CNG加气站压缩机的选择

CNG加气站压缩机的选择

康志刚杨慧武汉市燃气热力规划设计院湖北武汉430015 Abstract：The general technical situation of natural gas compressor in CNG fueling station in China，the assessment standard for the compressor choice and the technical points are discussed.

Key words：CNG fueling station；compressor；structural type；air-flow pulsation；lubrication mode；cooling mode

1 概述

随着全球石油资源的日趋短缺以及对环保节能的新要求，天然气在车用能源上的优势日显突出。我国在20世纪80年代后期，由四川石油管理局引进第一台成套天然气加气和车辆改装设备。截至2006年，我国已经建成了不同类型的天然气加气站(CNG站)逾700座，拥有天然气汽车逾30×104辆。随着陕一京线、西气东输、忠武线等大型输气管道的陆续投入运行，我国的CNG汽车加气站的发展将迎来新的机遇。笔者在平时的设计工作中，接触的进口的压缩机品牌分别有美国Ariel、加拿大IMW、意大利Safe、意大利Fornovo Gas，国产的压缩机品牌分别有自贡通达、重压、四川金星、安瑞科等。

天然气压缩机作为CNG加气站最主要的核心设备，其采用的技术与很多基础机械工业相关。无论是设计理念、材质、热处理技术、加工精度都必须要达到很高的水平，以压缩机的连杆为例，不仅要考虑到它的负载特征，还要对其运行的温度作严格的限制。因此，在确定气体组成、进气压力、排气压力等重要参数后，还必须使用专用设计软件对压缩机的各项参数进行计算，在合理的温度条件、合理的连杆负载下核实其负载能力。在这方面我国压缩机制造水平与国际先进水平相比，特别是与国外大型压缩机公司相比，还有很多可学之处。

国内使用的天然气压缩机在气缸布局上是以W型、V型、D型、L 型为主，排气量为300～1500m3/h，也有排气量在1500m3/h以上的机型，冷却方式为水冷或混冷(压缩天然气采用风冷，气缸与润滑油采用闭式循环水冷)。国外天然气设备成橇商陆续进入中国，也给国内带来了先进的压缩机技术，压缩机大排气量、小体积、少油润滑、全自动运行、风冷技术等都反映了当今的国际先进水平。随后国产压缩机也不断地学习和开发研究，部分产品已经开始推广使用，但其技术水平与国外先进水平仍然有一定的差距。

2 压缩机选择的评估标准

2.1 制造标准

在各国的制造标准中，设立最早并且最为完善的是美国石油协会API 618《石油、化工和气体工业往复式压缩机》标准，其标准号为API 618—2008。相对于其他制造标准，该标准对制造商的设备性能提出了很多的约束条件，以保证用户使用设备的安全性和稳定性。

2.2 适用性

设计应与应用条件一致，系统才能高效率运行。

① 设计的吸气压力、排气压力、气体流量应满足需要，确保加气量和加气速度满足用户需要。

② 系统各部分的性能应匹配，特别是压缩机、电机、冷却系统、控制系统、过滤回收系统之间的性能应匹配。

③ 系统设计应满足实际运行环境，特别是冷却系统。目前压缩机风冷技术是国际发展趋势。

2.3 可靠性

系统和各元件的质量可靠，减少维护费用和停机检修时间。这一点往往容易被用户忽略。质量一流的部件是创造系统高可靠性的重要保证，这包括：

① 压缩机，其中包括缸体、连杆、活塞和气阀等。

② 用于驱动压缩机和冷却风扇的电机。

③ 仪器、仪表、手动或自动阀门、调压阀、安全阀、各种压力和温度传感器及开关等。

④ 稳定高效的控制系统。

⑤ 易损件，其寿命应保证长时间运行，少油润滑压缩机应保证8000h。

2.4 安全性

系统的安全性由压缩机每个元件所设立的安全措施来进行保障。它包括：

① 系统的泄压阀。

② 系统入口的自动切断阀。

③ 系统压力容器和主要管道要设立安全阀。

④ 压缩机的各级之间和出口应有温度和压力传感器。

⑤ 压缩机应装有振动保护开关。

⑥ 电机应装有过流过载保护装置。

⑦ 系统中的电气设备必须满足防爆要求。

2.5 经济性

系统的经济性可以通过以下的指标进行衡量：

① 系统的能耗指标，特别是压缩机组主电机的能耗，这是加气站的主要运行成本。我们在压缩机选型时，通常的做法是在同样的入口压力条件下，对不同型号压缩机的单位能耗进行对比，在这个过程中通常进口设备有较大的优势。

