往复式天然气压缩机（ G3616-JGZ/6型）热力计算及降耗研究

往复式天然气压缩机（ G3616-JGZ/6型）热力计算及降耗研究

鱼剑 芦锐 刘昌民

中国石油长庆油田分公司第三采气厂 内蒙古鄂尔多斯乌审旗

摘 要：本文主要进行了苏里格气田广泛使用的往复式天然气压缩机（G3616-JGZ/6型）的热力计算，由热力计算得出压缩机的排气量、排气压力、排气温度、功率和效率等，讨论其中的参数对压缩机耗能的影响，并说明余隙调节对排气量以及综合能耗直指标的影响，从而指导天然气压缩机组实际运行中如何使天然气压缩机组运行达到最高工作效率，以及如何在各种工况下满足排气量的需要从而更好的直到现场操作。

关键词：热力计算 排气量调节 降耗 提高效率

1 苏里格气田天然气生产工艺及压缩机组简介

1.1天然气生产工艺流程

集气站来气首先进入天然气处理厂集气区，再进行段塞流捕集之后进入天然气压缩机组，由2.4MPa增压到6.1MPa，最后进入脱油脱水装置处理后，合格的天然气经计量后外输至下游用户。

1.2苏里格气田天然气压缩机组简介

G3616-JGZ/6型天然气压缩机组采用卡特发动机、ARIEL压缩机，由美国艾克特伦公司组撬。

1.2.1发动机

型号：G3616LEL 额定功率：3531KW

压缩比：9.0：1 缸数：16

设计转速：1000RPM 燃气耗量：1072m3/d

1.2.2 压缩机

型号：ARIEL/JGZ 气缸数量/级数：6个/1级

气缸冷却方式：气冷 缸径：11CL

缸体材料：球墨铸铁

最高允许工作压力：17.58MPa

气阀形式：网状

1.2.3空冷器

型号：air-x-hemphill

1.3天然气压缩机工作原理

往复式天然气压缩机的工作原理：往复压缩机是通过曲柄－连杆机构将曲轴的旋转运动转化为活塞的往复运动，依靠缸内活塞的往复运动来改变工作腔容积，借以达到压缩气体提高气体压力的目的。当发动机曲轴通过连轴器带动压缩机曲轴旋转时（如图1所示），压缩机曲轴通过连杆、十字头、活塞杆带动活塞在气缸内做往复运动而实现吸气、压缩的工作循环。当活塞由外止点向内止点（曲轴端）运动时，气缸容积增大，压力减小，当其压力低于工艺气进气压力时，进气阀打开进气，而实现气缸的吸气过程，当活塞到达内止点时，吸气过程结束。在曲轴的带动下，活塞在向外止点运动，气缸容积减小，当压力大于工艺气排气压力时，排气阀打开排气，而实现气缸的压缩排气过程。

图1 压缩机工作原理

2天然气压缩机热力计算

2.1排气量计算

由于实际要求和换算方法的不同，压缩机的排气量有实际排气量和标准排气量两种。实际排气量是经压缩机压缩并在标准排气位置排出气体的容积流量，换算到标准吸气位置的温度、压力和全组分状态的气体容积值，表征压缩机的大小，而不能表明压缩机所能提供的有效气量。在化工工艺中，将标准排气位置的实际容积流量换算到标准工况的容积，称为标准容积流量。 2.1.1活塞压缩机吸气量

要知压缩机的排气量，在理论计算中应先了解其吸气量。

图2 吸气量计算图

压缩机工作时，缸内气体的压力，温度是不断变化的，而标准吸气位置的压力和温度是基本稳定的，故压缩机吸气量是折算到标准吸气位置状态的气体容积。

由图2可知，由于余隙容积的影响，使气缸有效吸气容积比理论值减少了 ，余隙容积对气缸容积的有效利用率的影响用容积系数表示。

另外，吸气终了是A点，此时的状态为p_A、T_A，所得每转的实际吸气量为V_s。

上式中， ，称为压力系数；

，称为温度系数。

2.1.2活塞压缩机排气量

压缩机每一转的排气量V_d等于吸气量V_s减去气体的外漏量V_l，单位时间的排气量是每一转的排气量和压缩机转速的乘积。

式中 V_l/V_d---相对泄漏量，它包括填料、气阀、活塞环等造成的泄漏。

式中 V_h-------气缸的行程容积；

n---------压缩机转速。

2.1.3从吸、排气量角度讨论节能降耗措施

由排气量的公式中看出在V_h确定的情况下，影响排气量的因素主要是排气系数和压缩机转速。下面分别讨论这其对排气量的影响以及如何调整使排气量增加，达到节能降耗的目的。

