东北地区CNG压缩机冷却方式的选择_工程实践

摘要

根据东北地区环境条件，提出CNG加气站运行对CNG压缩机冷却系统的要求，分析了适合该地区环境条件的CNG压缩机的冷却方式，提出了优选方案。

摘要：根据东北地区环境条件，提出CNG加气站运行对CNG压缩机冷却系统的要求，分析了适合该地区环境条件的CNG压缩机的冷却方式，提出了优选方案。

关键词：CNG压缩机；压缩机冷却方式；水冷式；风冷式；混冷式

Selection of CNG Compressor Cooling-down Method in Northeast of China

WANG Zhifeng，SHEN Xiaojun，YU Yinglian

Abstract：According to the environmental conditions in northeast of China.the requirements for CNG compressor cooling system in operation of CNG filling station are put forward.The CNG compressor cooling-down method suitable for the environmental conditions of this region is analyzed，and the optimization scheme is proposed.

Key words：CNG compressor；compressor cooling-down method；water-cooled； air-cooled；mixture cooled

1 概述

压缩天然气(CNG)作为汽车燃料，具有经济性、环保性等优点。大力推广CNG汽车，能显著减少城市污染，对保护环境、改善能源结构有重要意义。因此，在国家大力提倡绿色能源的背景下，积极挖掘天然气能源潜力，广泛应用于汽车领域，减少汽车对汽油的依赖，是我国能源替代战略的一个重要发展方向。

随着我国东北天然气田的开发和投入使用，CNG技术在东北地区的应用更加广泛，在吉林、辽宁、黑龙江等地陆续建成汽车加气站，但加气站能力已不能满足市场的需求，需要增加CNG加气站的数量及对原加气站扩容。尤其对CNG加气站的关键设备——天然气压缩机如何冷却、如何适应严寒、缺水地区提出了更高要求。因此，在选择CNG压缩机时必须在技术上充分保证压缩机能够满足恶劣运行条件的要求，能够持久、安全、可靠地运行^[1～2]。

本文结合近年来CNG加气站运行管理经验^[3]，就东北地区CNG压缩机冷却系统的方案进行对比分析，提出优选方案。

2 东北高寒地区环境条件

东北地区属大陆性季风型气候。自南向北跨暖温带、中温带与寒温带。年极端最高气温为43.2℃，年极端最低气温为-40.5℃，冬季平均气温为-20℃。最冷月平均最低气温较低，东北西部天然气田地区风沙扬尘较大、缺水严重。

3 对压缩机冷却系统的要求

天然气压缩机在运转期间，天然气经压缩后，压力升高，气体温度升高，气缸和填料的工作表面温度升高，机身润滑油温度也随之升高。因此，在压缩机运转时，需要进行级间、终级、气缸、填料、润滑油等的冷却。

依据高寒地区工况特点，对冷却系统的总体要求如下：

① 必须满足工艺设计中对各级间冷却与终级冷却的温度要求，压缩机终级排气温度不得比环境温度高15℃，且低于45℃。

② 满足润滑油冷却散热的要求。

③ 压缩机停机后，冷却介质要求防冻。

④ 总传热系数高，使冷却器结构尺寸小、重量轻。

⑤ 流动阻力小。

⑥ 系统应简单可靠，便于清洗维修。

4 设备选择对策

鉴于高寒地区工况特点及对设备的要求，压缩机的冷却方式有风冷式、水冷式和水风混合冷却式等3种。

4.1 风冷式压缩机特点

风冷式压缩机的压缩天然气采用冷却器强制风冷，气缸与填料采用自然冷却，润滑油在管路中闭式循环，高温油管路采用强制风冷。风冷式压缩机比较适用于寒冷地区及缺水地区。风冷式压缩机系统工艺流程见图1。

