CNG压缩机中机械压缩机与液压压缩机的对比分析

吴 军，刘建杰，赵成林，吴 俊

（四川金星压缩机制造有限公司，四川成都611731）

CNG压缩机中机械压缩机与液压压缩机的对比分析

吴 军，刘建杰，赵成林，吴 俊

（四川金星压缩机制造有限公司，四川成都611731）

鉴于目前液压活塞子站压缩机市场发展较为迅速，为准确把握未来市场动态，对机械压缩机与液压压缩机的原理和特点进行对比，针对其在天然气加气站标准站、母站和子站中的应用进行对比分析。

机械压缩机；液压压缩机；天然气加气站

1 引言

目前，在我国天然气行业，用于天然气加气站的压缩机主要是曲柄连杆往复活塞压缩机（以下简称机械压缩机）。近年来先后出现了液压平推子站加气系统、往复液压活塞子站压缩机（以下简称液压子站压缩机），部分厂家正在研发往复液压活塞标准站、母站压缩机。其中液压活塞子站压缩机市场发展较为迅速，为准确把握未来市场动态，需要对机械压缩机与液压压缩机进行对比分析。

2 原理及特点

2.1 机械压缩机原理及特点

机械压缩机工作原理简单，电动机直接通过曲柄连杆机构进行活塞的往复直线运动实现天然气的压缩。

压缩比的大小是判定所需功率的重要因素。进排气压力差越小，电机所需功率就越小，反之电机功率就越大。对于CNG天然气压缩机，可以根据进、排气压力的大小来合理地确定合适的压力比，以确保压缩机始终在最佳的工况下运行。压缩机的容积流量由气缸直径、行程、转速确定。机械压缩机的能耗主要体现在压缩气体必须消耗的指示功、电机的效率、气体流动损失、填料活塞环的摩擦功耗等。

机械压缩机有很多优点：适应范围广；排气量调节灵活；压力比可根据进排气压力差自我调节。

2.2 液压压缩机原理及特点

通过电动机驱动油泵工作，利用液压压力驱动活塞进行往复直线运动实现天然气的压缩。

液压压缩机每一行程开始时，一端由于压缩终了后气缸内存在带压气体，带压气体膨胀推动活塞对另一端气体进行压缩，此时油泵油压仅为管路压力损失压力，平衡后油压不断升高推动活塞运动对另一端气体进行压缩，当气缸内压力达到排气压力时，气体排出气缸，气体压力及油压保持不变直到换向位置，换向后重复开始下一行程，由此可以看出每一行程油压总是从最低逐渐达到最大值后，保持到压缩终了，故油泵电机电流是从最低逐渐达到最大值后，保持到压缩终了。

对液压压缩机而言，进排气压力差越小，所需油压越低，电机所需功率就越小，在排气压力一定的情况下，进气压力为最大时，电机所需功率为最小；进气压力为最小时，电机所需功率为最大。每个气缸的容积流量等于所需液压油油量。液压压缩机的能耗主要体现在推动活塞实现对气体压缩所必须的功耗、电机的效率、气体流动损失、密封环摩擦功耗、液压泵及液压元件内泄漏功耗及液体流动损失。

因液压原理及液压件重量限制，液压压缩机仅适合小排量、小功率、较高进气压力。

3 机械压缩机和液压压缩机在天然气加气站标准站中的使用分析

标准站压缩机进气压力低 （一般不大于1.0 MPa），实际工作排气压力18～25 MPa，容积流量大 （一般大于1.5～5.0 m3/min），压缩级数多（一般为3～5级），如使用液压压缩机根据其原理可知其使用正好落在进排气压力差大区间工作，故所需电机功率大，且由于容积流量大，压缩级数的增多，油泵的流量必然增大。进气压力0.3 MPa，容积流量3.0 m3/min为例，采用4级等压比压缩，油泵流量必须大于4.58 m3/min，是75 kW液压子站压缩机油泵最大流量0.36 m3/min的12倍，虽然可采用配置2台泵或3合泵（一台低中压大流量泵，一台高压小流量泵或2台低中压大流量泵，一台高压小流量泵）来降低成本和减小液压元件外形尺寸及重量，但液压元件会依然庞大，液压系统复杂，成本大幅提高，能耗会明显大于机械压缩机，占地面积大大增加。

如上所述机械标准站压缩机由于其始终处于高压差状态工作，且油泵流量大，液压压缩机不会具有优势。

作者计算容积流量为1 m3、进气压力为2～20 MPa范围内的天然气，其进气温度为25℃，排气压力为20MPa，根据机械压缩机和液压压缩机功耗的计算公式，当采用机械压缩机时的平均功耗为16.8 MJ，而采用液压压缩机工作时所消耗的功耗为20 MJ，由此可见机械压缩机的平均功耗较液压压缩机的功耗小19%。

4 机械压缩机和液压压缩机在天然气加气站母站中的使用分析

母站压缩机进气压力较低 （一般不大于2.0 MPa），实际工作排气压力3.0～20 MPa，容积流量大（一般大于2.0 m3/min），压缩级数多（一般为3～5级），如使用液压压缩机根据其原理可知在拖车初始充气时，气瓶内压力为泄气后压力（一般为3.0 MPa），此时进气压力与排气压力的差值很小，充分利用液压机的特点采用一级工作，此时油泵所需功率最小，能耗会明显小于机械压缩机（可像液压子站压缩机一样配置双泵或多泵，此时单台开机以节能），随着充气的不断进行，气瓶内压力会逐渐升高，油泵所需功率亦会逐渐增大，当排气压力达到某一设定值时可实时切换到多级压缩，当切换到3级及以上压缩时（末级排气压力约为10 MPa），液压压缩机能耗会大于机械压缩机，随着排气压力的继续升高，能耗差值亦继续加大。