1. 容积系数

压缩气体时，气体中可能有部分蒸气凝结下来。我们知道液体是不可压缩的，如果气缸中不留有余隙，则压缩机不可避免地会遭到损坏。 因此，在压缩机气缸中必须留有余隙。余隙存在以及残留在余隙容积内的气体可以起到气垫作用，也不会使活塞与气缸盖发生撞击而损坏。同时，为了装配和调节的需要，在气缸盖与处于死点位置的活塞之间也必须留有一定的余隙。压缩机上装有气阀，在气阀与气缸之间以及阀座本身的气道上都会有活塞赶不尽的余气，这些余气可以减缓气体对进出口气阀的冲击作用，同时也减缓了阀片对阀座及阀盖的冲击作用。气缸中留有余隙就能给压缩机的装配、操作和安全使用带来很多好处，但余隙留得过大，不仅没有好处，反而对压缩机的排气量降低，效率下降。

容积系数是排气系数中最主要的部分，对实际排气量的影响较大。所以应该尽可能的减小余隙容积，提高排气量。从公式中可以看出，应该在保证安全的情况下尽量减小V_c。减小压力比，会使 减小， 增大。对于膨胀过程指数 ，由于残留气体与缸壁间的热交换， 是变化的，它的大小取决于膨胀过程中的热交换情况，若膨胀过程中气体吸热较多时，过程近似等温膨胀， 值就小，膨胀线平坦，容积系数就小。反之，当气缸冷却良好，缸壁温度较低，气体在膨胀过程中吸热较少， 值大，膨胀线陡，容积系数大。所以在压缩机现场应保持缸温冷却良好，出现缸温高的现象应及时检查解决问题。

图3 余隙容积对容积系数的影响

图4 压力比影响

图5 膨胀过程指数影响

G3616-JGZ/6型天然气压缩机有可调余隙装置，余隙可以通过余隙调节装置来调节余隙腔的容积。来满足排气量的调节要求。

图
3. 余隙调节装置结构图

2. 压力系数

压力系数表示的是由于压力降低而使吸气量减少的的程度。影响 的主要因素是气阀的弹簧力，过强的弹簧力会使吸气阀提前关闭，导致p_A降低， 值变小。所以在使用吸气阀时应检查弹簧力的大小，选择大小合适的。此外，吸气管道中的压力波动也会影响 值。若吸气终了正处于波峰时，压力系数就大；若处于波谷时 就小。

3. 温度系数

影响 的主要因素有：气体性质，当气体导热系数大时，气体易被加热， 值小；气体导热系数小时，排气温度小，缸壁温度低， 值大。压力比小则排气温度高， 值大。气缸冷却好则 大。

（4）泄漏系数

密封不好或长时间未保养维修的压缩机泄漏量会增加， 减小，因此应该使用密封良好的填料，气阀等，使泄漏量尽可能减小 值增大。

（5）压缩机转速n

转速对排气量的影响是明显的，生产中也经常采取提高转速以增加排气量的措施，但机器结构一定的情况下增加排气量，会使气流速度增加，从而使流动阻力损失增加，故功耗增加的会比排气量增加更多。

2.2压缩机排气温度和排气压力

2.2.1压缩机排气温度

压缩机排气温度是在标准排气位置测得的温度。

由热力学公式得：

由上式可知，吸气温度越高，压力比越大，气缸冷却效果越差，则排气温度高。对有油润滑的压缩机，排气温度过高会使润滑油碳化严重，粘度降低，润滑性能变差，且在高温下润滑油分解出挥发组分，在气阀和管道中积碳。

压缩机排气温度是是判断压缩机是否正常工作的重要参数，异常的排气温度说明机器工作不正常，如气缸润滑不良，冷却不好以及机器的气阀，填料，活塞环等易损件发生故障，要及时处理。

