天然气加气站压缩机组效率的计算方法

徐秀芬 李泓霏 刘国豪

1. 东北石油大学机械科学与工程学院 2. 中国石油天然气股份有限公司管道分公司管道科技研究中心

0 引言

对天然气加气站的总体能耗进行分析发现，电驱往复式压缩机组（天然气加气站）和潜液电泵机组（液化天然气加气站）在整个加气站工艺过程中的能耗最大。压缩机组效率和潜液电泵机组效率作为评价这两种设备能效水平的重要指标[1-2]，许多专家都曾对其进行了深入研究和探讨，其中潜液电泵机组效率通常利用泵流量、扬程、重力加速度的乘积与电动机输入功率的比值进行计算[3]，目前这种方法在行业内被广泛采用，几乎没有异议；而对于加气站压缩机组效率，至今仍未有准确、可靠、操作性强的计算方法[4]。因此，在明确传统理论计算方法的基础上，首次提出压缩机组平均效率（也称压缩机组效率）的计算方法，并对加气站的多台压缩机组进行了测试与计算，以验证该方法的准确度和可靠性，以期为相关部门对压缩机组效率的计算和监测提供依据。

1 压缩机组的精确效率计算

压缩机的指示功是指压缩机中直接消耗于气体的功，即由示功器记录的压力—容积图所对应的功[5]。通常压缩机的实际示功图很复杂，很难直接得到计算公式，理论上可采用机械示功器、电子示功器及计算机采集数据绘制指示图的方法得到压缩机的示功图[5-6]，然后利用求积仪或按式（1）～（3）的计算方法计算，得到压缩机的指示功率。压缩机每转的指示功为：

式中Wk表示压缩机每转的指示功，kJ；Pi表示第i个时刻压缩机气缸内的压力，Pa；A表示压缩机活塞面积，m2；Si、Si＋1表示第i、i＋1个时刻压缩机活塞位移，m；m表示压缩机的一个循环过程按时间被平均划分的份数。

压缩机的指示功率为：

式中Pk表示压缩机指示功率，kW；n表示压缩机转速，r/min。

压缩机组效率按下式计算：

式中ηjq表示压缩机组效率；Pd表示压缩机组输入功率，kW。

天然气加气站压缩机的特殊之处在于，因储气设施内的压力随压缩机的工作而不断增大，导致压缩机每转的指示功率不完全相等，且压缩机上通常不加装活塞的位置传感器和缸内压力传感器，要准确测试和计算压缩机的指示功率十分困难。因此，这种计算方法在现场测试中较难操作，需研究探索更为简便、准确的方法来对压缩机组的输出能量进行计算。

2 压缩机组的平均效率计算

当压缩机对气体做功，将气体注入加气站储气设施（包括车载储气瓶组、埋地储气瓶组和储气井）时，储气设施内的原有气体也会因新注入的高压天然气而有能量的增加。因此，压缩机组输出能量不仅包括储气设施内新增气体携带的能量，还应包括储气设施内原有气体能量的增加值。在计算过程中，首先应确定测试阶段内储气设施内的新增气量以及启动压缩机前储气设施内的原有气量，根据压缩前后气体的焓差[7]，计算得到储气设施内所有气体总能量的增加值，即为压缩机组的输出能量。压缩机组的输出能量与耗电量的比值即为该压缩机组的平均效率。

2.1 测试阶段内的新增气量

测试阶段内的新增气量是指在测试阶段内加气母站槽车气瓶的新增加气量，或标准站、机械子站及液压活塞子站压缩机组的通过气量。

压缩机启机时储气设施中原有气体的状态方程为：

式中p1表示启机时储气设施中天然气的绝对压力，Pa；Vd表示储气设施的设计容积，m3；Z1表示启机时储气设施中气体的压缩因子；n1表示启机时储气设施中存留气体的量，mol ；R表示摩尔气体常数，数值约为8.314 5 J /（mol·K）；T1表示启机时储气设施中气体的温度，K。

储气设施中原有的n1mol气体在标准状况（0.1 MPa，20 ℃）下的状态方程为：

式中p0表示一个标准大气压，数值为101 325 Pa；V1表示n1mol气体在标准状况下的体积，m3；Z0表示标准状况下气体压缩因子，可采用AGA8-92DC方法[8-10]进行计算；T0表示标准状况下温度，数值为293.15 K。

由式（4）、（5）可得压缩机启机时储气设施中原有气体在标准状况下的体积为：

压缩机停机时储气设施中所储存气体的状态方程为：

式中p2表示停机时储气设施中天然气的绝对压力，Pa；Z2表示停机时储气设施中气体的压缩因子；n2表示停机时储气设施中所储存气体的量，mol；T2表示停机时储气设施中天然气温度，K。

