn)品
圖2 機械式位移檢測模塊
圖3 泄漏檢測模塊
表1 2#壓縮機主要運行參數(shù)
一級進氣壓力
（MPa）
0.792
行了以下幾點改造。
（1）新的執(zhí)行機構(gòu)。去掉原有的磁致伸縮位移傳感
器， 采用機械式余隙位移測量方法， 使整體結(jié)構(gòu)小而
安全可靠， 節(jié)省成本。且滿足可調(diào)余隙范圍在壓縮機
的體積排氣量在55%～90%內(nèi)進行無級調(diào)節(jié)。同時， 設(shè)
計簡易安全檢漏裝置， 防止油缸密封件失效。
（2）新的液壓油站的改造。去掉PLC控制模塊， 采
用人工機械式操作， 大幅度降低成本， 以適應母站現(xiàn)
行的工況及運行需要。
（3）新的調(diào)節(jié)模式。通過理論計算與大量現(xiàn)場試驗，
總結(jié)出天然氣母站壓縮機工控調(diào)節(jié)規(guī)律， 并對調(diào)節(jié)量
進行量化， 為現(xiàn)場操作人員提供操作說明。
3 改造后的余隙無級調(diào)節(jié)裝置
3.1 執(zhí)行機構(gòu)
改造后的執(zhí)行結(jié)構(gòu)主要由可調(diào)余隙氣缸、整體式
余隙活塞桿、液壓油缸、機械式位移檢測模塊、泄露
檢測模塊等組成（見圖1）。其動力由小型液壓站提供，
通過液壓站中手動換向閥控制油液方向， 實現(xiàn)活塞桿
在油缸中的左右運動。操作時， 由一人操作手動換向
閥手柄， 一人通過機械式位移檢測裝置觀察余隙活塞
桿位置。余隙活塞的運動速度約為1.7 mm/s， 在這種緩
慢移動的情況下， 觀察者能精確把握余隙活塞是否到
達指定的位置， 保證余隙調(diào)節(jié)的高精度。
此執(zhí)行機構(gòu)與改造前的執(zhí)行機構(gòu)相比， 主要對位
移檢測模塊和泄露檢測模塊進行了改造。
（1）機械式位移檢測模塊設(shè)計。
在余隙柱塞末端， 將原有的磁致伸縮位移傳感器
的安裝位置改為余隙位移檢測桿， 并在端蓋上加裝測
量套筒（見圖1）。在封閉的測量套筒上開槽并加裝標
尺， 便于直觀的讀出余隙調(diào)節(jié)位移量。
機械式位移檢測模塊， 取代了原有的位移傳感器
檢測模式， 結(jié)構(gòu)簡單， 極大幅度降低了制造周期和成
本， 同時減小了因傳感器等電氣元件故障引起的設(shè)備
停機概率， 降低了停機維護費用。
機械式位移檢測模塊實物如圖2所示， 余隙位移檢
測桿的伸縮長度即為氣缸余隙容積大小調(diào)節(jié)量。檢測
桿伸出端最長即為余隙容積最小， 伸出端最短即為余
隙容積最大。
（2）泄漏檢測模塊設(shè)計。
如圖1所示， 在余隙油缸缸體柱塞密封組件密封
溝槽內(nèi)， 開設(shè)泄漏檢測口， 直通缸體外面的球閥。
當密封組件失效時， 氣缸里壓縮氣體會反向從余隙
油缸密封失效處串入密封溝槽， 如果打開球閥發(fā)現(xiàn)
氣體有刺漏聲， 并且連續(xù)不斷排放， 說明執(zhí)行機構(gòu)
油缸密封組件失效， 應及時更換密封組件。實物圖
如圖3所示。
一級排氣壓力
（MPa）
2.82
二級排氣壓力
（MPa）
7.41
三級排氣壓力
（MPa）
14.04
四級排氣壓力
（MPa）
20
二級排氣溫度
（℃）
173.8
功率
（kW）
326
標方排量
（m3/h）
2100
每標方耗電量
（kWh/m3）
0.155
注： 1. 機械式位移檢測模塊； 2. 液壓油缸； 3. 整體式余隙活
塞桿； 4. 泄露檢測口； 5.可調(diào)余隙氣缸； 6.壓縮機氣缸
