刘子晓，梁 伟，林 扬，李 安，薛继旭，杨美芝

1 前言

燃驱压缩机具有供给压力范围广、热效率高及在高温高压、极小流量的场合具有极高的适应性等优点，成为石油、天然气的加工输送及其它工业部门中不可缺少的主要设备。然而，往复式压缩机能耗巨大，有统计分析，不同行业中往复式压缩机的能源消耗量已经超过全国总能耗的10%，在天然气输送过程中压气站的能耗费用达到天然气输送总费用的70%［1］。如何提高往复式压缩机输送天然气的工作效率也日益成为国内外相关学者关注的焦点。以陕京管道储气库压缩机组为例，单台燃气发动机组每小时耗气量约为850m3，每天耗气量约为20400m3，工作效率却只有30%左右，按照工业用天然气3.2元/m3计算，工作效率提高1%，按照每台压缩机一年工作240天计算，每年节约成本可达15.67万元。

燃驱压缩机机组工作效率的评价涉及气体方程的计算，而在高压条件下，实际气体的性质会受到分子本身体积以及分子间相互作用的影响。考虑到这些影响，Van de Waals在理想状态方程的基础上加入表征这些因素的参数，首先提出了适用于实际气体的VDW EOS方程［2，3］。后来陆续出现精度更高但适用于特定条件的气体状态方程，如 RK EOS、SRK EOS、PR EOS 等［4］。李云清等通过对 VDW EOS、RK EOS、SRK EOS、PR EOS方程的研究，得出以上方程在不同条件下的精确度区别以及它们对提高气体压缩因子的计算精度的效果［5］。梁广川等利用Visual Basic软件对计算压缩因子的方法进行计算对比，得出AGA8-92DC、Piper-DAK、Piper-Mahmoud、Elsharkaway-DAK和 Elsharkaway-Mahmoud等方程在不同压力及气体组分时的精确度［6］。

2 燃驱压缩机性能的影响因素

压缩机说明书或手册中提供的性能参数（如进排气温度、压力、排气量、功率等）是在设计工况条件下通过试验等途径获得的数据。但在压缩机的实际工作状态中，工作环境多变加上配套设施上下游设备的影响通常与其设计条件不同，可能会出现操作手册中给出的性能参数与实际运行参数存在差别的情况［7］。对压缩机自身工作参数及天然气参数等可调因素进行分析，旨在对其工作效率进行评价，最后达到优化与提升的效果。本文针对燃驱压缩机组开展效率评价，主要包括燃气内燃机驱动或燃气轮机驱动往复式压缩机组，以下称压缩机。

2.1 压缩机工作参数对效率的影响

（1）压缩机负荷

压缩机负荷越大，燃烧压力升高，燃料燃烧更充分［8］，因而产生的废气越少，发动机效率越高［9］，提高压缩机组的负荷率可从改变压缩缸缸径、改变压缩缸单双作用和调整余隙尺寸等方式进行。

（2）进气温度

当其他条件不变时，进气温度越高，天然气发生膨胀造成天然气密度降低，导致压缩机吸入气体的量减少，最终使压缩机工作性能下降。可以通过级间冷却的方式降低每级压缩机进气温度，但要综合考虑冷却造成的能耗升高与压缩机工作效率升高之间的整体效果。

（3）进气压力

进气压力对压缩机功率的影响取决于压缩机排气量和压比两个因素。当压比大于一个值时，进气压力升高，造成压缩机排量升高所增加的功率超过了压比下降所降低的功率。因此随着进气压力的升高，压缩机的功率也升高。当压缩机的压比小于这个拐点值时，由于吸气压力降低，造成压缩机排量降低所减少的功率高于压比上升所增加的功率。因此随着入口压力的升高，压缩机的功率会随之降低［10］。

（4）排气压力

在压缩机的入口压力保持不变的情况下，排气压力升高会导致压缩机的压比增大，压缩机的指示功量和指示功率都将增大［11］。

2.2 天然气组分及物性对效率的影响

天然气是以甲烷为主的多种烃类或混杂H2S、H2O或N2等气体的混合物。天然气自身的性质影响压缩机效率的参数有很多，本文主要从以下因素考虑。

（1）相对密度

天然气相对密度越大，一次吸排气质量会越大。另一方面相对密度的增大会提高上文所述压缩机的负荷，使压缩机工作效率提高。

（2）压缩因子

气体的压缩因子受气体组分影响，当天然气组分发生变化时，其压缩因子也会发生相应的改变，影响压缩机的容积系数。压缩机的指示效率随天然气的压缩因子的提高而增大。

（3）导热系数及压缩系数

压缩机在工作过程中与外界进行热量交换，很大程度受到导热系数的影响。气体导热系数越大，在压缩过程中越易被加热膨胀且压力增大，排气量越低。天然气压缩系数越大，气体体积不易于被压缩，排气量也会越大。

