输气站场压缩机组能耗影响因素分析与研究

王荣敏 武振明 谢辰 马亚欣 刘海滨 梁昌晶

（1.长庆工程设计有限公司；2.国家管网集团北方管道有限责任公司西安输油气分公司；3.国家管网集团北方管道有限责任公司；4.中国市政工程西北设计研究院有限公司；5.中国石油华北油田公司二连分公司工程技术研究所）

随着我国经济的快速发展，对天然气的需求量逐年增加，而我国天然气产地与需求地严重不平衡，因此长输管道成为天然气运输的主要方式。在输气管道运行中，输气站场压缩机组的能耗占比较大，一般为60%～70%[1-3]。在压缩机组节能测试和测试项目计算的基础上，开展节能分析与评价，分析影响压缩机组效率的因素，有利于降低运输能耗，指导现场生产，为压缩机组提效措施的制定奠定基础。影响压缩机组的能耗有众多因素，如气质、发动机效率、传动效率、冷却器换热效能等[4-5]。

1 压缩机系统能耗影响因素

以往复式压缩机为例进行分析，监测方法一般参照SY/T 6637—2018《天然气输送管道系统能耗测试和计算方法》和Q/SY 1821—2015《油气田用天然气压缩机组节能监测方法》，主要测试项目为压缩机组效率，测试参数包括：压缩天然气的各级进气温度、排气温度、各级进气压力、排气压力、进气条件下压缩天然气量、驱动电机电能消耗量、循环水泵功率、冷却风机功率、动力缸冷却水流量。压缩机组转速、环境温度、天然气采样、天然气组分分析、大气压力等[6]。电驱压缩机机组效率为：

式中：η为压缩机组效率，%；Np为压缩机指示功率，kW；p1为电驱输入功率，kW；p为水泵和风机单位时间内消耗功率的和，kW。

1.1 工作参数的影响

一级吸气压力：若出口压力保持不变，进口压力的变化会引起压缩机其他参数（如排气量和功率消耗）的变化。随着一级吸气压力降低，压缩机各级的活塞力均增加，此时压缩机处于长时间低效运转，易损坏发电动机。此外，若一级吸气压力升高过快，当超过了活塞环的允许密封能力，会引起压缩机气缸内漏，增加耗能输出[7]。

末级排气压力：压缩机的排气压力的高低与背压相关，而背压取决于目标压力下压缩机进口气量与出口气量的平衡程度。在压缩机进口压力不变的条件下，出口压力升高，压比与指示功率也会随之升高。

一级吸气温度：一级吸气温度对压缩机的功率有一定的影响，压缩机轴功率随着一级吸气温度的升高而升高。与此同时，一级排气温度也随之升高，会导致下一级进气温度偏高，任何一级进气温度升高都会降低容积效率。

1.2 气体性质的影响

在往复式压缩机的气缸尺寸及活塞行程不变的情况下，气体中的摩尔质量系数、绝热系数、导热系数、压缩系数及气体含水量和其他组分的含量均会影响压缩机功耗。摩尔质量系数越大，气体比重越大，压缩机能耗越高；气体绝热系数越大，压缩机能耗越大；导热系数越大，气体之间的热传导性能越好，排气量也会随之下降；压缩系数越大，压缩机的排气量和所需的轴功率越大；气体介质中的杂质和水越少，压缩机的工作效率越高[8]。

1.3 环境变量的影响

通过对压缩机组实际性能影响因素的调研，总结出环境变量主要因素为：环境温度、大气压力、空气湿度、机组老化、燃料气热值和实际负荷转速等。

环境温度：根据GB 50251—2015《输气管道工程设计规范》中关于压缩机组厂房的设置要求，天然气压缩机组的设计环境温度-50～45℃。目前，已运行的压缩机厂房普遍存在通风不良的现象，当温度过高时，压缩机的效率明显下降，需采取强排风，势必增加成本投入。此外，空气比容的增加会导致燃气轮机吸入空气量的减少，也会恶化压缩机的工作状态，增加燃气消耗量[9-10]。

大气压力：随着海拔的上升，大气压力和空气比容均不断降低，导致燃气轮机最大输出功率降低。研究表明，在相同输出功率的条件下，高海拔地区燃气轮机的负载率要高于低海拔地区3%～5%。

2 模型建立与结果分析

2.1 模型建立

压缩机效率正平衡计算方法是通过多变指数得到指示功率和压缩机能耗效率，然后计算得到压缩机轴功率。根据公式气体性质和环境参数为固定条件，无法进行优化调整，因此在处理量相同的条件下，影响压缩机组轴功率的主要因素为进气压力、压比、进气温度。其中压比为排气压力与进气压力的比值，故重点分析进气压力、排气压力和进气温度对耗电量的影响。由于现场工况为正常稳态工况，要得到不同因素下的瞬态工况需采用HYSYS建立三级压缩机组模型见图1，结合实际生产数据与模拟数据进行能耗影响分析。

图1 三级压缩机组模型Fig.1 Three-stage compressor unit model

2.2 方法验证

以现场监测数据为依据进行模型准确性验证，对某压气站压缩机组的进口压力测试中，进口压力从4.3 MPa升高到4.7 MPa，每0.1 MPa测一次，每次测试时间为4 h，获取了每个压力点对应的日耗电量、日处理气量，压缩机组实测数据与模拟数据对比见表1。模拟计算中，根据实测的流量和进出口压力，计算压缩机耗电量。经过对比，耗电量整体误差小于10%，因此该模型在此项目中是可行的。

表1 压缩机组实测数据与模拟数据对比Tab.1 Comparison between measured data and simulated data of compressor unit