圖1 執(zhí)行機構(gòu)示意圖
44萬方數(shù)據(jù)
電力行業(yè)節(jié)能
2018 年第4期總第427期 ＥＮＥＲＧＹ ＣＯＮＳＥＲＶＡＴＩＯＮ 節(jié)能
節(jié)能技術(shù)與產(chǎn)品
圖5 TGKS2.0液壓控制
3.2 液壓站
該公司降本節(jié)費的要求以及母站供氣壓力比較穩(wěn)
定等實際情況， 項目組成員認為原有的PLC控制系統(tǒng)
過于復雜， 帶點隱患點多， 且造價昂貴。經(jīng)過多次與
設(shè)計方溝通交流， 決定開發(fā)一種簡單的去PLC控制的
集成液壓站， 要求液壓站能控制余隙執(zhí)行機構(gòu)全行程
運動， 且運動精密可調(diào)， 操作簡單， 整個系統(tǒng)穩(wěn)定獨
立。根據(jù)以上要求， 開發(fā)了一種新型的液壓控制站
（TGKS 2.0液壓控制系統(tǒng)），
新型液壓站系統(tǒng)由油箱、油泵電機機組、蓄壓器、
余隙無級調(diào)節(jié)余隙缸和油路板等組成， 液壓站控制系
統(tǒng)原理圖如圖4所示。
圖4 液壓站原理圖
液壓站實物如圖5所示。從圖中可以看出， 去PLC
控制后的液壓站具有以下幾個特點：
（1）體積輕巧， 穩(wěn)定可靠。PLC控制后， 整體體積
僅為原有液壓站的1/2， 且只有一個防爆電機為帶火
點， 極大降低了隱患安全點。
（2）控制簡單， 操作方便。當需要調(diào)節(jié)余隙執(zhí)行機
構(gòu)時， 只需打開油泵電機開關(guān)， 操作手動換向桿， 使
余隙活塞位移到達指定位置， 然后使手動操作桿歸到
中位， 利用單向止回閥止住液壓油， 最后關(guān)閉電機開
關(guān)及完成操作。工況調(diào)節(jié)系統(tǒng)與壓縮機系統(tǒng)屬于兩套
獨立系統(tǒng)， 互不干涉， 因此， 調(diào)整余隙位移可以是壓
縮機正常工作時。
（3）降低成本。PLC控制降低了設(shè)備制造80%的
成本。
3.3 余隙調(diào)節(jié)模式
對于多級壓縮機而言， 一級氣缸余隙容積對壓縮
萬方數(shù)據(jù) 45
電力行業(yè)節(jié)能
2018 年第4期總第427期 ＥＮＥＲＧＹ ＣＯＮＳＥＲＶＡＴＩＯＮ 節(jié)能
節(jié)能技術(shù)與產(chǎn)品
機的排氣量和功耗起決定作用， 一級氣缸余隙容積減
小時， 排氣量和功耗都增大， 單位氣體能耗幾乎不變。
二級氣缸余隙容積的調(diào)節(jié)起到調(diào)節(jié)改級壓縮比的作用，
從而調(diào)節(jié)二級排溫， 使二級排氣溫度在正常范圍內(nèi)。
而本項目， 在提升了進氣壓力， 在夏季與冬季氣溫不
同的情況下， 如何做到在保證二排溫度正常的情況下，
最大限度使壓縮機運轉(zhuǎn)穩(wěn)定， 最大限度提升排量， 并
且最大限度節(jié)能， 如何在這三者之間找到最佳平衡點，
是需要研究考慮的。
針對母站進氣壓力變化規(guī)律比較恒定， 冬季用量
高峰時期管網(wǎng)壓力會降至0.9 MPa以下， 夏季官網(wǎng)壓力
會升至1.25 MPa， 分公司目前將2#壓縮機調(diào)壓撬設(shè)定調(diào)
壓至1.2 MPa。一級余隙活塞主要起調(diào)節(jié)氣量的作用，
同時平衡負載， 防止壓縮機過載； 二級余隙活塞主要
通過調(diào)節(jié)壓縮比， 起到調(diào)節(jié)排氣溫度的作用。通過理
論計算與大量現(xiàn)場試驗， 最終制定了夏季和冬季不同