母站压缩机由于要求排气量大，电机功率一般大于250 kW，虽然可采用配置2台泵或3台泵以减小单台电机功率，但电机总功率不会改变，此时由其工作原理决定的电流反复大幅度波动，对电网和电机的冲击会达到不容忽视的程度。

母站压缩机的容积流量，压缩级数特点同标准站压缩机一样，故其结构方面的理由分析同标准站压缩机。

如上所述机械母站压缩机只要在进气压力小于4.0 MPa，液压压缩机不会具有优势，至于进气压力大于4.0 MPa母站压缩机，液压压缩机是否具有优势应根据其实际进气压力和排气量大小综合评判。这一点，已通过我公司生产的“M型CNG汽车加气站用天然气压缩机”系列产品在市场运用中得到了充分的验证。

5 机械压缩机和液压压缩机在天然气加气站子站中的使用分析

子站压缩机进气压力较高（3.0～20 MPa），实际工作排气压力18～25 MPa，容积流量较小（一般小于0.5 m3/min），压缩级数少 （一般为1～2级），如使用液压压缩机根据其原理可知在拖车初始泄气时，气瓶内压力为充气后压力（一般为20.0MPa），此时进气压力与排气压力的差值很小，充分利用液压机的特点采用一级工作，此时油泵所需功率最小，能耗会明显小于机械压缩机（液压子站压缩机一般配置双泵，此时单台开机以节能，同时气量亦可保证，机械压缩机的能耗高主要在于电机负荷非常小，气体流动损失、摩擦功耗稍大），随着泄气的不断进行，气瓶内压力会逐渐降低，油泵所需功率亦会逐渐增大，当进气压力达到某一设定值时可实时切换到2级压缩，当进气压力降低到某一值（一般约为8 MPa左右），液压压缩机能耗与机械压缩机基本一致，随着进气压力的继续降低，两者的能耗差值出现并逐渐加大。

根据2012年及本年度调研情况，对液压子站压缩机与机械子站压缩机对比分析如下：

（1）液压子站压缩机平均排气量大于定频机械压缩机，小于变频机械式压缩机（电机总功率75 kW调研结果液压子站压缩机实际平均排气量约1400Nm3/h，最低进气压力3.5 MPa；定频机械子站压缩机理论平均排气量1200 Nm3/h最低进气压力3 MPa；变频机械子站压缩机实际平均排气量大于1800 Nm3/h最低进气压力3 MPa）。

（2）变频机械压缩机能耗低于液压子站压缩机；根据电机总功率75 kW调研结果液压子站压缩机其纯站电耗成本0.06元/Nm3（运行3800多小时平均整站电耗成本，最低进气压力3.5 MPa），另一变频机械压缩机和液压子站压缩机各一台加气站其整站电耗成本约0.05元/Nm3多一点，另一定频机械压缩机加气站其电耗成本约0.065元/Nm3（是否整站电耗不详）。

（3）液压子站压缩机噪声小（换向冲击声除外）。

（4）液压子站压缩机生产成本低、维护方便，更换小件便利；大修一般仅为更换机械等运动部件的密封件（本次调研用户液压子站已运行3800多小时仅更换2根溢流阀弹簧）。

（5）液压子站压缩机活塞一端封气，一端封油，而无刮油机构，故存在压缩气体含油量大风险。

（6）液压子站压缩机外泄漏小，正常工作时由于其没有往复压缩机的填料、机械环，因此没有从填料、活塞环处气体泄漏；但如果活塞密封环泄漏，会马上产生油气窜通，机组无法工作而停产。

（7）液压子站压缩机对基础要求不高。

（8）液压式压缩机液压系统对杂质的敏感高，杂质会引发液压件的快速磨损和失效，功耗增大，产气量下降，更换油泵、液压元件成本高。

（9）液压子站压缩机电流反复大幅度波动，对电网、电机有冲击。

液压压缩机的每一行程，电机电流变动范围远远超出小于66%的波动要求，破坏了电网和电机的正常运行。电机负荷在低于70%时电机效率、功率因素严重下降，功耗增加，且每一行程存在电机能力未能充分利用，排气量较小。变频机械压缩机由于能自动通过转速调节，使压缩机始终保持在满功率状态下工作，电机效率、功率因素均处于最佳状态，功耗最低，平均排气量大。

6 结论

如上所述，从功耗、压缩机的运行安全性等方面分析，机械子站压缩机如与液压子站压缩机竞争，应推荐采用变频机组，特别是90 kW，同时应通过改进或提高制造精度进一步达到减小占地面积、减小振动和噪声、降低生产成本，以加大机械子站压缩机竞争优势。

Comparison and Analysis of Mechanical Compressor and Hydraulic Compressor in CNG Compressors

WU Jun，LIU Jian-jie，ZHAO Cheng-lin，WU Jun
（Sichuan Jinxing Compressor Manufacturing Co.，Ltd，Chengdu 611731，China）

Hydraulic compressor faced with better opportunities for development in the current market，accurately to grasp the future market trends，the principles and characteristics of the mechanical compressor and hydraulic compressor were compared in the paper. Comparison performance of the mechanical compressor and hydraulic compressor used in the natural gas filling stations for its standard stations，mother stations and sub-stations are analyzed.

mechanical compressor；hydraulic compressor；natural gas filling stations

TH45

:B

1006-2971（2014）06-0036-03

2014-09-22