天然气调压工艺冷能用于压缩机组冷却的探讨

摘 要

摘要：论述了回收利用天然气调压工艺冷能的意义，压缩天然气加气站的组成与功能，压缩天然气加气站中压缩机组的工艺流程，压缩机冷却系统的作用、冷却介质的选取、对冷却系统的要求
摘要：论述了回收利用天然气调压工艺冷能的意义，压缩天然气加气站的组成与功能，压缩天然气加气站中压缩机组的工艺流程，压缩机冷却系统的作用、冷却介质的选取、对冷却系统的要求。提出了利用高压天然气调压工艺冷能的压缩机组冷却工艺，分析了该工艺的技术经济性。
关键词：工艺冷能利用；调压；CNG压缩机；冷却系统
Discussion on Application of Technology Cold Energy from Natural Gas Pressure Regulation to Cooling of Compressors Unit
ZHENG Zhi，WANG Shu-1i，YANG Bin
Abstract：The meaning of recovery and utilization of technology cold energy from natural gas pressure regulation，the composition and functions of CNG filling station，the process flow of compressor unit，the application of compressor cooling system，the selection of cooling media and the requirement for the cooling system are discussed. The cooling process of compressor unit by using technology cold energy from natural gas pressure regulation is put forward，and the techno-economic efficiency of this process is analyzed.
Key words：utilization of technology cold energy；pressure regulation；CNG compressor；cooling system
1 概述
   汽车保有量的高速增长带来了环境污染和能源短缺，世界各国广泛开展了汽车替代燃料的研发工作。天然气汽车以其低排放、抑制温室效应和摆脱对石油的依赖这3个主要特征，正在世界范围内得到普及和推广[1、2]。在我国，天然气汽车自2002年以来发展迅速，截至2007年年底，16个重点推广城市的压缩天然气汽车保有量已达26.5×104辆，建成CNG加气站555座[3、4]。CNG加气站使用的压缩机大都是具有曲柄连杆的往复活塞式压缩机[5]。冷却系统是往复活塞式压缩机运行可靠性和经济性的重要保障之一[6]。合理的级间冷却，可以降低各级的排气温度，减少压缩气体的功耗，增大压缩机的排气量；良好的气缸冷却可以保证气缸具有良好的润滑性，也可减少功耗，增大排气量。因此，对冷却系统的设计、优化应予以足够的重视。高压天然气经门站膨胀降压后，自身温度显著下降，伴随大量工艺冷能的生成[7、8]。回收利用这部分潜在能源，对于建设资源节约型、环境友好型社会具有重大的现实意义。
2 CNG加气站
    CNG加气站是CNG汽车加装燃料的基地，是CNG汽车产业必不可少的组成部分，是CNG汽车使用和发展的基础设施[9]。CNG加气站一般由调压计量系统、净化干燥系统、压缩系统、储存系统、控制系统、销售系统共6部分组成。根据现场或附近是否有天然气管网，分为标准站、加气母站和加气子剧[10]。
    CNG子母站是近年来针对管网、征地、安全等条件限制而发展起来的一种无管网输配技术[11]。其中，母站作为一种气源站，通常建在城市门站或天然气主干管道附近。这些地方天然气管网内的压力可达到1.0～1.5MPa，有些地方甚至达到2.0MPa，比城市管网中0.15～0.40MPa的压力要高得多。因此，在相同排气压力(25MPa)条件下，压缩机仅用3级即可，单位气体的压缩机功耗比标准站的4级压缩机减少约25%，故压缩气体价格相对便宜。此外，城市管网中的压力会受用气高峰的影响而产生波动，对压缩机工作十分不利。而母站处的压力则较为稳定。