2.2.2压缩机排气压力

对于容积式压缩机而言，其运转时实际排气压力并不总是符合设计压力，其值取决于排气系统的压力，即“背压”。当压缩机排气量与用户需气量相适应时，系统在所需压力下稳定运行。若用气量减少，压缩机操作不变，则背压升高，压缩机的排气压力也随之升高。反之，当用户气量大于压缩机供气量时，背压降低，压缩机排气压力降低。

2.3功率和效率

活塞式压缩机所耗功率在石油化工中占有相当大的比例，因此，力求降低压缩机的功耗，节约能源是工业生产中的重要问题。

2.3.1指示功率

压缩机中直接消耗于压缩气体的功，也就是指示图上一个循环所需要的外功。单位时间消耗的指示功称为指示功率。对于理论工作循环可以用理论循环指示功求得理论知识功率。

由于压缩过程不同有不同的指示功率。

理论等温功率：

理论绝热功率：

2.3.2影响指示功率的因素

正确分析影响指示功率的因素有助于寻求节省功率的途径。

1. 由于吸排气过程的阻力损失，使压缩机的实际压力大于名义压力，这是使压缩机实际指示图大于理论指示图的主要因素，其中气阀阻力损失又占首位。因此改善气阀设计，及时清理气阀杂质，降低阻力损失，是降低压缩机功率消耗的重要途径。

2. 改善气缸冷却能使压缩过程指数减小，能节省功率。

3. 被压缩气体的性质也会影响功率消耗，绝热指数小的气体所需功率较小。在压缩前能将气体中的水分杂质清除也会节约功率。

2.3.3热力效率和比功率

压缩机的效率是表示压缩机工作的经济性的重要指标，取理论循环所消耗的功率作为衡量实际压缩循环的基础。

指示效率是压缩机理论循环功率与实际压缩循环指示功率之比。它大致反映压缩机气阀的阻力造成的能量损失以及实际压缩和膨胀过程与理论过程的差异等。压缩机的压缩过程更接近绝热过程。

（1）绝热指示效率：

（2）轴效率：

轴效率不仅反映了压缩机缸内的循环效率，还反映了机械结构机械摩擦损失的影响。

（3）比功率：

q=N/Q

压缩机的比功率是单位排气量所消耗的轴功率，这是表达机械效率的另一种形式。反映了同类型压缩机在相同的进、排气条件及相同的冷却条件下消耗能量的先进性。

3 G3616-JGZ/6型天然气压缩机组可采取的提高处理量和降耗措施

根据上述说明可以得出几点提高处理量和节约能耗的结论：

（1）尽量提高压缩机进口压力，保证一个低的压缩比，可以提高压缩效率，降低单位压缩气体的理论耗功，增加处理量。

（2）天然气压缩机组的余隙在安全的前提下应该尽量减少，这样即可以提高容积效率，增加压缩机处理量即增加压缩机效率。

（3）有时为了满足处理量和功率的要求，就需要在进口压力尽量高的情况下适量增加余隙。

（4）适当地降低吸气阀弹簧力，可提高压力系数。

（5）增强对缸壁面的冷却；采用导热性能良好的材料，增强气缸散热等途径，可以使温度系数有所提高。

（6）通过减小活塞与气缸体的配合间隙；对气阀优化设计，提高吸、排气阀片密封面的加工质量；提高制造安装质量，防止气阀不严密及延迟关闭等方法，可以有效地提高泄漏系数。

（7）工艺气管路在配套过程中，应该尽量使气路简捷，减少弯头等压降大的部分，降低气体在管路内的阻力损失。

（8）定期检测进排气阀、活塞环和填料函等易泄漏部件 在填料函、活塞环等密封处，以及当气阀阀片不能及时关闭时，会出现气体从高压区向低压区泄漏，外泄漏气体会直接降低排气量，内泄漏气体造成气体重复压缩，增加功率消耗，并影响排气压力和温度。

4小结

综上所述，本文主要对压缩机压缩过程进行了热力计算，通过对各个参数的讨论，研究提高压缩机排气量，提高压缩机效率的多种措施，综合考虑以上因素，将对节能降耗以及压缩机的稳定工作有重要意义。

参考文献

【1】张湘亚。石油化工流体机械。石油大学出版社 。1996