往复式压缩机变频和余热回收节能降耗技术及效果分析

工程技术
DOI：10.16660/ki.1674-098X.2020.16.049
往复式压缩机变频和余热回收节能降耗技术
及效果分析
①
景奇佳1 程松2
(1.赛鼎工程有限公司工艺设计部 山西太原 030032；2.江苏省东台市应急管理局基础科 江苏东台 224200)摘 要：往复式压缩机是煤化工行业非常重要的设备，本文以煤制天然气加压输配工艺中增压站的核心设备往复式压缩机为研究对象，针对往复式压缩机运行工况不稳定和压缩过程放热的特点，提出了采用变频和余热回收两种节能降耗技术并进行了分析，针对这两种节能技术提出了相应的技术方案并分析了节能效果，采用变频和余热回收技术节能效果显著。

关键词：往复式压缩机 节能降耗 变频 余热回收中图分类号：TE974 文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2020)06(a)-0049-03Abstract：The reciprocating compressor is a very important equipment in the coal chemical industry. The article studies the reciprocating compressor, the core equipment of the boosting station in the coal-to-SNG pressurized transmission and distribution process. Regarding the characteristics of unstable operation condition and compression heat release of reciprocating compressor, the article proposes and analyzes energy-saving and consumption-reduction of the two technologies of frequency conversion and waste heat recovery. Based on these two energy-saving technologies, the article proposes corresponding technical solutions and analyzes energy saving effects, and finds that their energy-saving effect is significant.Key Words：Reciprocating compressor; Energy-saving; Frequency conversion; Waste heat recovery
①作者简介：景奇佳（1984，2—），男，汉族，山西洪洞人，硕士，工程师，研究方向：燃气储运、燃气输配。

在各类煤化工工艺中压缩机都属于关键设备，对于气体压缩、提高气体纯度、提高生产质量起着至关重要的作用。

通过压缩机结构优化、功能提升，充分发挥压缩机在工艺生产中的作用。

往复式压缩机具有效率高、压比大、对于压力和流量的波动适应性强，工况易于调节，无喘振现象，流量变化对效率的影响较小等特点，往复式压缩机在煤化工行业应用非常广泛，因此，对往复式压缩机节能降耗技术及效果进行分析。

1 往复式压缩机节能降耗技术分析
1.1 变频
煤化工行业中，压缩机作为工艺生产环节中的关键设备被广泛使用。

一般根据最大气体处理量进行选型，如何使压缩机既满足工艺生产需求又能降低能源消耗是大家追求的目标。

煤制天然气输配中的增压站，承担将成品天然气加压后输送至长输管线的核心作用。

但增压工艺中的天然气进气量达不到设计之初的预算时，因压缩工艺中的压缩机运行中有最低转速要求，就会形成小马拉大车的能源浪费效应。

以某个煤制天然气项目为例，天然
气增压站选用2台12500Nm 3
/h的压缩机（1开1备，电压等级为10kV ）。

根据压缩机参数，压缩机单台的额定功率为630kW。

为了提高压力及大流量稳定供气，往复式压缩机系统采用变频调速。

因下游用户需求量发生变化时，需对压缩机排气量进行调节。

可根据用户对天然气的需求量，自动调整高压变频器频率，从而调节压缩机的电机转速，使进气量、排气
量发生变化，压缩机的能耗也会随之变化。

采用变频调速
技术，通过改变压缩机电机转速来改变压缩机转速，既能满足工艺需求又能达到节能降耗目的。

1.2 余热回收
往复式压缩机运行时产生的压缩热非常大，通常这部分热能通过压缩机机组配置的冷却系统进行冷却。

有资料显示压缩机在运行时，15%的电力消耗做有用功，85%的电力消耗通过冷却系统传入大气做了无用功。

往复式压缩机采用余热回收，可以增加能源利用率，降低能源消耗。

2 方案
2.1 采用变频技术
往复式压缩机变频节能技术，通过使用变频器对压缩机的驱动电机进行变频调速，通过改变压缩机电机的转速实现对压缩机吸气量的控制。

综合考虑某煤制天然气项目压缩机运行工况，应设置与单台压缩机电机功率630kW相匹配的10kV高压变频器及配套控制柜。

图1 压缩机热回收流程图
2.2 采用压缩机余热回收技术
本项目压缩机应采用余热回收技术回收热量，产生的热水可供职工生活用热水（洗浴、采暖等），节约能源消耗。

压缩机热回收流程如图1所示。

压缩机吸气后经压缩产生高温气高压气体，高温高压气体进入余热回收装置，与低温水换热后，高温高压气体变成低温高压气体，低温高压气体经压缩机配套冷却器冷却后出装置界区，而经换热后的冷水变为热水进入水箱，供采暖、洗浴等。