    母站的供气量大都在2000m3/h以上，它通过CNG气瓶车向子站供气。一个母站的供气量可供4～6个子站用气。同时母站也可对汽车直接供气，尤其是大型的公交车辆，不仅有利于降低运行成本，而且供气速度快且有保证。随着城市化的迅速发展，对于那些无管网到达的城镇或居民小区，其燃料也可利用母站的压缩天然气气瓶车进行定期配送[12、13]。
3 CNG加气站中压缩机组的工艺流程
    压缩机保障了CNG加气站向天然气汽车加气的压力条件，提供了向天然气汽车快加气和慢加气(以加气机对汽车气瓶加气的完成时间来划分，少于5min称为快加气，超过5min称为慢加气)所必需的流量，因此，压缩机成为CNG加气站的核心动力设备。
    图1是加气母站1台压缩机组系统的工艺流程。
 
天然气经3级压缩，压力由1.0～1.5MPa升至25.0MPa。加压后的天然气，或经加气柱注入CNG气瓶车转运，或经加气机给天然气汽车加气。压缩机缸体、级间冷却器一般采用水冷。压缩机每一级出口设有一个冷却器，用于将气体温度降低到后续部分允许的范围之内。每一级冷却器后设有一个气液分离器，用于将天然气中携带的润滑油和因冷却而析出的水分分离掉，尤其是最后一级必须要分离干净，否则水分和润滑油会对加气机和汽车燃料供应系统产生较大的危害。整个机组进口设有一个缓冲过滤器，其作用是给压缩机营造一个平稳的吸气压力，并分离掉天然气中可能携带的水滴和其他杂质。各级气缸排气口设有一个缓冲罐，用以减小气流压力脉动，保证压缩机运行平稳。
    整个机组进、出口均设有截止阀，用于停机时将压缩机组与其后的地面储气设备及前面的天然气管道隔断，可以是手动阀，也可以是气动阀或电动阀。机组出口还设有单向阀，防止停机时地面储气装置中的高压气体倒流回压缩机组。压缩机第一级进口与最后一级出口之间设有由气动阀控制的旁通管道，用于开机时减负荷启动。每一级的气液分离器都设有气动阀控制的排污装置，进行定时自动排污。每一级气缸出口都设有压力和温度传感器，用于检测相应信号。为了表达简捷，阀件、旁通管、传感器等并未在图1中表示。填料处漏气集中排空，各处排污也集中排放。气动阀所需要的压缩空气由另外的微型空气压缩机提供。
4 压缩机的冷却系统
4.1 冷却系统的作用
    压缩机的冷却系统包括气缸组件冷却、级间冷却、压缩气体排出压缩机后的后冷却、润滑油的冷却等装置。
    冷却系统良好，气缸内壁温度低，传给气体的热量少，可提高压缩机的容积系数和温度系数，进而提高排气量。冷却效果差，压缩机的排气温度高，气缸内壁温度高，使润滑油的性能下降，会加速气缸的磨损。排气温度过高，还会使润滑油发生氧化而在设备、管道内形成积碳，致使排气阀等动作失灵，热量不能及时导出，气体温度迅速上升，导致安全事故的发生。因此，压缩机的排气温度有限制，JB/T 10298—2001《汽车加气站用天然气压缩机》中限定各级的排气温度在180℃以下。气缸温度不均匀时，会产生过大的热应力，降低气缸的强度。对于多级压缩，级间冷却越完善，就越省功。后冷却可使气体温度降低，便于气体中所含水分与油雾的分离。另外，由于冷却后气体的比体积下降，可减少气体的流动阻力或减小气体管道直径。对于无油润滑压缩机，由于不能用油带走部分摩擦热，加之活塞环、导向环采用非金属材料，冷却系统的作用就更为重要。
4.2 冷却介质的选取
   往复式压缩机冷却系统中常用的冷却介质为水和空气，故冷却系统可分为水冷式和风冷式。对于中、大型压缩机，排气量较大，压力高，所需传递的热负荷大，一般选用比热容大、价格低、容易获得的水作为冷却介质。应该指出，运行一段时间后，在冷却系统内会有水垢形成，致使水流通道截面积减小，水循环的阻力增加，阻碍正常的热交换，造成设备冷却不良，增加功耗，甚至发生事故[14]。因此，使用前必须对冷却水进行软化处理，且当水垢超过一定厚度时应及时将其清除掉。
   对于小型、移动式或橇装式压缩机，一般选用空气作为冷却介质。在野外作业时，特别是缺水地区，选用空气冷却(风冷)较为适宜。风冷具有空气免费易得、不需要泵和水处理等辅助设备、维护费用低等优点。但由于风冷效果比水冷效果差，相同负荷情况下，风冷式压缩机的轴功率比水冷式压缩机的轴功率大。
4.3 对冷却系统的要求[15]
    ① 冷却系统必须满足工艺设计中对排气温度、级间冷却与后冷却的温度要求。
    ② 要有较高的总传热系数，以使冷却器结构紧凑、重量轻。
    ③ 要求其流动阻力小，以减少循环泵的功耗和流动介质因克服流动阻力而产生的冷量损失。