進氣壓力情況下的余隙調(diào)節(jié)參數(shù)對照表， 如表2所示。
4 降溫節(jié)能改造效果
從改造后的壓縮機工況調(diào)節(jié)系統(tǒng)正式投入運行后，
2#壓縮機運行情況得到明顯改善。改造前后2#壓縮機運
行工況對比如表3所示。
表2 余隙調(diào)節(jié)參數(shù)對照表
一級進氣壓力
（MPa）
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1號手柄
位置
30%余隙
30%余隙
30%余隙
40%余隙
45%余隙
50%余隙
55%余隙
2號手柄
位置
30%余隙
30%余隙
30%余隙
40%余隙
45%余隙
50%余隙
55%余隙
3號手柄
位置
90%余隙
80%余隙
70%余隙
55%余隙
65%余隙
75%余隙
75%余隙
4號手柄
位置
90%余隙
80%余隙
70%余隙
55%余隙
65%余隙
75%余隙
75%余隙
1號手柄
位置
0%余隙
0%余隙
10%余隙
20%余隙
30%余隙
35%余隙
40%余隙
2號手柄
位置
0%余隙
0%余隙
10%余隙
20%余隙
30%余隙
35%余隙
40%余隙
3號手柄
位置
30%余隙
33%余隙
35%余隙
40%余隙
45%余隙
45%余隙
50%余隙
4號手柄
位置
30%余隙
33%余隙
35%余隙
40%余隙
45%余隙
45%余隙
50%余隙
項目夏季高溫工況35℃ 冬季低溫工況10℃
與改造前相比， 2#壓縮機二排溫度降低50 ℃， 保
證了2#壓縮機的正常運行； 同時提升壓縮機排量約
400 m3/h,約合每小時降低電機功率120kW， 大大節(jié)約了
2#壓縮機運行成本。據(jù)母站數(shù)據(jù)統(tǒng)計， 母站7~10月份2#
壓縮機平均每天工作約13 h， 月節(jié)約電費3萬元， 年節(jié)
約電費可達36萬元。
5 結(jié)語
針對現(xiàn)有的余隙無級調(diào)節(jié)裝置進行改造后的壓縮
機工況調(diào)節(jié)系統(tǒng)， 其整體結(jié)構(gòu)小、改造成本低、調(diào)節(jié)
方便可靠， 能更好地適用于武漢江鉆天然氣分公司
CNG母站2#壓縮機的實際運行情況。改造后， 2#壓縮機
的運行狀況得到很大的改善， 其排氣溫度顯著降低，
解決了運行超溫問題， 進而保證了其全天候正常運行；
提高了壓縮機排量， 使壓縮機生產(chǎn)效率有所提高； 同
時， 顯著降低了壓縮機軸功率， 減小了其運行成本。
參考文獻
[1] 林梅，孫嗣瑩.活塞式壓縮機原理［M］.北京：機械工業(yè)出版
社，1987．
[2] 郁永章.活塞式壓縮機[M].北京：機械工業(yè)出版社，1982.
[3] 金江明，洪偉榮，梁萌，等.往復壓縮機氣量調(diào)節(jié)方法的研
究進展[J].壓縮機技術(shù)，2007，（4）：28-32.
表3 改造前后2#壓縮機運行情況對比
改造前
改造后
一級進氣壓力
（MPa）
0.792
1.190
一級排氣壓力
（MPa）
2.82
2.96
二級排氣壓力
（MPa）
7.41
6.71
三級排氣壓力
（MPa）
14.04
13.26
四級排氣壓力
（MPa）
20
20
二級排氣溫度
（℃）
173.8
123
功率
（kW）
326
261
標方排量
（m3/h）
2100
2600
每標方耗電量
（kWh/m3）
0.155
0.100

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