（4）含水量及其他组分比重

天然气受到压缩后压力提高，其中水组分浓度会上升与天然气压力升高的相同倍数。如果水组分能达到饱和浓度，就会出现凝结现象，是管道产生腐蚀，增大管道壁阻力，从而降低工作效率［12］。所以一般采用对天然气洗涤来提升其工作效率。天然气轻组分比重越大，压缩系数变大，从而使压缩机功率和排气量升高。

3 压缩机组效率模型的建立

3.1 压缩机组效率模型的建立

本文以某储气库的4台燃驱压缩机组为对象进行研究。其中，燃气发动机型号为CATERPILLAR 3616，压缩机型号为ARIEL JGU/6。其中，燃气发动机有16个气缸，冲程为300mm，压缩比为9：1，点火方式为火花点火；压缩机为三级压缩，每级有两个作用气缸，共6个气缸，冲程为146.05mm，额定转速为1200r/min。研究对象为多级压缩，多级压缩机的多变压缩功可以用每级有效功的代数和表示，而压缩机实际消耗的总功则采用消耗燃料气的发热量表示，根据现有标准建立燃驱压缩机的效率计算模型［13］：

式中 ηrjz——燃驱压缩机机组效率

HEi——压缩机第i级的有效功率，kW

Bτ——燃料气消耗量（标准状态下），m3/h

Qnet—— 天然气的基低位发热量（标准状态下），kJ/m3

压缩机第i级有效功率的计算式：

式中 Gin—— 压缩机进口流量（标准状态下），m3/h

ρa——空气密度（标准状态下），kg/m3

SG——天然气相对密度

Zini—— 第i级进口压力条件下的天然气压缩因子

R' ——天然气气体常数，kJ/（kg·K）

Tini——第i级的进口温度，K

mi——压缩机第i级多变指数

Pouti—— 压缩机第i级的出口压力（绝对压力），MPa

Pini—— 压缩机第i级的进口压力（绝对压力），MPa

由于压缩机组发动机在工作过程中进排气也会有压力损失，所以需要进行效率折算。

式中 ηrjzsz——机组折算效率

βgl—— 燃气驱动压缩机有效功率折算系数

βrl——燃料折算系数

Δpain—— 进气压力损失，一般设定为150 mm水柱，亦可实测获得

Δpaout—— 排气压力损失，一般设定为50 mm水柱，亦可实测获得

其中，一些参数可以通过现场的监控系统直接得到，如压缩机进口天然气流量、压缩机第i级的进口温度等；还有一些参数需要通过现有的数据进行计算得到，如天然气相对密度、压缩机第i级多变指数等。根据相应的计算公式，对效率计算模型中的关键参数进行求解。

3.2 压缩机组效率模型关键参数求解

（1）天然气相对密度SG

首先计算天然气的密度，任何气体在标准工况下的密度计算式：

天然气是一种混合物，该储气库天然气组分如表1所示。

表1 天然气组分

表1给出了该储气库天然气组分及各组分所占比例。其中，C6+由于所占比例很小，因此为了简化计算将其全部视为正己烷。根据天然气各组分相对分子质量及各部分所占比例求得天然气的相对分子质量，约为17.32。

天然气的相对密度SG可以通过下式得到：

空气的密度可以通过查阅资料得到，在温度为0 ℃、101.325 kPa压力下空气的密度为1.293 kg/m3，在温度为20 ℃、101.325 kPa压力下空气的密度为1.205 kg/m3。

（2）压缩机第i级进口压力下的天然气压缩因子Zini

对于天然气压缩因子的求解，我国已有国家标准GB/T 17747.3-2011《天然气压缩因子的计算 第3部分：用物性值进行计算》［14］和GB/T 17747.2-2011《天然气压缩因子的计算 第2部分：用摩尔组成进行计算》分别采用了SGERG-88方法和AGA8-92DC方法，但该方法主要适用于压力在12 MPa以下，温度在263～338 K的管输气。对于中高压气体，本文采用M. A. Mahmoud于2013年提出的求解压缩因子的经验公式，该公式在中高压条件下精度较高［15］，见式（8）：