① 气体的冷却

根据气体流动传热原理，使增压后的高温天然气在不锈钢翅片管冷却器内流动，风机产生的冷却空气则垂直于换热管束流过，将天然气的热量带走，达到强制冷却的目的。

天然气冷却器采用高翅片以达到高效换热效果，按照使用地的环境条件设计，可以在当地的气候条件下有效地工作，保证压缩机终级气体排气温度符合要求。

天然气从入口过滤器进入压缩机，增压后通过一级排气管进入冷却器内部翅片管中，与冷却器内风机垂直方向吹来的冷空气进行换热，被冷却的压缩气通过二级进气管再次进入压缩机，经过二次增压达到25MPa的天然气通过二级排气管再次进入冷却器中进行换热，被空气冷却后的高压天然气进入出口过滤器，进入下一步工序。

② 机身润滑油冷却

压缩机运转时，为了使润滑油不致因温度过高引起性能变化，同时使运动部位散热降温，润滑油也必须进行冷却。

压缩机润滑油的冷却一般采用专门的列管式冷却器进行冷却。冷却油管环绕风扇进行循环强制冷却，控制油温在规定范围内。

4.2 水冷式压缩机特点

压缩天然气、气缸与填料水套和润滑油采用开式循环水冷却。冷却循环水因冷却气体、气缸与填料水套、润滑油而升温后，再送至冷却塔在环境空气中冷却降温，然后再通过水泵进行循环使用。水冷式压缩机系统工艺流程见图2。

天然气从入口过滤器进入压缩机，增压后的气体进入冷却器列管中，与列管周围的冷水进行换热，冷水吸收气体放出的热量变成热水并循环至冷却塔，热水在冷却塔上喷淋暴露在空气中冷却。根据水温指标，控制风扇的开启，达到冷却的目的。气缸、填料、润滑油的热量均被循环水带到冷却塔与空气换热。被冷却的高压天然气进入出口过滤器，进入下一步工序。

水冷式冷却系统的缺点是：由于冷却循环水必须在环境空气中降温，不仅水质不容易控制，而且还需定期补充水，水泵、冷却塔中的风扇也要消耗一定电能。

采用水冷式冷却系统方案还应注意以下问题：

① 在冬天使用应注意防冻问题。高寒地域冬季气温大部分时间在0℃以下，防冻问题应引起足够重视。11月份气温降低时，需适时将软化水更替为防冻液。防冻液一般由基础液和添加剂组成，基础液主要是乙二醇和水，添加剂主要是染色剂等。纯乙二醇凝固点为-12.5℃左右，沸点为198℃左右，随着水的加入，它的凝固点不断降低，当达到乙二醇质量分数为70%时，其凝固点可达-68℃。市场上一些劣质防冻液基本是采用甲醇和乙醇勾兑，其沸点只有80℃左右，如果夏季仍然使用，会影响换热效果。

防冻液的选择一般是要求其凝固点比当地气温低10℃左右。东北寒冷地区一般选择凝固点低于-45℃的防冻液。

压缩机停机时间不宜过长，在特别寒冷的天气里，需要开启循环泵，以保证防冻液的流动性。并定期巡检机器内防冻液加热器工作状况，防止加热器失灵，或因气温骤降而影响设备正常运转。

② 选择合理的冷却器结构型式，提高冷却器换热效果，尽可能使冷却器结构尺寸小、重量轻。

③ 避免腐蚀、结垢，便于清洗。循环冷却水一般虽采用电子除垢器或钠离子交换软化法进行处理，但效果不佳。循环冷却水的水质受各种因素的综合影响，如浊度较高、悬浮物含量高、硬度较高，甚至含油，菌藻滋生严重。冷却水的循环使用，给冷却器带来腐蚀、结垢问题^[4]，尤其是管间环隙结垢相当严重，甚至被堵死，或者腐蚀严重，水气泄漏，导致冷却效果降低，从而使排气温度过高，对压缩机的安全、稳定、长期运行构成较大危害。冷却器中换热管一旦结垢，采用抽出后人工清除的办法极难处理。如果换热管采用不锈钢材质，可便于进行定期化学清洗除垢。

