1 原有活塞往復式壓縮機壓縮工藝
活塞往復式壓縮機常用的一種驅動方式是電動機驅動，設計時，電動機的額定輸出功率要大于活塞往復式壓縮機10％，再按電機輸出功率標準規格．取上限值來確定電動機。而活塞往復式壓縮機在運行時通常是根據用戶要求，在不同的工況f入口壓力，出口壓力，氣體流量等)下，設計成不同的壓縮級數．壓縮機將氣體從一個較低的入口壓力逐級壓縮后升到一個較高的出口壓力。壓縮級從第一級到末級連續式消耗運行，而此時電動機輸出功率基本上是一個定值。
舉例如下：
工況是海拔0m，大氣壓力0．1MPa．環境溫度37．8℃，人口壓力1MPa，出口壓力25MPa．氣體流量2 754Nm3/h．
所設計的壓縮機是臥式4級4列對稱平衡型．見圖1所示．
具體參數如表l、表2。
所選電動機的額定輸出功率為316．6×1．1：348kW．取標準規格370kw。
由表3中的參數我們可以看出．活塞往復式壓縮機在天然氣入口壓力是1MPa,經活塞往復式壓縮機壓縮后出口壓力是20MPa．氣體流量2 754m‰時運行，如果按壓縮級從第一級到第四級連續工作．將在出口壓力達到20MPa時的氣體直接充人用戶的儲氣容器中，所消耗的電功率是每小時370kw．此時排1Nm3氣體、所消耗的功率是3j0／2 754：0．134kW。
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沖程長度
(cm) |
連桿長度
(ct) |
額定活塞桿氣體盤荷
(kg) |
額定活塞桿凈負荷
(kg) |
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7.62 |
2L 59 |
5 897 |
4 990 |
表1
2改進的活塞往復式壓縮機壓縮工藝
將活塞往復式壓縮機由各級連續式消耗電功率改成階梯式消耗電功率。由于活塞往復式壓縮機在壓縮氣體時各級消耗的電功率不同，并按壓縮級的升高而逐級疊加，而用戶的儲氣容器在達到所要求的儲氣容積時，在不同的充氣壓力點．所需要的時間不同，所消耗的電功率也不同。因此我們設計了一種新的控制方法將活塞往復式壓縮機由各級連續式消耗電功率改成階梯式消耗電功率。
仍以上面的例子來說明：
為便于計算和說明問題，我們假設拖車內壓力O．2MPa，水容積2 754／200=13．77m3,車內有天然氣2×13．77=27．54 Nm3．
當活塞往復式壓縮機第一級將天然氣從lMPa壓縮到2．4x0．9=2.16MPa=21．6kg／em2,在用戶的儲氣容器達到21．6kg/cm時．再轉換到兩級壓縮．我們把這個時間段定義為狀態一．
狀態一完成時，壓縮機向車內充人天然氣21．6×13．77=297．4—27．54=270 Nm’．完成狀態一所用的時間為270／2 754=0．098h�；钊鶑褪綁嚎s機第一級軸功率經計算為94．86X0 9=85．37kW．完成狀態一所做的功為85．37X0．098=8．37kw．h．
當活塞往復式壓縮機第二級將天然氣從2．16MPa壓縮到5．29x0．9=4．76MPa,=47．6 kg，cm2在用戶的儲氣容器達到47．6 kc／era~時．再轉換到三級壓縮，我們把這個時間段定義為狀態二。
表2
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排氣流量
(mJ／h) |
標準大氣壓
(MPa) |
常溫
(℃) |
消耗功率
rm |
轉速
|
單捧量功率
tVO |
|
2754
|
0101
|
15.6
|
備級功率總和
316,6 |
1 485
|
排1Nm’氣所消
耗的功率0115kW |
狀態二完成時，壓縮機向車內充入天然氣47．6x13．77=655．45-297．4=358Nm3．完成狀態二所用的時間為358／2 754=0．13h�；钊鶑褪綁嚎s機第二級軸功率經計算為181x0．9=162．77kW，完成狀態二所做的功為162．77x0．13=21．16 KW．h。
當活塞往復式壓縮機第三級將天然氣從4．76MPa壓縮到13．35x0．9=12MPa=120 kg&mj在用戶的儲氣容器達到120 k加m。時，再轉換到四級壓縮．我們把這個時間段定義為狀態三。
狀態三完成時，壓縮機向車內充人天然氣120x13．77=1652．4-655．45=997Nm3,完成狀態三所用的時間為997／2 754=0．36h，活塞往復式壓縮機第三級軸功率經計算為277．2x0．9=249．5kW,完成狀態三所做的功為249．5x0．36=90k．h。
當活塞往復式壓縮機第四級將天然氣從12MPa壓縮到20MPa=200 kg／cm2，在用戶的儲氣容器達到200kg/cm2時，我們把這個時間段定義為狀態四。