式中 T——绝对温度，K

P——绝对压力，MPa

Tr——对比温度

Pr——对比压力

Tpc——伪临界温度，K

Ppc——伪临界压力，MPa关于伪临界温度Tpc和伪临界压力Ppc的求解应根据气体组分不同而定，对于含有非碳氢和C7+组分的天然气，可以使用，L D Piper于1993年提出的类似于SBV的混合法则［16］。由于本文气体组分不含C7+或H2S 等组分，可以采用由Stewart W F，Burkhard S F Voo D于1959年提出的SBV混合法则，该法则相对简单但同样有较高精度［17，18］。

式中 J——SBV参数，K/MPa

K——SBV参数，K/MPa1/2

yi——组分的摩尔分数（C1～C6）

Tc——组分临界温度，K

pc——组分临界压力，MPa

天然气各组分的临界参数如表2所示。

表2 天然气各组分的临界参数

（3）天然气气体常数R

对任何气体来说，其相对分子质量与气体常数的乘积（MR）都近似等于 8.314J/（mol·K）。于是天然气气体常数可以表示为下式［19］：

式中 Mg——天然气相对分子质量

（4）压缩机第i级多变指数mi

压缩机多变指数对压缩机能耗也产生影响［20］。压缩机第i级多变指数是由该级的压缩比与进出口温度变化决定的，如下式：

式中 εi——压缩机第i级压缩比

Touti——压缩机第i级出口温度，K

Tini——压缩机第i级进口温度，K

（5）天然气的基低位发热量Qnet

天然气的基低位发热量可以反映天然气的真正可利用的热量，因此选用天然气的基低位发热量作为压缩机组消耗的总功。天然气的基低位发热量通过对每组分求解加权和得到，如下式：

式中 Qnet—— 天然气的基低位发热量（标准状况下），kJ/m3

xj——天然气中第j种组分的体积分数

Qj—— 天然气中第j种组分的理想体积发热量（标准状况下），kJ/m3

根据天然气各组分的发热量便可得到天然气的基低位发热量，本次研究的压缩机天然气各组 分的发热量如表3所示［21～24］。

表3 天然气各组分在不同燃烧参比条件下的理想气体摩尔发热量

4 效率曲线的绘制与讨论

对压缩机组的效率进行分析和研究，首先根据储气库4台压缩机组的运行数据绘制了对应的效率变化曲线，然后以D机组为例，研究了不同因素（进口压力、进口温度）对压缩机组效率的影响。

4.1 压缩机组效率变化曲线

由于压缩机进气量、进气温度以及进气压力等因素的不稳定，压缩机运行工况会因此发生改变，压缩机组在一段时间内的运行效率会随工况的变化而发生相应的变化。

因此，对储气库4台压缩机组不同工况下的运行效率进行了研究。选择A，B，C，D 4台压缩机组2016年4月20日全天全开时的运行数据能够体现压缩机组实际工作效率，当日A压缩机运行数据记录如表4所示，当日4台压缩机组在不同工况下的效率如图1所示。

表4 A机组运行数据

图1 4台机组不同工况下效率对比

从图1可以看出D机组在各个时段工作效率相对较高，但是稳定性欠佳；A机组在全天运行最稳定；B机组在全天的效率浮动最大，达到了0.91%。由于根据输送量任务的实时调控，在当天 9：00，改变工况，A，B，C，D 4 个机组均达到效率最低值，随后随着1级、2级、3级压缩机压力均有所上升，运行参数逐渐稳定，效率又有不同程度的升高。从这一方面也可以看出工作效率变化也是对压缩机组运行状态的反应，为观察压缩机组运行的安全性、稳定性提供另一个角度。

4.2 压缩机组效率与入口温度的关系

为了研究压缩机组效率与入口温度的关系，计算了2016年4月某日D机组不同入口温度下的压缩机组的工作效率，得到如图2所示的关系曲线。

图2 机组效率随入口温度的变化曲线

通过曲线可以得到：在实际运行过程中，在不调节其他参数的条件下，压缩机组效率整体上有随入口温度的增大而减小的趋势。在某些温度点的效率并不完全满足与入口温度的负相关关系是由于压缩机运行效率会受其他很多因素（如环境温度、环境空气流动）的影响。但整体符合往复压缩机入口温度的增大，导致每级压缩过程远离等温压缩使压缩机效率降低的热力分析过程。

另外，该模型中参数集群的变化势必引起曲轴扭矩与受力分布的变化。效率优化过程中不同参数的调节对动力输出与安全性能的影响有待进一步研究；不同变量条件下的效率曲线与扭矩曲线亦需要进一步对比分析。