    ④ 冷却系统应简单、运行可靠、成本低，便于安装、调节、清理与维修。
5 利用调压工艺冷能的压缩机组冷却工艺
5.1 高压天然气调压工艺冷能利用的可行性
    当城市燃气输配管网压力一定时，天然气膨胀的制冷温度主要受上游管道运行压力和调压装置进气温度的影响[16]。上游输送介质的压力越大，温度越低，膨胀制冷后的温度就越低。通过预冷进气、逐级膨胀，可以获得温度更低、品位更高的冷能。
    假设天然气全由甲烷构成。25.0℃、4.0MPa的高压甲烷气体(等熵指数为0.8)等熵膨胀至0.5MPa，可获得-77.6℃的低温；当进气被预冷到-5℃时，能产生-100.7℃的低温。膨胀制冷后的低温天然气通过与载冷剂进行热交换，可将调压工艺冷能集成到制冷循环或冷却系统中，从而使其得到充分利用。
    由于载冷剂与环境之间温差较大，输送过程存在冷损，必须根据当地气候、经济、用户温度分布等具体条件，求得技术经济优化的输送距离。目前，温度为4～20℃的冷水，其经济输送距离为5～6km[17]。
5.2 利用调压工艺冷能的压缩机冷却系统
    根据上述分析，笔者提出了一种利用天然气调压工艺冷能的压缩机冷却工艺(见图2)。该法尤其适用于加气站与门站(或调压站)相距不远的情况。
    流程主要包括调压工艺冷能的生成、储存、利用3个部分。高压天然气经气波制冷机预冷、脱水后，进入透平膨胀机中，根据门站的要求，将压力降至规定范围之内。调压过程中，气体对外做功，驱动同轴发电机输出电能，同时自身温度进一步降低，产生深冷的低压天然气。膨胀制冷的低温低压天然气通过与乙二醇水溶液进行换热，利用相变物质的潜热将冷量储存于储冷槽中。压缩机工作时，循环冷却水经储冷槽冷却，用泵送至各级冷却部位。
 

5.3 技术经济性分析
    ① 高压天然气蕴藏着丰富的压力能，简单的调压过程会造成巨大的能源浪费[18]。利用气波制冷机、透平膨胀机代替传统调压工艺中的调压器，回收利用天然气压力能，可以获得清洁的调压工艺冷能和电能。将调压工艺冷能应用于加气母站压缩机的冷却系统，不仅完善了冷能的利用方式，提高了能源的利用效率，也保证了压缩机的正常运行，降低了压缩机冷却系统的能耗。
    ② 城市燃气负荷受上游气源、时段、季节、气候等的影响，波动量比较大，造成调压释放的冷能随之波动。故通过设置蓄冷装置，利用相变物质的潜热，在冷能充裕时，吸收冷能而凝固；在冷能供应不足时，熔化并释放冷能。
    鉴于加气母站与调压站的地理位置差异，需要考虑冷能的经济输送距离，对管道设备采用相应的保冷材料和技术，减少长距离输送造成的冷损。
    ③ 所提出的新工艺采用了并联式水冷系统，使进入冷却部位的均为最冷的水，故回冷完善，冷却效果好，且各部分的水量、水温均可调节，查找故障方便。另外，冷却水构成闭式循环，使水质不受外界环境的影响，防止污染，较好地控制了水冷压缩机冷却系统的结垢和腐蚀。运行过程中可根据具体情况，在循环泵出口处安装除氧装置，在回水口处安装过滤器，向循环水中加入除氧剂和缓蚀剂。
    ④ 水冷机组适于环境温度较高的南方地区使用，能营造较低的压缩机各级吸气温度，有利于控制各级排气温度和油温，保证压缩机传动机构或填料的可靠冷却和润滑。通过在冷却水中掺入防冻剂，水冷机组也可以应用于环境温度较低的北方地区。
    ⑤ 冷却水的流量与压缩过程产生的热量、冷却水的进口温度、缸壁和管壁的传热系数、冷却器的流动特性、水的比热容等因素有关。水量过少，冷却效果差；水量过多则增加了水的流动阻力。故冷却水量必须满足压缩机的要求，可通过分流器进行水量的调节。
    ⑥ 新工艺中增加了气波制冷机、透平膨胀机、储冷槽、并联闭式冷却水循环管道等辅助设施，造价有所提高，在工程应用中尚需要进行深入的经济性论证。
6 结语
    随着经济的发展和人民生活水平的提高，我国的能源结构正逐渐发生改变，对天然气等清洁能源的需求将持续增长。将高压天然气调压工艺冷能应用于CNG加气母站的压缩机冷却，既有效利用了这部分潜在能源，又降低了压缩机冷却系统的能耗，具有可观的经济效益和社会效益。
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(本文作者：郑志1 王树立2 杨斌3 1.中国石油福建销售分公司 三明油库项目组 福建三明 365000：2.常州大学石油工程学院 江苏常州 213016；3.南京扬子石油化工设计工程有限责任公司 江苏南京 210048)