3 节能效果分析
3.1 采用变频技术
增压站采用往复式压缩机对天然气进行增压，每小时处理天然气的流量一般不是恒定的，是有波动的，介于此特点，压缩机应采用变频技术。

根据压缩机厂家提供的资料，压缩机采用变频节能技术不同的负载率每小时节电率是不同的。

压缩机单台的额定功率为630kW，压缩机的负载率为90%，运行台数为1台，需要系数取0.8，年运行时间取8400h，则年可节约电量为630kW ×1×0.8×8400h ×7%=29.64 ×104kW ·h/a，依据《综合能耗计算通则》（GB/T2589-2008）电的折标系数为0.1229kgce/kW ·h （当量值），折标煤36.43tce/a （当量值）。

3.2 采用压缩机余热回收技术
3.2.1 可回收热量计算
压缩机可回收的热量Q可根据下面公式计算。

Q 0=,()os i
m r cr cr q h h η×−× (1)式中Q 0——压缩机可回收的热量，（kJ/min ）,m r q ——质量流量，（kg/min ）i cr h ——余热回收冷却器的进口焓值，（kJ/kg）os cr h ——余热回收冷却器的出口焓值，（kJ/kg）η——余热回收冷却器的热回收效率
根据设备资料可知，压缩机的进口气体的温度为293k，压力为1.3M Pa （绝压），根据R E F PROP软件（REFPROP软件是一款国际权威工质物性计算软件，该软件是由美国国家标准技术研究所（NIST）研制开发）计算余热回收冷却器进口的气体温度为371K，压力为3.6MPa （绝压），余热回收冷却器出口的气体温度为303K，压力
为3.6MPa （绝压）。

通过REFPROP软件计算出三个点的状
态参数如下表所示。

根据压缩机进口气体的温度为293k，压力为1.3MPa （绝压），体积15.02m 3/min，密度为8.7695kg/m 3,则
,m r q =ρv
,m r q =8.7695kg/m 3×15.02m 3/min=131.72kg/min
根据表2可知i
cr h 为886.96kJ/kg，os
cr h 为1056.8kJ/kg，η取70%，根据公式（1）计算可得
Q 0=,()os i
m r cr cr q h h η×−×=15659.93kJ/min
则实际每小时可回收的热量Q 1为939.6MJ/h，压缩机每年运行8400h，则年可回收热量Q 2为7892.64GJ/a，每吨标准煤的热值为29307MJ，则折标煤为269.31tce/a。

3.2.2 余热回收利用可产生热水计算水的比热容为
4.1868kJ/（kg ·k ），即1kg水吸收4.1868kJ 的热量，温度会上升1℃。

热量计算公式为Q =Cm ·△t 式中C 为比热容，m 为水量，△t 为温度变化值。

冬季（冬季以11月到3月共5个月计），以入水温为5℃计算，水温从5℃提高到55℃，△t 为50℃。

压缩机每天可回收的热量Q 1为22550.4M J/d，所以冬天压缩机每天热回收可产生的热水量B 1=Q 1÷[4.1868kJ/（kg·k）×50] ÷1000=107.72t/d。

夏季（夏季以4月到10月共7个月计），以入水温为15℃计算，水温从15℃提高到55℃，△t 为40℃。

压缩机每天可回收的热量Q 1为22550.4MJ/d，所以夏天压缩机每天热回收可产生的热水量B 2=Q 1÷[4.1868kJ/（kg·k）×40]÷1000=134.65t/d （按照冬季和夏季回收热量相同计）。

根据加权平均算法，1台630kW压缩机热回收平均每天可产热水量B 3=（B 1×5+B 2×7）÷12=123.43t/d。

经以上计算可知该压缩机余热回收平均每天可产123.43t/d热水。

回收的热水可满足作为员工生活用热水以及冬季采暖等，若有剩余也可考虑向周边用户供应。

3.3 节能经济性分析
3.3.1 采用变频节能技术
本项目压缩机采用变频节能技术后，年可节约电力消耗29.64×104kW ·h/a，按照所在地区电价0.8元/kW ·h计，年可节约23.71万元。