② 冷却方式也对设备的经济性有较大的影响。现在公认风冷是CNG压缩机发展的方向。一般风冷却器的制造费用是水冷却器制造费用的1.5倍。而在寿命期内，水冷却器的维护费用是风冷却器的几倍甚至更多，还要建水处理装置等，而且对锈蚀和水垢的处理仍然无法彻底解决。

③ 易损件的使用寿命决定了压缩机无故障运行的时间。如果易损件寿命短，将会增加设备的停机维护时间、人员的工作量、零件的采购费用，从而增加运行成本。

3 CNG压缩机选型的技术要点

3.1 压缩机结构型式

天然气压缩机结构型式多为w型、L型，曲轴为常曲拐设计，导致往复运动部件——活塞、活塞环、活塞杆、填料、十字头均易产生偏磨，

造成压缩气体泄漏、气体含油量增加。由于其体积流量和功率等级很难达到大型要求，角度式天然气压缩机以中小型为主，在实际运用中排气量多在3000m3/h以下。

随着越来越多的国内用户引进国外的天然气压缩机，我们选用了更为先进的水平对称式压缩机。该机型气缸为水平对称平衡式结构，曲轴互成180°，使得惯性力、惯性力矩均平衡，而且切向力十分均匀，因此，振动非常小，运转平稳，运行噪声低。相对于角度式天然气压缩机，对称平衡式压缩机的转速更高，活塞环、填料的工作条件较好，现在是国内大排气量天然气加气母站和标准站用天然气压缩机的主导结构型式。

3.2 润滑方式

选择有油润滑还是无油润滑压缩机，一直困扰着许多的用户。从目前国内对国产和进口压缩机的使用情况来看，少油润滑压缩机是天然气压缩机的发展趋势。这是因为少油润滑压缩机在运行过程中润滑油参与气缸和填料函的动作，保证了压缩机在高转速(1500r/min)下易损件的寿命，且润滑油也参与了气缸的密封、清洁和降温。如进口少油润滑压缩机的易损件寿命都达到8000h以上，甚至能达到16000h。

大部分的无油润滑压缩机由于需要考虑气缸的磨损以及摩擦热的问题，只能保证压缩机在低转速(1000r/min)下运行，即使这样还是不能保证易损件的寿命。通常无油润滑压缩机的易损件寿命为4000h，有些国产压缩机的易损件寿命只能达到2000h甚至更低，而且在填料函和活塞环过早损坏后，曲轴箱润滑油也进入气缸，导致气体含油量增大。

3.3 气流脉动和振动

这是很多用户在选择压缩机时容易忽视的问题之一。气流脉动也是往复式压缩机都必须解决的一个问题，过大的气流脉动会引起压缩机的振动，对整个橇体内的元件造成损伤。API 618《石油、化工和气体工业往复式压缩机》第3.9条对气流脉动和振动的消除作了明确的规定，用户在采购压缩机时可以要求制造商提供脉动分析报告，并且要明确气流脉动装置的设置。

3.4 冷却方式

笔者通过对国内外多款压缩机的实际运行状况的分析认为，要消除水冷压缩机的固有弊病，较好的办法是选择全风冷压缩机。有的企业认为，水冷或混冷的压缩机冷却效果要优于风冷。这种看法是不全面的。CNG 压缩机在国外已经有逾70年的历史，从最初的水冷、风冷两种冷却方式并存，演化到现今以风冷为主流。这说明：①国外成熟压缩机技术更倾向采用风冷，由于很好地控制了压缩机各级的压缩比，并不存在排气温度过高的问题。②国内由于CNG压缩机领域的技术相对滞后，在宣传中夸大水冷机组的表面好处，却回避了水冷机组的许多不足：结垢、腐蚀增加运行成本等。

实践证明，很多进口全风冷压缩机的压缩工艺流程设计的合理性保证了每级气缸的排气温度不超过160℃，在实际运行中有的气缸排气温度不到100℃，在分级冷却后出口温度高于环境温度的值小于15℃，冷却效果非常明显。

4 结语