燃气压缩机做功能力影响因素分析

王宝森

(中海石油(中国)有限公司天津分公司 天津300452)

0 引言

海上固定石油生产平台燃气压缩机组用于压缩油气井中所产生的天然气，使其作为燃料提供给平台燃气轮机进行发电。目前在渤海湾的海上平台的压缩机大多为往复式活塞压缩机，其压缩功率直接影响主电站的带载能力及燃气放空量，从而影响对大气环境污染的控制作用。由于压缩机压缩功率受多方面因素的影响，对燃气压缩机的做功能力影响因素进行分析显得尤为必要。

以中海石油(中国)有限公司天津分公司某平台海上平台燃气压缩机为例，其运行原理是依靠电机驱动压缩机主轴带动气缸内活塞的往复运动来压缩气体，以达到提升气体压力的作用。燃气压缩机运转过程中，其工作能力很大程度上受燃气进气温度、进气压力、气缸余隙容积等因素的影响；同时，压缩机设计方案、装配精度和设备故障后的维修质量等都会对机组排气量有很大影响。

1 压缩机组做功能力的主要影响因素

1.1 天然气进气温度的影响

理想气体是不考虑气体分子之间的作用力和分子本身所占有的体积的气体。实际上理想气体在现实工作中是不存在的，不过当气体的压力低于临界压力，温度远高于临界温度的时候，均认为其符合理想气体的变化规律。

理想气体状态方程[1]：

对于1kg气体而言，理想气体的压力、比容和温度之间的关系为：

对Nkg气体而言，其关系式为：

式中：p为理想气体的绝对压力，0.1MPa；v为理想气体比容，m3/kg；T为理想气体的绝对温度，K；R为气体常数，J/(kg·K)。

气体进行压缩时，要实现其温度始终保持不变这种循环，气缸必须具有理想的导热性能，使由压缩所产生的热量及活塞环等与缸壁摩擦而产生的热量都能及即时散出。这种情况在实际中无法实现。

对一定量的气体来说，等温压缩循环功只与气体性质R、压力比进气温度T1有关。气体的吸入温度越高，功率消耗越大。因此，为提高压缩机的经济性，应尽量降低进气温度。

1.2 气缸的余隙容积的影响

压缩机气缸均设计有余隙容积。压缩机在完成工作循环过程中，在其排气过程结束后气缸中仍残留有高压气体的容积称为余隙容积V0，活塞从上止点移动到下止点所通过的空间容积称为气缸行程容积Vh，气缸的容积V1为余隙容积V0与气缸行程容积Vh之和，即：

所以，由于余隙的存在，使气缸的实际吸气容积V小于气缸容积V1，也小于行程容积Vh，因而降低了压缩机的做功排气能力。从这个角度说，余隙容积的存在是不利的，但余隙容积过小会增加活塞与气缸端盖相碰撞的危险，故适当的余隙容积存在也是必要的。因此在压缩机设计时，应在保证安全可靠的条件下，尽量减少余隙。

理论循环的吸气过程沿着整个活塞行程进行，气体的吸入容积就是活塞的行程容积，同时也等于气缸的容积V1，而且吸入气体量等于排出气体量。而在实际循环中，由于余隙容积内气体的膨胀、阀门等的压力损失，必有气体在机组中反复被压缩而做无用功，消耗输入功率。

1.3 泄露的影响

压缩机的泄漏有2种：一种是气体直接漏入压缩机机体之外或机组第一级进气管道，属于泄漏到压缩机之外，称为外泄漏；另一种是气体由高压级泄漏至低压级，气体仍在压缩机机体之内，称为内泄漏。

外泄漏直接影响排气量并增加电机功率的消耗，且对压缩机的安全运行有较大的风险，为此要坚决杜绝气体的外泄漏。对于第一级之后的各级压缩，内泄漏也直接影响到排气量的增加以及电机功率的消耗，同时也会增加气体的反复压缩，从而提高排气温度及各部件温度，影响机组稳定运行。因此，也要尽可能减少气体的内泄漏。

1.4 进气中含液量的影响

被压缩气体内含有水蒸气，随气体压力的提高，水蒸气的压力也将提高。气体被冷却后，如果水蒸气的压力高于冷却后天然气温度下的饱和蒸汽压，水蒸气便从气体中凝析出来，并从燃气分离器中分离出来。最后在计算压缩机排气量时，也要将分离掉的水分和一并排除掉的气体加入到总量中，全部换算成进口状态气体体积加入进去。如果工艺过程中有水蒸气进入到压缩机中，那么计算排气量时就应扣除所加进的水蒸气的体积。因此，进气中的含液量多少依然在做功过程中占有较大的比例，同时含液量过高也可能产生机组液击的风险，做好压缩机入口前的分液处理至关重要。

1.5 机组转速的影响

提高转速则增加了机组做功的频率，相应加大了额定时间内的排气量，但也应考虑机组振动及温度的影响。

2 结论

通过以上分析，对燃气压缩机做功能力影响因素主要总结为以下几点。

①进气温度的影响。降低吸气温度，加强进气冷却器的冷却效果，可以提高吸气量，增加排气量。

②转速的影响。提高机组转速可以提高排气量，同时也应考虑压缩机机组的强度和振动等问题。

③余隙容积的影响。新设计的燃气压缩机，如果余隙容积超过规定数值时，容积系数减小，将使排气量降低，适当减少余隙可以增加机组做功效率。

④泄漏的影响。机组设计中各密封处的密封效果、气阀的装配质量和机组维修质量等都会影响泄漏，进而影响机组做功能力。

总之，海上固定石油生产平台压缩机的转速固定且余隙容积很难进行调节，加强进气冷却器的冷却效果、压缩机入口分离器分液效果及进出口气阀的密封性，对提高压缩机的做功能力显得极为关键。因此，对于海上平台，加强压缩机入口天然气的分液处理、加强海水冷却器的冷却效果以及进出口阀片的密封性是增加压缩机排气量最有效的方法。