多变指数对压缩机能效的影响分析

兰海涛，田家林，马国兴，马文采，张煜(.中国石油股份有限公司青海油田分公司钻采工艺研究院，甘肃 敦煌 7360；.西南石油大学机电工程工学院，四川 成都 60500)

0 引言

天然气作为一种清洁能源，具有绿色环保、经济实惠、安全可靠等诸多优点[1]。压缩机作为气田开采集输、天然气长输增压过程中必不可少的关键设备，具有压力范围广、压缩效率高等优点[2]。压缩机的能耗与热力过程和压缩功密切相关，合理使用有限的能源，减少能源的浪费，是工业生产中的重要问题，也是社会可持续发展的必须解决的问题[3]。如图1所示，从压缩机在运行工作流程来看，有膨胀、吸气、压缩以及排气四个过程。压缩气体的功耗和气体的热力性能有关，若气缸冷却十分完善，气体在气缸内的流速很慢时，气体受压缩产生的热量全部都及时传走，可将压缩过程视为等温压缩[4]，压缩过程如图1中1-2-3″-1，此时功耗最省，对于节能来讲效果十分显著[5]。若气缸冷却条件极差，气体流速很快，气体在压缩过程所产生的热量全部都无法散失，则视为绝热过程，如图1中1-2-3′-1所示，此时功耗最大。在往复式活塞压缩机实际运行的过程中，压缩过程是介于等温压缩和绝热压缩之间，即是一个多变过程。

图1 压缩机循环指示图

气体多变指数m介于气体等温压缩n=1和绝热压缩n=k之间，因此压缩机的工作过程是一个复杂多变的过程[6]。天然气是一种混合工质，在实际压缩过程中并不能视为理想气体，多变过程决定着压缩机压缩气体过程的功耗，压缩过程的多变指数与天然气的组分和热力性能有关，文章在天然气组分一定的情况下，分析压缩机排气温度和排气压力对压缩机多变指数的影响，对压缩机优化运行，节能降耗具有实际意义。

1 气体多变指数与压缩机效率关系

由于天然气是有互不发生反应的多种气体组成的混合气体，而单一气体组分的热力性能有所差异，因此天然气气体组分是影响多变指数的一个因素[7]。在天然气压缩过程中，随着气体被不断压缩，压力和温度升高，气体某些状态参数时刻都在发生显著改变，而且压缩过程中与外界存在着热量交换，总的来说，压力和温度是影响多变指数的重要因素。

1.1 气体多变指数的确定

天然气压缩机运行过程中压缩比为：

式中：εi为第i级压缩比；pouit为压缩机第i级排气压力(MPa)；pini为压缩机第i级进气压力(MPa)。

多变指数计算m方法为：

式中：mi为多变指数；Touti为压缩机排气温度(K)；Tini为压缩机进气温度(K)。

1.2 压缩气体有效功率的确定

压缩机有效功率与进口天然气流量、天然气相对密度、天然气压缩因子、天然气气体常数、压缩机进口温度、多变指数以及压缩机进出口压力有关，由上一节的分析已知，多变指数是与压缩机进出口温度和压力有关的。

根据文献[6]，天然气相对密度计算方法为：

式中：SG为天然气相对密度；Mj为天然气组分j的摩尔质量；Mair为标准组分的干空气摩尔质量，取28.963 6 kg/kmol。

天然气气体常数计算方法：

式中：R′为天然气气体常数；R为通用气体常数(kJ/(kmol·K))，取8.314 kJ/(kmol·K)；μ为天然气摩尔熵(kJ/(kmol·K))。

压缩气体所需有效功率为：

式中：HEi为压缩机第i级有效功率(kW)；Gin为压缩机进口天然气流量(标准状况下)(m3/h)；ρa为标准状态下的空气密度(kg/m3)；Zin为压缩机第i级进口压力下天然气压缩因子。

1.3 压缩机级间效率

压缩机第i级多变效率计算方法：

式中：ηTi为压缩机第i级多变效率；houti和hini分别为压缩机第i级进出口焓值(kJ/kg)，焓值与气质组分、温度和压力均有关，计算方法见SY/T 6637—2012。

1.4 压缩机效率

压缩机效率等于压缩机各级有效功率的总和与轴功率的比值，计算方法为：

式中：ηT为压缩机效率；HP为压缩机轴功率(kW)，按照式(8)计算：

其中，HPi为压缩机第i级轴功率(kW)，计算方法如式(9)：

2 计算实例

以涩北二号气田9号站为例，其天然气气质组分如表1所示，选取其一级气举压缩机进行计算分析。

表1 天然气各组分摩尔百分数

根据气质组成成分，得到天然气的物性参数如表2所示。

表2 物性参数数据

一级气举压缩机的运行参数如表3所示。

表3 一级气举压缩机运行参数

由上述方法和参数数据计算结果如表4所示。

表4 工况条件下多变指数、有效功率和压缩机效率计算结果

若该增压站天然气气质成分不变，处理气量、进气压力、吸气温度均保持不变，假设通过改变冷却条件使压缩机的排气温度发生改变时，天然气压缩机的排气压力不发生改变，计算结果如表5所示。

表5 天然气多变指数和有效功率以及多变效率随排气温度的变化

通过分析结果可以看出，在其他条件不变时，随着排气温度降低，多变指数也会降低，有效功率有所下降，压缩机效率增加。

若该增压站天然气气质成分不变，处理气量、进气压力、吸气温度均保持不变，假设通过改变排气阀出口压力使压缩机的排气压力发生改变时，天然气压缩机的排气温度不发生改变，计算结果如表6所示。

表6 天然气多变指数和有效功率以及多变效率随排气压力的变化

以上分析结果可以看出，在其他条件不变时，当排气压力的升高时，多变指数降低，有效功率明显增加，压缩机效率升高。但研究表明，随着出口压力增大，排气量会出现下降，因此，通过改变排气阀出口压力来改变压缩机排气压力时，应保持在一个合理的范围内。

3 节能措施

当压缩机组确定以后，增压站天然气组分一定的条件下，可通过改善冷却条件来降低压缩机排气温度，如对气缸进行多条油路注油润滑，使气缸冷却速度加快，冷却更充分，降低排气温度，提高效压缩机率。调节排气阀出口压力选择合适的排气压力，有利于提高压缩机效率。另外，由分析可知，压缩机有效功率也会随着处理气量、多变指数、压力和温度等发生改变，将可编程控制器应用于压缩机控制系统中，通过对压缩机工况的采集，利用变频技术调整电动机转速来改变压缩机转速，根据压缩机的有效功率调整输入功率，提高压缩机组系统的效率。

4 结语

在天然气气体组分相同时，气体多变指数、有功功率和压缩机效率与排气温度和压力均有关系，通过改善冷却条件提高冷却性能，调节排气阀压力适当改变压缩机排气压力，可提高压缩机效率，根据压缩机工作条件，调节电动机输入功率，可降低电能的消耗，提高系统的能量利用率。