摘要：論述了回收利用天然氣調(diào)壓工藝冷能的意義，壓縮天然氣加氣站的組成與功能，壓縮天然氣加氣站中壓縮機組的工藝流程，壓縮機冷卻系統(tǒng)的作用、冷卻介質(zhì)的選取、對冷卻系統(tǒng)的要求。提出了利用高壓天然氣調(diào)壓工藝冷能的壓縮機組冷卻工藝，分析了該工藝的技術(shù)經(jīng)濟性。
關(guān)鍵詞：工藝冷能利用；調(diào)壓；CNG壓縮機；冷卻系統(tǒng)
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
汽車保有量的高速增長帶來了環(huán)境污染和能源短缺，世界各國廣泛開展了汽車替代燃料的研發(fā)工作。天然氣汽車以其低排放、抑制溫室效應(yīng)和擺脫對石油的依賴這3個主要特征，正在世界范圍內(nèi)得到普及和推廣[1、2]。在我國，天然氣汽車自2002年以來發(fā)展迅速，截至2007年年底，16個重點推廣城市的壓縮天然氣汽車保有量已達26.5×104輛，建成CNG加氣站555座[3、4]。CNG加氣站使用的壓縮機大都是具有曲柄連桿的往復(fù)活塞式壓縮機[5]。冷卻系統(tǒng)是往復(fù)活塞式壓縮機運行可靠性和經(jīng)濟性的重要保障之一[6]。合理的級間冷卻，可以降低各級的排氣溫度，減少壓縮氣體的功耗，增大壓縮機的排氣量；良好的氣缸冷卻可以保證氣缸具有良好的潤滑性，也可減少功耗，增大排氣量。因此，對冷卻系統(tǒng)的設(shè)計、優(yōu)化應(yīng)予以足夠的重視。高壓天然氣經(jīng)門站膨脹降壓后，自身溫度顯著下降，伴隨大量工藝冷能的生成[7、8]?；厥绽眠@部分潛在能源，對于建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會具有重大的現(xiàn)實意義。
2 CNG加氣站
CNG加氣站是CNG汽車加裝燃料的基地，是CNG汽車產(chǎn)業(yè)必不可少的組成部分，是CNG汽車使用和發(fā)展的基礎(chǔ)設(shè)施[9]。CNG加氣站一般由調(diào)壓計量系統(tǒng)、凈化干燥系統(tǒng)、壓縮系統(tǒng)、儲存系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、銷售系統(tǒng)共6部分組成。根據(jù)現(xiàn)場或附近是否有天然氣管網(wǎng)，分為標準站、加氣母站和加氣子劇[10]。
CNG子母站是近年來針對管網(wǎng)、征地、安全等條件限制而發(fā)展起來的一種無管網(wǎng)輸配技術(shù)[11]。其中，母站作為一種氣源站，通常建在城市門站或天然氣主干管道附近。這些地方天然氣管網(wǎng)內(nèi)的壓力可達到1.0～1.5MPa，有些地方甚至達到2.0MPa，比城市管網(wǎng)中0.15～0.40MPa的壓力要高得多。因此，在相同排氣壓力(25MPa)條件下，壓縮機僅用3級即可，單位氣體的壓縮機功耗比標準站的4級壓縮機減少約25%，故壓縮氣體價格相對便宜。此外，城市管網(wǎng)中的壓力會受用氣高峰的影響而產(chǎn)生波動，對壓縮機工作十分不利。而母站處的壓力則較為穩(wěn)定。
母站的供氣量大都在2000m3/h以上，它通過CNG氣瓶車向子站供氣。一個母站的供氣量可供4～6個子站用氣。同時母站也可對汽車直接供氣，尤其是大型的公交車輛，不僅有利于降低運行成本，而且供氣速度快且有保證。隨著城市化的迅速發(fā)展，對于那些無管網(wǎng)到達的城鎮(zhèn)或居民小區(qū)，其燃料也可利用母站的壓縮天然氣氣瓶車進行定期配送[12、13]。
