1 原有活塞往復(fù)式壓縮機(jī)壓縮工藝
活塞往復(fù)式壓縮機(jī)常用的一種驅(qū)動(dòng)方式是電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的額定輸出功率要大于活塞往復(fù)式壓縮機(jī)10％，再按電機(jī)輸出功率標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格．取上限值來確定電動(dòng)機(jī)。而活塞往復(fù)式壓縮機(jī)在運(yùn)行時(shí)通常是根據(jù)用戶要求，在不同的工況f入口壓力，出口壓力，氣體流量等)下，設(shè)計(jì)成不同的壓縮級(jí)數(shù)．壓縮機(jī)將氣體從一個(gè)較低的入口壓力逐級(jí)壓縮后升到一個(gè)較高的出口壓力。壓縮級(jí)從第一級(jí)到末級(jí)連續(xù)式消耗運(yùn)行，而此時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出功率基本上是一個(gè)定值。
舉例如下：
工況是海拔0m，大氣壓力0．1MPa．環(huán)境溫度37．8℃，人口壓力1MPa，出口壓力25MPa．氣體流量2 754Nm3/h．
所設(shè)計(jì)的壓縮機(jī)是臥式4級(jí)4列對(duì)稱平衡型．見圖1所示．
具體參數(shù)如表l、表2。
所選電動(dòng)機(jī)的額定輸出功率為316．6×1．1：348kW．取標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格370kw。
由表3中的參數(shù)我們可以看出．活塞往復(fù)式壓縮機(jī)在天然氣入口壓力是1MPa,經(jīng)活塞往復(fù)式壓縮機(jī)壓縮后出口壓力是20MPa．氣體流量2 754m‰時(shí)運(yùn)行，如果按壓縮級(jí)從第一級(jí)到第四級(jí)連續(xù)工作．將在出口壓力達(dá)到20MPa時(shí)的氣體直接充人用戶的儲(chǔ)氣容器中，所消耗的電功率是每小時(shí)370kw．此時(shí)排1Nm3氣體、所消耗的功率是3j0／2 754：0．134kW。
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沖程長(zhǎng)度
(cm) |
連桿長(zhǎng)度
(ct) |
額定活塞桿氣體盤荷
(kg) |
額定活塞桿凈負(fù)荷
(kg) |
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7.62 |
2L 59 |
5 897 |
4 990 |
表1
2改進(jìn)的活塞往復(fù)式壓縮機(jī)壓縮工藝
將活塞往復(fù)式壓縮機(jī)由各級(jí)連續(xù)式消耗電功率改成階梯式消耗電功率。由于活塞往復(fù)式壓縮機(jī)在壓縮氣體時(shí)各級(jí)消耗的電功率不同，并按壓縮級(jí)的升高而逐級(jí)疊加，而用戶的儲(chǔ)氣容器在達(dá)到所要求的儲(chǔ)氣容積時(shí)，在不同的充氣壓力點(diǎn)．所需要的時(shí)間不同，所消耗的電功率也不同。因此我們?cè)O(shè)計(jì)了一種新的控制方法將活塞往復(fù)式壓縮機(jī)由各級(jí)連續(xù)式消耗電功率改成階梯式消耗電功率。
仍以上面的例子來說明：
為便于計(jì)算和說明問題，我們假設(shè)拖車內(nèi)壓力O．2MPa，水容積2 754／200=13．77m3,車內(nèi)有天然氣2×13．77=27．54 Nm3．
當(dāng)活塞往復(fù)式壓縮機(jī)第一級(jí)將天然氣從lMPa壓縮到2．4x0．9=2.16MPa=21．6kg／em2,在用戶的儲(chǔ)氣容器達(dá)到21．6kg/cm時(shí)．再轉(zhuǎn)換到兩級(jí)壓縮．我們把這個(gè)時(shí)間段定義為狀態(tài)一．
狀態(tài)一完成時(shí)，壓縮機(jī)向車內(nèi)充人天然氣21．6×13．77=297．4—27．54=270 Nm’．完成狀態(tài)一所用的時(shí)間為270／2 754=0．098h�；钊鶑�(fù)式壓縮機(jī)第一級(jí)軸功率經(jīng)計(jì)算為94．86X0 9=85．37kW．完成狀態(tài)一所做的功為85．37X0．098=8．37kw．h．
當(dāng)活塞往復(fù)式壓縮機(jī)第二級(jí)將天然氣從2．16MPa壓縮到5．29x0．9=4．76MPa,=47．6 kg，cm2在用戶的儲(chǔ)氣容器達(dá)到47．6 kc／era~時(shí)．再轉(zhuǎn)換到三級(jí)壓縮，我們把這個(gè)時(shí)間段定義為狀態(tài)二。
表2
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排氣流量
(mJ／h) |
標(biāo)準(zhǔn)大氣壓
(MPa) |
常溫
(℃) |
消耗功率
rm |
轉(zhuǎn)速
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單捧量功率
tVO |
