基于CNG母站压缩机运行参数及能耗的分析

卢逸凡，程宜强，王贵仁，纪 刚，张赣润

（江西省天然气有限公司，江西南昌330012）

基于CNG母站压缩机运行参数及能耗的分析

卢逸凡，程宜强，王贵仁，纪 刚，张赣润

（江西省天然气有限公司，江西南昌330012）

针对美国Ariel天然气压缩机对槽车加气过程中的最终排气压力，瞬时功率，加气量，压缩机运行时间之间的变化，基于实时记录的数据，通过计算机软件对数据进行曲线拟合，找出与数据点最吻合的拟合曲线，并得出拟合曲线经验公式；基于时间与瞬时功率的曲线图通过数学方法求其时间上的面积积分，即整个加气过程中的消耗功，从而得出理论能耗数值。通过得出的经验公式指导在对槽车加气过程中，对压缩机最终排气压力达到某一值和加气量达到某一值所需时间的预估，从而帮助估算压缩机的停机时间和槽车加满气的时间，以及压缩机工作过程中的最终排气压力达到某一值时对应的瞬时功率值，进而帮助判断压缩机是否出现故障。

天然气压缩机；最终排气压力；瞬时功率；曲线拟合；理论能耗

1 引言

随着我国的经济快速发展，能源的需求也不断增加，能源消耗过程中给环境造成的污染加剧，天然气素有“绿色能源”之称，逐渐成为人们优先的清洁能源[1]。城市大量使用天然气后，燃烧时排出的二氧化硫和烟尘极少，能显著改善大气环境质量。天然气广泛用于工业部门、发电、天然气汽车、天然气化工及天然气合成油等方面。据世界能源专家估计，大约在2020年后天然气将超过石油，成为世界第一能源，图1为我国2000年至2014年天然气消费量。

2 天然气压缩机简介

天然气汽车自20世纪80年代开始研发，迄今技术已非常成熟，广泛用于城市公共交通[3]。作为天然气汽车的燃料有压缩天然气（CNG）和液化天然气（LNG），要想获得压缩天然气（CNG）和液化天然气（LNG）必须通过压缩机对天然气进行压缩。压缩机按压缩气体原理的不同可分为速度型和体积型两大类。Ariel天然气压缩机属于体积型压缩机，通过减小气体的容积，从而达到压缩气体的目的[4]。一般这类压缩机都是同活塞在气缸内运动来压缩气体，按活塞运动方式的不同可分为回转压缩机和往复压缩机。图2为Ariel天然气压缩机剖面图。

Ariel天然气压缩机属于往复活塞压缩机，Ariel天然气压缩机由电机带动瓦轴转动，瓦轴带动连杆做往复运动，活塞与连杆相连，在往复运动的过程中将天然气进行压缩。表1为Ariel天然气压缩机工作设定参数。

3 Ariel天然气压缩机运行数据的采集

3.1 压缩因子的计算

一般在压力低于0.4～0.5 MPa时，在工程计算中按理想气体状态方程计算已比较精确，但随着压力的增加，其温度、压力、容积的关系已不符合满足理想气体状态方程[6]，必须引入一个修正系数即压缩因子Z，我国在GB 11062-89和SY/6143中给出了标准状态下压缩因子Z0的计算方法。美国加利福尼亚天然气协会（CNGA）给出的压缩因子公式如下[7]：

式中 p——气体压力，MPa

T——气体温度，K

Δ——气体相对密度

该公式适用于Δ=0.55～0.70，p=0～6.89 MPa，T=272.2～333.3K的天然气。

3.2 理论瞬时流量的计算

在实际工程运用中，为了简化气体流动连续方程，运动方程及能量方程。假设气体在管道内的流动过程中为等温流动，气体的质量流量不随时间和距离的改变而改变[8]。将水平管道稳定流动的运动方程为

式（2）中由于p的变化和v也是随着变化的，联合气体状态方程及气体连续方程Q=ρVA，将式（1）、（2）进行化简，然后对其积分，积分极限p为p1p2，x为0→L。整理后换算成标况下的体积流量如下

式中 Ra——空气的气体常数及天然气气体常数m2/（S2K）

p1，p2——起点压力机终点压力，MPa

Z——气体压缩因子

T——天然气的平均温度，K

λ——摩阻系数

D——管道直径，m

L——管道长度，m

其中p0=1.01325105Pa，T0=273.15K。

3.3 运行参数的采集

论文数据采集CNG加气母站的工艺流程为：输气站（上游）→调压撬→干燥器→压缩机→加气柱→槽车。从上游输气站来气进站压力为4.2 MPa左右，经调压撬调压后为3.5 MPa，通过干燥器进行干燥水露点控制在-38℃以下，压缩机进口压力为3.35 MPa。

论文试验分别对压缩机对两辆槽车加气时压力平稳后开始记录时间，压力，瞬时电压，瞬时电流，压缩机最终排气压力，加气量参数。A槽车气瓶体积为24.5 m3，充装前压力2.8 MPa，充装前温度28℃，数据表如表2所示。