压缩机停机时储气设施中所储存的n2mol气体在标准状况下的状态方程为：

式中V2表示停机时储气设施中所储存气体在标准状况下的体积，m3。

由式（7）、（8）可得压缩机停机时储气设施气体在标准状况下的体积为：

压缩机停机时与启机时储气设施内气体量的差值，即测试阶段内的新增气量ΔV，按下式计算：

2.2 天然气比焓值计算

任意工况下实际天然气的比焓值可由两种方法计算：①参照式（11）～（21）进行估算[11]；②将实测的天然气气体组分输入软件进行计算。

天然气视分子质量按下式计算：

式中M表示天然气视分子质量；Mi表示天然气第i组分相对分子质量；xi表示天然气第i组分摩尔分数。

天然气气体常数（Rg）按下式计算：

天然气组分的质量分数按下式计算：

式中yi表示天然气第i组分的质量分数。

理想气体进（出）口比焓值按下式计算：

式中h0表示天然气比焓值，kJ/kg；hi0表示天然气第i组分的理想气体比焓值，kJ/kg，其值与进（出）口温度有关。各组分的比焓值如图1所示。

天然气视临界压力按下式计算：

式中pc表示天然气视临界压力，MPa；pci表示天然气第i组分临界压力，MPa，部分烃类及非烃类组分的临界压力如表1所示。

天然气进、出口视对比压力按下式计算：

式中prinj、proutj表示第j级压缩机进、出口天然气视对比压力；pinj、poutj表示第j级压缩机进、出口压力，MPa。

天然气视临界温度按下式计算：

图1 天然气各组分理想气体比焓值图

表1 部分烃类及非烃类组分的物理化学常数值表

式中Tc表示天然气视临界温度，K；Tci表示天然气第i组分临界温度，K，部分烃类及非烃类组分的临界温度见表1。

天然气进、出口视对比温度按下式计算：

式中Trinj、Troutj表示第j级压缩机进、出口天然气视对比温度；Tinj、Toutj表示第j级压缩机进、出口温度，K。

实际气体比焓值按下式计算：

式中δ表示实际气体比焓值的修正系数，可根据prinj、Trinj和proutj、Troutj查图 2 得到[12]。

上述比焓值的计算方法需要读取图中数值，计算复杂且准确度较差；也可采用美国国家标准与技术研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）研制的REFPROP软件对不同工况下实际天然气的比焓值进行计算[13]，该方法简单方便且准确度较高。

图2 实际气体比焓值的修正系数图

首先点击Substance-De fine New Mixture，根据气质分析报告中天然气各组分的摩尔分数（Mole Fraction）或质量分数（Mass Fraction）新建天然气流体；点击Calculate-Isoproperty Tables，选择Temperature-Pressure（或 Pressure-Temperature），输入该工况下的温度、压力区间及步长，即可得到该气体组分的天然气在给定工况下的实际比焓值（Enthalpy）。同时，也可点击Plot-Setup Pressure vs. Enthalpy Plot（或Temperature vs. Enthalpy Plot），观察该气体在给定压力、温度变化范围内比焓值的变化趋势。

2.3 计算压缩机组输出总能量

电驱往复式压缩机组输出总能量即储气设施中因引进天然气而获得的总能量，包括测试阶段内新增加气量的能量增加值（WT1）和压缩机组启机时储气设施中原有气量的能量增加值（WT2）。

测试阶段内新增加气量的能量增加值（WT1）可按下式计算：

式中ρq表示标况下天然气的密度，kg/m3；hout表示停机时压缩机出口气体比焓值，kJ/kg；hin表示启机时母站或标准站压缩机进口气体比焓值，或测试开始时机械子站、液压活塞子站槽车气瓶中气体比焓值，kJ/kg。

压缩机组启机时储气设施中原有气量的能量增加值（WT2）按下式计算：

式中V1表示母站压缩机组启机时槽车气瓶中气量，或标准站、机械子站及液压活塞子站储气瓶组（井）中的气量，m3；hin1表示启机时母站槽车气瓶中气体比焓值、标准站和机械子站或液压活塞子站储气瓶组（井）中气体比焓值，kJ/kg。

hout、hin与hin1按2.2中方法计算。电驱往复式压缩机组输出总能量（WT）按下式计算：

2.4 压缩机组平均效率

电驱往复式压缩机组平均效率按下式计算：

式中ηdq表示电驱往复式压缩机组平均效率；Pdq表示测试阶段内机组耗电量，kW·h。

3 现场测试与计算方法的应用

在一定测试阶段内对天然气加气站的多台电驱往复式压缩机组进行现场测试，表2为某天然气加气母站的气质组成情况，利用2.2中推荐的REFPROP软件计算得到压缩机进口气体比焓值hin、停机时压缩机出口气体比焓值hout以及启机时槽车内气体比焓值hin1，该气体比焓值随压力、温度的变化趋势如图3所示，测试参数及计算结果如表3所示。

表2 天然气气质组成表

图3 该气体比焓值图

压缩机组平均效率：

表3 基础参数及计算结果表

单位加气量电耗是指测试阶段内压缩机组累计耗电量与加气量的比值，经计算该压缩机组的单位加气量电耗为0.078 19 （kW·h）/ m3。

对测试的多台天然气加气站压缩机组的平均效率和单位加气量电耗进行计算，结果如表4所示，其变化趋势如图4所示。由图4可知，各压缩机组的平均效率与其单位加气量电耗呈反比，单位加气量电耗较低的压缩机组平均效率较高，也可侧面反映平均效率计算方法的科学性与合理性[14-20]。

表4 多台压缩机组平均效率及单位加气量电耗计算结果表

图4 各压缩机组平均效率与单位加气量电耗变化趋势图

4 结论

通过现场测试与计算，压缩机组平均效率的计算方法较传统的理论计算方法具有所需测试参数少、计算过程简单、可操作性强、结果可靠等优点，相关监测部门和工作人员经测试和计算即可得到压缩机组效率。因此，该加气站压缩机组平均效率的计算方法可为评价压缩机组及加气站的能效水平提供理论支持，从而提高压缩机组的经济性能，全面推进加气站的降本增效。