5 结论

（1）经验公式法可以较为快捷、有效地对燃驱压缩机组进行效率评价，本文针对关键参数采用的求解方法以及适用于不同条件的求解方法是该评价方法应用范围更广。

（2）根据压缩气体组分、压力及温度等条件，可以采用不同经验公式求取天然气相对密度、气体常数、压缩因子和基低位发热量等关键参数，避免使用查表法造成不便与误差等缺点。

（3）进气温度的上升，压缩过程远离等温压缩，压缩机组效率降低。

（4）在实际运行中，由于压缩机组发动机与压缩机的匹配，发动机负荷调节，各级压缩机压力分配等因素使压缩机组效率变动较大。

（5）可以看出工作效率变化也是对压缩机组运行状态的反应，为观察压缩机组运行的安全性、稳定性提供另一个角度。

［1］ 吴业正，金光熹，解国珍.容积式压缩机发展现状［J］. 流体机械，1992，20（1）：33-40.

［2］ 陈新志，蔡振云，胡望明.化工热力学［M］.北京：化学工业出版社，2001.

［3］ Mühlbauer A L，Raal J D. Computation and thermodynamic interpretation of high - pressure vapour - liquid equilibrium - a review［J］. Chemical Engineering Journal ，1995，（60）：1-29.

［4］ 沈维道，蒋智敏，童均耕.工程热力学（第三版）［M］. 北京：高等教育出版社，2001.

［5］ 李云清，何鹏，王金成．碳氢燃料在亚临界及超临界状态下的状态方程研究［J］．石油与天然气化工，2007，6（1）：1-3．

［6］ 梁广川，左果.基于气体组成的天然气压缩因子计算方法［J］.石油与天然气化工，2014，43（4）：395-400.

［7］ 赵国山，仇性启.往复式瓦斯压缩机节能研究概述［J］.化工自动化及仪表，2006，33（3）：1-5.

［8］ 张云，江志农，张进杰. 往复式压缩机进气阀优化设计方法研究［J］. 流体机械，2014，42（1）：22-24.

［9］ 林仕文，赵靓，胡金燕，等.燃气式往复压缩机组节能降耗技术研究［J］.石油石化节能，2016，（2）：1-6．

［10］ 苏建华，许可方，宋德琦，等. 天然气矿场集输与处理［M］. 北京：石油工业出版社，2004.

［11］ 王玮，刘洋，孙文忠.往复式压缩机节能降耗技术分析［J］.天然气技术与经济，2014，8（1）：49-51．

［12］ 张勇，吴俊峰，田奇勇.往复式天然气压缩机节能降耗浅析［J］.通用机械，2009，8：33-36.

［13］ SY/T 6637-2012，天然气输送管道系统能耗测试和计算方法［S］.

［14］ GB/T17747.3-2011，天然气压缩因子的计算第3部分：用物性值进行计算［S］.

［15］ Mahmoud M A.development of a new correlation of gas compressibility factor（Z-factor）for high pressure gas reservoirs［J］.Journal of Energy Resources Technology，2013，136（1）：2280-2285.

［16］ Piper L D，McCain Jr，Corredor J H. Compressibility Factors for Naturally Occurring Petroleum Gases［C］.Society of Petroleum Engineers，Houston，Oct 3-6，1993.

［17］ Stewart W F，Burkhard S F，Voo D.Prediction of Pseudo Critical Parameters for Mixtures［C］.AICHE Meeting，Kansas City，1959.

［18］ 熊钰，张烈辉，唐建荣. 混合规则对天然气压缩因子预测精度的影响研究［J］.石油与天然气化工，2004，33（6）：447-449.

［19］ 王宗明.压缩机［M］. 北京：中国石化出版社，2012.

［20］ 董超群，梁政，田家林，等.天然气压缩机气体多变指数的确定［J］.压缩机技术，2013，3：7-10.

［21］ 李小仨，干练，徐琛，等.活塞式压缩机振动测试研究［J］.流体机械，2015，43（5）：6-10.

［22］ 李伟，杨笑瑾，马东华.镍基合金换热管分段式机械胀接试验［J］.压力容器，2015，32（9）：75-79.

［23］ 孙华强.超高速烟草包装机械过程控制新特点［J］.包装与食品机械，2015，33（4）：56-58.

［24］ GB/T 11062 天然气发热量、密度、相对密度和沃泊指数的计算方法［S］.