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2754
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0101
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15.6
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備級(jí)功率總和
316,6 |
1 485
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排1Nm’氣所消
耗的功率0115kW |
狀態(tài)二完成時(shí)，壓縮機(jī)向車內(nèi)充入天然氣47．6x13．77=655．45-297．4=358Nm3．完成狀態(tài)二所用的時(shí)間為358／2 754=0．13h�；钊鶑�(fù)式壓縮機(jī)第二級(jí)軸功率經(jīng)計(jì)算為181x0．9=162．77kW，完成狀態(tài)二所做的功為162．77x0．13=21．16 KW．h。
當(dāng)活塞往復(fù)式壓縮機(jī)第三級(jí)將天然氣從4．76MPa壓縮到13．35x0．9=12MPa=120 kg&mj在用戶的儲(chǔ)氣容器達(dá)到120 k加m。時(shí)，再轉(zhuǎn)換到四級(jí)壓縮．我們把這個(gè)時(shí)間段定義為狀態(tài)三。
狀態(tài)三完成時(shí)，壓縮機(jī)向車內(nèi)充人天然氣120x13．77=1652．4-655．45=997Nm3,完成狀態(tài)三所用的時(shí)間為997／2 754=0．36h，活塞往復(fù)式壓縮機(jī)第三級(jí)軸功率經(jīng)計(jì)算為277．2x0．9=249．5kW,完成狀態(tài)三所做的功為249．5x0．36=90k．h。
當(dāng)活塞往復(fù)式壓縮機(jī)第四級(jí)將天然氣從12MPa壓縮到20MPa=200 kg／cm2，在用戶的儲(chǔ)氣容器達(dá)到200kg/cm2時(shí)，我們把這個(gè)時(shí)間段定義為狀態(tài)四。
狀態(tài)四完成時(shí)。壓縮機(jī)向車內(nèi)充人天然氣200x13．77=2 754-1 652．4=1101．6 N一．完成狀態(tài)四所用的時(shí)間為1 101．6／2 752=0．4h，活塞往復(fù)式壓縮機(jī)第四級(jí)軸功率經(jīng)計(jì)算為316．6 kW，完成狀態(tài)四所做的功為316．6x0．4=126．64kW．h。
我們將活塞往復(fù)式壓縮機(jī)各級(jí)壓縮所消耗功疊加
(8．37+21．16+90+126．641×1．1=270．8kW-h
即（O．098+0．13+0．36+0．4)=1小時(shí)所消耗的功率是270．8kW。
由此我們可以算出階梯式比連續(xù)式活塞往復(fù)式壓縮機(jī)運(yùn)行1h可節(jié)約(1-270．8／370)=27％的能耗。
注：
f11乘0．9的系數(shù)是為了使壓縮機(jī)級(jí)間實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的轉(zhuǎn)換。
f21由于我們采用的是變頻控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使電機(jī)的輸出功率與壓縮機(jī)的軸功率相匹配。
f31考慮到各階梯段單獨(dú)工作時(shí)壓縮機(jī)實(shí)際輸出的軸功率比連續(xù)式算出的功率高3％和因加氣時(shí)間延長(zhǎng)約7％所消耗的功率，所以用理論值乘1．1的系數(shù)。
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壓縮級(jí)數(shù) |
1 |
2 |
3 |
4 |
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總進(jìn)口壓力(mpa) |
1 |
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進(jìn)氣壓力船(mpa) |
0.956 |
2.40l |
5 29 |
13 5 |
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氣缸排氣壓力(mpa) |
2.48 |
5 46 |
13 77 |
2n 62 |
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級(jí)(冷卻后)排氣壓力
(mpa) |
2 4
|
5.29
|
13.35 |
20
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比例(壓縮比) |
2 44 |
2 23 |
2.37 |
1 54 |
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工藝氣進(jìn)氣K值 |