4.3 混冷式压缩机特点

水风混合冷却式(以下简称混冷式)压缩机的各级排气后的气体、机身润滑油等的冷却采用闭式循环水冷却。闭式循环是指循环水始终处于密闭系统内，循环水的热量通过冷却器上的风扇进行强制换热冷却。混合冷却是指压缩机靠水冷却、水靠风扇冷却的混合冷却方式。混冷式压缩机系统工艺流程见图3。

天然气从入口过滤器进入压缩机，增压后的气体进入换热器列管中，与列管外的冷水进行换热，冷水把气体放出的热量吸收并带走至风冷却器，冷却系统完全封闭，循环水在冷热交换时不和环境空气接触，热水被风冷却器风扇强制冷却，降温后的冷却水通过水泵循环至换热器。高压天然气被冷却后，通过出口过滤器，流进下一步工序。

在闭式冷却系统中，使用含防冻液的软化水，在防止水垢、腐蚀等方面，有较强的综合优势：

① 由于采用翅片管式风冷却器强制冷却，换热效果好，在满足冷却循环水流量情况下，实际所需要的水量不大。因此，可加注蒸馏水或纯净水，完全避免了冷却水本身水质差及蒸发浓缩等造成的损失、腐蚀、结垢等一系列问题。特别是可以改加注防冻冷却液，以适应冬季高寒的北方地区及沙漠缺水地区。

② 对循环水进行强制冷却的冷却器为低压设备，翅片换热管一般采用铝材制造，传热效果比钢材更佳，制造难度和成本相对较低。

5 设备特点比较

① 冷却效果

水冷式效果最好，混冷式效果次之，风冷式效果较差。开式循环水冷系统中，冷却水在环境空气中降温彻底，经过水冷却器后的天然气温度，一般不比环境温度高10℃。采用风冷式时，出口处的天然气温度一般不比环境温度高15℃。

② 冷却器体积方面

混冷式体积最小，风冷式次之，水冷式需要设置冷却塔，体积大，占地面积大。

③ 经济性

混冷式CNG压缩机的制造成本高于风冷式，风冷式CNG压缩机的制造成本高于水冷式。但结合加气站成套设备和占地费用进行比较，由于水冷式压缩机需配置循环水泵、冷却塔、水管路、水阀等；混冷式压缩机也需配置循环水泵、风冷却器、水管路、水阀等，这些都会增加辅助设备费用和占地费用。经比较，不同冷却方式的天然气加气站，其建站总费用相差不大，风冷式CNG压缩机可能更为经济。

④ 运行与维护

风冷式CNG压缩机无需增添一整套的水管道、泵、水处理辅助设备，冬季室外气温低，有利于换热效果提升；由于水冷(或混冷)式系统存在腐蚀、结垢、清洗、防冻等一系列问题，风冷系统的维护费用一般为水冷系统的20%～30%，加上东北西部天然气田水资源供应形势日趋严峻，故风冷式压缩机的优越性也越来越突出。

⑤ 振动与噪声

采用同样的成橇方式，水冷(或混冷)式CNG压缩机的振动远小于风冷式CNG压缩机。

风冷式CNG压缩机的噪声远高于水冷式和混冷式，所以风冷式压缩机需要特殊降噪措施如设置隔声罩棚。

6 安全注意事项

① 压缩机出入口连接处必须加强巡检，冬季生产更应频繁巡检。

② 调压器出入口管道和调压器本身在冬季时均应伴热，否则低温易影响其性能，造成泄漏风险。

③ 气缸、填料、润滑油冬季需要伴热，否则影响压缩机的正常运行。

④ 冬季压缩机各级排污宜每日2次，以保障压缩机运行顺畅。

7 结论

① 风冷式CNG压缩机具有在东北地区全天候运行的极强适应性，在水冷式(或混冷式)压缩机较难适应的高寒、缺水地区也能正常工作，表现出独特优点。