上游输气站来气的气体组份为：CH4：97.5%，C2H6：0.2%，CO2：1.6%，N2：0.7%。求得该天然气摩尔质量M=18.88，相对密度=0.65。

4 Ariel天然气压缩机运行参数的分析

4.1 运行时间与最终排气压的关系

Ariel天然气压缩机对A槽车加气工作中运行时间与最终排气压力的变化趋势如图3所示，随着压缩机运行时间的增加压缩机最终排气压力也随之增加[9]，运用Python进行编程对数据做二次曲线拟合[10]，从图3中曲线可以得知随着时间的增加压力值变化越大（即曲线的斜率逐渐变大）。

A槽车加气时时间-压力数据拟合曲线公式为

4.2 运行时间与加气量的关系

压缩机在工作过程中，压缩天然气通过加气柱给槽车进行加气时，在刚加气一段时间（大概7 min左右）压力波动较大[11]，直至压力达到10 MPa时，加气柱的流量计趋向平稳，通过记录数据分析：Ariel天然气压缩机对A槽车加气工作中运行时间与加气量（标况）的变化趋势如图4所示。

A槽车加气时时间-加气量数据拟合曲线公式为

4.3 压缩机最终排气压力与瞬时功率的关系

随着槽车的压力不断上升，压缩机最终排气压力也不断的增加，由于压力的上升，压缩机的压缩比增大，压缩机的瞬时输出功率也不断地变化[12]。图5为压缩机工作过程中，最终排气压力与瞬时功率的关系曲线图。从图中可以得出，随着压力的上升，瞬时功率是在不断地增大[13]。从图5的曲线图分析得出，随着最终排气压力的不断增大，瞬时功率的上升速率是慢慢减小（即曲线的斜率逐渐减小）。

通过曲线拟合得出

4.4 压缩机理论能耗的分析

Ariel天然气压缩机通过电机带动主轴转动，主轴上的曲轴通过连杆带动十字头做往复运动，十字头通过活塞杆带动活塞作等速度的往复运动从而达到压缩气体的目的，在此过程中电机消耗的功大部分用来活塞作往复运动，一部分功由于往复运动过程中的摩擦产生大量的热量消耗。曲线拟合得出时间与瞬时功率的曲线图见图6。

通过曲线拟合得公式为

将拟合得到的曲线进行面积积分求出整个加气过程中压缩机的理论消耗功率。通过对公式（7）对时间上的积分如下

通过公式（8）求出W=17905862 W·min≈298.431 kW·h整个过程中共加气3802 Nm3，所以平均每Nm3的耗电量为：0.0785 kW·h/Nm3。实际从电表读的耗电量为：319度电，得出平均每Nm3的耗电量为：0.0839 kW·h/Nm3。两者相差6.44%。

4.5 数据的相关性分析

运用SPSS软件对A槽车加气工作中运行时间与最终排气压力[14]，运行时间与加气量，最终排气压力与压缩机瞬时功率数据之间相关性进行检验，检验结果如图7所示，三组数据都具有很强的相关性，其中运行时间与加气量之间的相关性最高（线性关系），通过相关的检验进一步说明对数据进行曲线拟合是符合数据分布规律。

5 结论

CNG加气母站最重要的环节就是压缩机的正常运行，实时监测压缩机的工作参数是否在正常范围是确保压缩机安全运行的重中之重，实验通过对数据的分析得出：压缩机对槽车加气工作中的最终排气压力为运行时间的二次方函数关系，随着压缩机运行时间的增大压力不断的上升，变化速率越来越快；加气量为时间的一次方函数关系；压缩机瞬时功率为最终排气压力的二次方函数关系，增长速率越来越慢。基于时间与瞬时功率的曲线图，通过数学方法求其时间上的面积积分即整个加气过程中的理论消耗。通过SPSS统计软件，对数据进行相关性检验数据相关性非常强。通过曲线拟合得出的经验公式，为CNG加气母站压缩机运行时及加气柱各运行参数的预估提供指导，为安全平稳生产提供数据参照，但是压缩机对槽车加气工作中运行过影响各参数的因素比较多，例如环境温度，槽车冲装前压力、温度、槽车的容积等还需进一步研究。

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Analysis of Operating Parameters and Energy Consumption of Compressor for CNG Parent Station

LU Yi-fan,CHENG Yi-qiang,WANG Gui-ren，JI Gang,ZHANG Gan-run
(Jiangxi Province Natural Gas Co.,Ltd.,Nanchang 330012,China)

This paper aims to analyze the data during Ariel natural gas compressor aerated for tankers,references to final exhaust pressure,instantaneous power,plus gas and compressor running time.Based on real-time recording,computer software for curve fitting the data points to find the best fit curve fitting and obtain fitting curve empirical formula.Based on the time and the instantaneous power demand curve,mathematical methods are used for integrating the area on their time that the whole process of filling the power consumption to derive the theoretical energy value.Thus by the obtained formula it can predict when gas compressor's final delivery pressure and adding gas quantity reach a certain value during tanker's filling gas process,then it could estimate the time that gas compressor's shutting down and the tanker was filled full gas,at the same time,it also could predict the instantaneous power value when gas compressor's final delivery pressure reaches a certain value,further help determine whether compressor occurs any fault.

natural gas compressors;final discharge pressure;instantaneous power;curve fitting;theoretical energy

TH45

A

1006-2971（2015）06-0044-06

2015-07-20