序号压缩机负载率节电率（%）190728012370164602055024640287
30
32
表1 压缩机变频节能对照表
表2 三种气体状态的参数一览表
序号温度k 压力MPa 焓值kJ/kg 密度kg/m 31293 1.3886.38.76952371 3.61056.819.1623
303
3.6
886.96
24.303
(下转52页)
合，保护设备安全。

2.4 通信网络的防护
水文站的天线分为短波天线和超短波天线以及卫星地面站天线。

天线同轴电缆引下时采用双屏蔽电缆或者单屏蔽电缆，双屏蔽电缆外层屏蔽金属膜或者金属管道至少在两端，宜在防雷区的交界处等电位连接，当设备只要求一端等电位连接时，采用双层屏蔽电缆，内屏蔽金属膜做一端连接。

同轴电缆在靠近设备的一端应该根据不同的频率安装合适的电涌保护器。

水文站信号线主要由雨量计传输线和水位计传输线组成。

室外传输电话线和信号线尽量做到全部埋入地下敷设，于入户端处将信号线金属外皮和金属钢管连接在接地装置上，然后在电话线入户的地方安装电话线路电涌保护器。

站内供电线路与信号传输线路皆应该加以金属保护管，埋地安装，金属管道间导电贯通，两端在防雷交界处等电位连接。

缆道房内最好设置成环形的等电位连接，满足设备在不同地方进出导电物和电力线以及信号线等的需要，在等电位环上就近接地。

2.5 躲避防护
躲避防护方法是防雷措置当中最经济有效的，雷雨来临前关联设备关机、切断电源、拔掉电缆头等，简单易行，在任何防雷场合都是有效的，但是同时也阻碍了日常活动的进行，影响了工作效率。

另外在选择新的水文站地址时，应该考虑雷击方面的因素尽量避开雷击多发区，为日后防雷的工作减轻压力，也是一种科学合理的事前防雷思想和措施。

3 水文缆道防雷措施
3.1 缆索必须可靠接地
靠操作室一侧支架滑轮和支架本身都应妥善接地，除了利用支架基础等部位的自然接地体外，还应有专门敷设的接地装置，总的接地电阻值可参考电力部门和建筑物防雷的经验暂定为工频10欧，经试验确定。

3.2 避免将支柱顶的高电位引入操作室
循环索和起重索绞车均安装在操作室内，一般测站都是将循环索和起重索通过支柱（架）顶专项滑轮直接引入操作室，当雷击支柱顶时产生的高电位也会通过循环索和起重索引至室内，威胁人员和设备安全，为了降低操作室的过电压，建议在支架底部设置转向滑轮，并与接地装置妥善连接，使循环索、起重索沿支架引下至底部设置转向滑轮再入操作室。

3.3 操作室接地网
操作室内地坪四周应用扁铁或圆钢敷设环形接地网，使地面各点的电位分布尽量均匀些，以减小接触电压和跨步电压。

操作室面积较大时（超过4×4m2），可在1~2根两端与环形接地网内部增设纵横均压带各一根。

3.4 缆索防雷
雷击缆索时，雷电流经主索和主索的接地引下线（或利用循环回索、起重索作为引下线）和接地装置入地，如果雷电流很大，将使钢丝绳发热甚至熔断。

为了保证其热稳定 性能，钢丝绳的最小截面积应不小于35mm2，通常主索的直径在10mm以上，完全能满足防雷要求。

总之，水文站的防雷工作是系统而整体的，简单的添置防雷产品并不能解决雷电防护的需要，要根据具体情况具体分析，在国标基准和相关设计规范要求下进行灵活运用，构建完整防护体系，取得更好的防雷效果。

参考文献
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2010）[S].北京：中国建设出版社,2011.
[2] 袁东良,任志远,谷源泽,等.水文渡河设施水文设计与维
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[3] 水利电力部水文局,水文缆道规范（SD121-84)[S].北
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(上接50页)
3.3.2 采用压缩机热回收节能技术
压缩机采用热回收节能技术后，年可回收热量为7892.64GJ/a，按照25元/GJ计，年可节约19.73万元/年。

4 结语
(1)变频调速通过调节电机转速实现对压缩机转速的调节从而降低压缩机能耗，节能效果明显。

(2)变频调速可实现对压缩机压力、流量控制，从而满足复杂的工艺需求。

(3)压缩机采用余热回收技术，回收的热可用于职工生活用水、采暖等，若有余量还可外供。

通过技术经济分析节能效果较好，值得推广，建议尽快组织实施。

参考文献
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