狀態四完成時。壓縮機向車內充人天然氣200x13．77=2 754-1 652．4=1101．6 N一．完成狀態四所用的時間為1 101．6／2 752=0．4h，活塞往復式壓縮機第四級軸功率經計算為316．6 kW，完成狀態四所做的功為316．6x0．4=126．64kW．h。
我們將活塞往復式壓縮機各級壓縮所消耗功疊加
(8．37+21．16+90+126．641×1．1=270．8kW-h
即（O．098+0．13+0．36+0．4)=1小時所消耗的功率是270．8kW。
由此我們可以算出階梯式比連續式活塞往復式壓縮機運行1h可節約(1-270．8／370)=27％的能耗。
注：
f11乘0．9的系數是為了使壓縮機級間實現平穩的轉換。
f21由于我們采用的是變頻控制電機驅動，使電機的輸出功率與壓縮機的軸功率相匹配。
f31考慮到各階梯段單獨工作時壓縮機實際輸出的軸功率比連續式算出的功率高3％和因加氣時間延長約7％所消耗的功率，所以用理論值乘1．1的系數。
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壓縮級數 |
1 |
2 |
3 |
4 |
|
總進口壓力(mpa) |
1 |
|
進氣壓力船(mpa) |
0.956 |
2.40l |
5 29 |
13 5 |
|
氣缸排氣壓力(mpa) |
2.48 |
5 46 |
13 77 |
2n 62 |
|
級(冷卻后)排氣壓力
(mpa) |
2 4
|
5.29
|
13.35 |
20
|
|
比例(壓縮比) |
2 44 |
2 23 |
2.37 |
1 54 |
|
工藝氣進氣K值 |
l 26 |
1.249 |
1.249 |
l_24g |
|
進氣溫度(℃) |
26 667 |
48.889 |
48.889 |
48.889 |
|
氣缸排氣溫度(C) |
95 37 |
110.34 |
121.4 |
80.7 |
|
總排氣口(冷卻后)
溫度(℃) |
48.889 |
|
進氣壓縮系數 |
0.974 |
0 g53 |
O 905 |
0,823 |
|
氣缸攤氣壓縮系數 |
0.97 |
O．95 |
O．93 |
|
|
排氣冷卻后壓縮系數 |
0,954 |
0.905 |
0.8'93 |
0.833 |
|
堆小容積效率(％) |
79.55 |
80 51 |
76 9 |
91.5 |
|
平均容積效率% |
8n 07 |
80.83 |
86.1 |
91.5 |
|
壓縮效率% |
85.3l |
87.56 |
90 |
89 3 |
|
功率(kw) |
94 86 |
86 |
96.5 |
39 4 |
|
卸荷功率(KW) |
0 |
|
總排氣量(m3/h) |
2 754 |
3經濟效益
國外有公司提出，天然氣進銷價差0．08美元／N一是CNG加氣站經營的臨界值，我國CNG加氣站目前僅接近或低于這個值，為此提高經濟效益是當前的緊迫問題。
仍以上例來分析：
用原有活塞往復式壓縮機壓縮工藝，氣體流量2 754Nm‰．電動機的額定輸出功率370kW，排1N一氣體、所消耗的功率0．134kW。如果壓縮機1天工作20h,排氣量2 754x20=54 800 Nm3／d，所消耗的電功率為54 800xO．134=7 343kW／d。用新的活塞往復式壓縮機壓縮工藝：可節省7 343x0．27=l 983kW／d的電功率，按1度電0．8元計算．可節省1 983x0．8=0．16萬元／d，以1年350天計算．可節省0．16~350=56萬元，年。既1年1個CNG加氣母站成撬設備盈利可增加56萬元。
要提高經濟效益，選用節能型壓縮機，運行中充分發揮其能力是減少運營費用的****方案。
4結論
將活塞往復式壓縮機由各級連續式消耗電功率改成階梯式消耗電功率，這是一種新的控制CNG加氣母站功率消耗的方法，該方法是通過壓縮機分級壓縮時．按壓縮級從第一級到末級連續式消耗運行所需要的功率，改成階梯式消耗活塞往復式壓縮機在運行時所需要的功率，即根據活塞往復式壓縮機在壓縮到不同的充氣壓力點時，所消耗的功率也不同這一特點．采用第一級將氣體從某一壓力壓縮到第一級壓縮比設定的90％壓力，消耗的是第一級運行所需要的電動機輸出功率，在到達第一級壓縮比設定的壓力點時，轉換成第二級壓縮，……，以此類推．直至完成末級壓縮。這種階梯式消耗功率比連續式減少約27％的電能消耗，此技術不僅應用于CNG加氣母站．還可以應用于石油、化工等領域．總之對于
應用活塞往復式壓縮機的所有用戶減少運營費用，節能降耗具有重大意義。
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