l 26 |
1.249 |
1.249 |
l_24g |
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進(jìn)氣溫度(℃) |
26 667 |
48.889 |
48.889 |
48.889 |
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氣缸排氣溫度(C) |
95 37 |
110.34 |
121.4 |
80.7 |
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總排氣口(冷卻后)
溫度(℃) |
48.889 |
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進(jìn)氣壓縮系數(shù) |
0.974 |
0 g53 |
O 905 |
0,823 |
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氣缸攤氣壓縮系數(shù) |
0.97 |
O．95 |
O．93 |
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排氣冷卻后壓縮系數(shù) |
0,954 |
0.905 |
0.8'93 |
0.833 |
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堆小容積效率(％) |
79.55 |
80 51 |
76 9 |
91.5 |
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平均容積效率% |
8n 07 |
80.83 |
86.1 |
91.5 |
|
壓縮效率% |
85.3l |
87.56 |
90 |
89 3 |
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功率(kw) |
94 86 |
86 |
96.5 |
39 4 |
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卸荷功率(KW) |
0 |
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總排氣量(m3/h) |
2 754 |
3經(jīng)濟(jì)效益
國(guó)外有公司提出，天然氣進(jìn)銷價(jià)差0．08美元／N一是CNG加氣站經(jīng)營(yíng)的臨界值，我國(guó)CNG加氣站目前僅接近或低于這個(gè)值，為此提高經(jīng)濟(jì)效益是當(dāng)前的緊迫問題。
仍以上例來分析：
用原有活塞往復(fù)式壓縮機(jī)壓縮工藝，氣體流量2 754Nm‰．電動(dòng)機(jī)的額定輸出功率370kW，排1N一氣體、所消耗的功率0．134kW。如果壓縮機(jī)1天工作20h,排氣量2 754x20=54 800 Nm3／d，所消耗的電功率為54 800xO．134=7 343kW／d。用新的活塞往復(fù)式壓縮機(jī)壓縮工藝：可節(jié)省7 343x0．27=l 983kW／d的電功率，按1度電0．8元計(jì)算．可節(jié)省1 983x0．8=0．16萬元／d，以1年350天計(jì)算．可節(jié)省0．16~350=56萬元，年。既1年1個(gè)CNG加氣母站成撬設(shè)備盈利可增加56萬元。
要提高經(jīng)濟(jì)效益，選用節(jié)能型壓縮機(jī)，運(yùn)行中充分發(fā)揮其能力是減少運(yùn)營(yíng)費(fèi)用的****方案。
4結(jié)論
將活塞往復(fù)式壓縮機(jī)由各級(jí)連續(xù)式消耗電功率改成階梯式消耗電功率，這是一種新的控制CNG加氣母站功率消耗的方法，該方法是通過壓縮機(jī)分級(jí)壓縮時(shí)．按壓縮級(jí)從第一級(jí)到末級(jí)連續(xù)式消耗運(yùn)行所需要的功率，改成階梯式消耗活塞往復(fù)式壓縮機(jī)在運(yùn)行時(shí)所需要的功率，即根據(jù)活塞往復(fù)式壓縮機(jī)在壓縮到不同的充氣壓力點(diǎn)時(shí)，所消耗的功率也不同這一特點(diǎn)．采用第一級(jí)將氣體從某一壓力壓縮到第一級(jí)壓縮比設(shè)定的90％壓力，消耗的是第一級(jí)運(yùn)行所需要的電動(dòng)機(jī)輸出功率，在到達(dá)第一級(jí)壓縮比設(shè)定的壓力點(diǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)換成第二級(jí)壓縮，……，以此類推．直至完成末級(jí)壓縮。這種階梯式消耗功率比連續(xù)式減少約27％的電能消耗，此技術(shù)不僅應(yīng)用于CNG加氣母站．還可以應(yīng)用于石油、化工等領(lǐng)域．總之對(duì)于
應(yīng)用活塞往復(fù)式壓縮機(jī)的所有用戶減少運(yùn)營(yíng)費(fèi)用，節(jié)能降耗具有重大意義。
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