2.3 结果分析

2.3.1 进口压力

进口压力对压缩机的处理量和功率消耗有着很大影响，在模拟计算中，保持出口压力、进口温度和处理量一致，探讨进口压力对压缩机能耗的影响。设定天然气进口温度为20℃，排气压力为20 MPa，进气量为120×104m3/d，进口压力对能耗的影响见表2，现场结果为2019—2020年统计的进口压力、耗电量和日处理量数据。实际结果中日耗电量随进口压力的升高而增加，处理单耗则随进口压力的升高而降低，实际结果与模拟结果的单耗变化趋势一致。模拟计算结果中压缩机耗电量随进口压力的上升而降低，但通过实际数据的拟合却发现耗电量呈现上升趋势，日耗量的增加也有可能与处理量增加有关，当增加的幅度超过了轴功率增加的幅度时，最终导致压缩机单位能耗随着进口压力的增加而降低。进口压力每升高0.1 MPa，日耗电量增加1 180 kWh，日处理量增加约1.7×104m3，处理单耗降低0.9×10-3kWh/m3。

表2 进口压力对能耗的影响Tab.2 Influence results of inlet pressure on energy consumption

结合模拟情况，当往复式压缩机各级吸气温度、排气压力及压缩机转速不变时，其处理量和单位能耗同进口压力之间具有线性关系。随着进口压力的提高，往复式压缩机的处理量成比例的增加，单位能耗随着进口压力的升高而下降。

压缩机工况改变时，气缸行程容积不变，且温度系数、压力系数、泄漏系数的变化均很小，根据处理量计算公式可知容积系数就是压缩机处理量的决定因素。通过对压缩机处理量公式计算分析，压缩机的吸入气量是由Ⅰ级气缸的大小决定的。对多级压缩机，当进口压力提高时，各级压比都会下降，此时Ⅰ级压比减小，容积系数增大，压缩机的处理量增大。

同时，Ⅰ级行程容积不变，压缩机吸入的总体积就不变，由气体状态方程可知，如果进口温度不变，压力升高，则实际吸入气体的流量增大，经折算得到的标准状态下压缩机的处理量就会进一步增大，但进口压力的提高是有限度的。随着进口压力的提高，压缩机各列的活塞力增加，轴功率也相应提高，电动机的储备功率降低，如果压缩机长期连续运转容易烧坏电动机，所以当进口压力变化较大时，应采用热力学软件对压缩机轴功率和活塞力进行校核。

2.3.2 出口压力

同理，探讨出口压力对压缩机能耗影响见表3。实际结果与模拟结果的单耗变化趋势一致。压缩机的实际日耗电量和处理单耗随出口压力的升高而增加，日处理量则随出口压力升高而降低。表现为出口压力每升高2 MPa，日耗电量增加1 304 kWh，日处理量降低约2.2×104m3，处理单耗增加1.1×10-3kWh/m3。

表3 出口压力对能耗影响Tab.3 Influence results of outlet pressure on energy consumption

结合模拟情况，当Ⅰ级吸气压力和压缩机转速不变时，随着末级排气压力的提高，往复式压缩机的处理量略微降低，耗电量增加，单位能耗随着排气压力的升高而明显升高。且进口压力越高，耗电量、处理量和单位能耗随出口压力升高而改变的幅度变小。

由于末级的压比和吸气压力都显著提高，所以压缩机的轴功率明显增大。因此，当排气系统需要的背压固定时，应合理地设计压缩机沿程的管路和阀门，包括管径、阀门流量系数和三通阀的数量等，使沿程摩阻尽可能最小，达到节能的目的。

2.3.3 进口温度

同理，探讨进口温度对压缩机能耗影响见表4。实际结果与模拟结果的单耗变化趋势一致。在相同的吸气压力和排气压力下，吸气温度降低，往复式压缩机处理量增大，轴功率变化很小，单位能耗随着吸气温度的降低而降低。表现为进口温度每升高1℃，日耗电量增加70 kWh，但变化较小，日处理量降低0.5×104m3，处理单耗增加1.3×10-3kWh/m3。

表4 进口温度对能耗影响Tab.4 Influence results of inlet temperature on energy consumption

结合模拟情况，进口温度与进口压力对压缩机处理量的影响相似，这是因为由于压缩机Ⅰ级行程容积不变，吸入的气体总体积量就不变，由气体状态方程可知，如果Ⅰ级吸气压力不变，温度升高，则气体分子体积增大，密度减小，导致实际吸入气体的流量减少，压缩机的处理量也就越小。

Ⅰ级吸气温度的变化对各级压缩比影响不大，压缩机功率消耗也几乎不变。由于处理量增大，功率消耗不变，则单位能耗必然减小。由此可知，降低压缩机Ⅰ级吸气温度可以提高压缩机处理量，但不会增加功率的消耗。

2.4 现场应用

在核算某输气站负荷、能耗的前提下，降低压缩机Ⅰ级吸气温度，同时调整进口压力和排气管道的背压，调整后处理单耗降低5.53%。调整前后效果对比情况见表5。

表5 调整前后效果对比情况Tab.5 Comparison effect before and after adjustment

3 结论

1）当进口压力过高且超过了活塞环允许的密封能力时，会使活塞环的密封性能下降，导致压缩机内泄漏增大，功耗增大，因此当进口压力变化较大时，应采用热力学软件对压缩机轴功率和活塞力进行校核。

2）当排气系统需要的背压固定时，应合理地设计压缩机沿程的管路和阀门，包括管径、阀门流量系数和三通阀的数量等，使沿程摩阻尽可能最小，达到节能的目的。

3）吸气温度的变化对各级压缩比影响不大，压缩机功率消耗也几乎不变。但处理量增大，功率消耗不变时，单位能耗必然减小。因此，降低压缩机一级吸气温度可显著提高压缩机处理量，且不会增加功率的消耗，是一种很好的节能措施。