3 CNG加氣站中壓縮機組的工藝流程
壓縮機保障了CNG加氣站向天然氣汽車加氣的壓力條件，提供了向天然氣汽車快加氣和慢加氣(以加氣機對汽車氣瓶加氣的完成時間來劃分，少于5min稱為快加氣，超過5min稱為慢加氣)所必需的流量，因此，壓縮機成為CNG加氣站的核心動力設(shè)備。
圖1是加氣母站1臺壓縮機組系統(tǒng)的工藝流程。
天然氣經(jīng)3級壓縮，壓力由1.0～1.5MPa升至25.0MPa。加壓后的天然氣，或經(jīng)加氣柱注入CNG氣瓶車轉(zhuǎn)運，或經(jīng)加氣機給天然氣汽車加氣。壓縮機缸體、級間冷卻器一般采用水冷。壓縮機每一級出口設(shè)有一個冷卻器，用于將氣體溫度降低到后續(xù)部分允許的范圍之內(nèi)。每一級冷卻器后設(shè)有一個氣液分離器，用于將天然氣中攜帶的潤滑油和因冷卻而析出的水分分離掉，尤其是最后一級必須要分離干凈，否則水分和潤滑油會對加氣機和汽車燃料供應(yīng)系統(tǒng)產(chǎn)生較大的危害。整個機組進口設(shè)有一個緩沖過濾器，其作用是給壓縮機營造一個平穩(wěn)的吸氣壓力，并分離掉天然氣中可能攜帶的水滴和其他雜質(zhì)。各級氣缸排氣口設(shè)有一個緩沖罐，用以減小氣流壓力脈動，保證壓縮機運行平穩(wěn)。
整個機組進、出口均設(shè)有截止閥，用于停機時將壓縮機組與其后的地面儲氣設(shè)備及前面的天然氣管道隔斷，可以是手動閥，也可以是氣動閥或電動閥。機組出口還設(shè)有單向閥，防止停機時地面儲氣裝置中的高壓氣體倒流回壓縮機組。壓縮機第一級進口與最后一級出口之間設(shè)有由氣動閥控制的旁通管道，用于開機時減負荷啟動。每一級的氣液分離器都設(shè)有氣動閥控制的排污裝置，進行定時自動排污。每一級氣缸出口都設(shè)有壓力和溫度傳感器，用于檢測相應(yīng)信號。為了表達簡捷，閥件、旁通管、傳感器等并未在圖1中表示。填料處漏氣集中排空，各處排污也集中排放。氣動閥所需要的壓縮空氣由另外的微型空氣壓縮機提供。
4 壓縮機的冷卻系統(tǒng)
4.1 冷卻系統(tǒng)的作用
壓縮機的冷卻系統(tǒng)包括氣缸組件冷卻、級間冷卻、壓縮氣體排出壓縮機后的后冷卻、潤滑油的冷卻等裝置。
冷卻系統(tǒng)良好，氣缸內(nèi)壁溫度低，傳給氣體的熱量少，可提高壓縮機的容積系數(shù)和溫度系數(shù)，進而提高排氣量。冷卻效果差，壓縮機的排氣溫度高，氣缸內(nèi)壁溫度高，使?jié)櫥偷男阅芟陆?，會加速氣缸的磨損。排氣溫度過高，還會使?jié)櫥桶l(fā)生氧化而在設(shè)備、管道內(nèi)形成積碳，致使排氣閥等動作失靈，熱量不能及時導(dǎo)出，氣體溫度迅速上升，導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。因此，壓縮機的排氣溫度有限制，JB/T 10298—2001《汽車加氣站用天然氣壓縮機》中限定各級的排氣溫度在180℃以下。氣缸溫度不均勻時，會產(chǎn)生過大的熱應(yīng)力，降低氣缸的強度。對于多級壓縮，級間冷卻越完善，就越省功。后冷卻可使氣體溫度降低，便于氣體中所含水分與油霧的分離。另外，由于冷卻后氣體的比體積下降，可減少氣體的流動阻力或減小氣體管道直徑。對于無油潤滑壓縮機，由于不能用油帶走部分摩擦熱，加之活塞環(huán)、導(dǎo)向環(huán)采用非金屬材料，冷卻系統(tǒng)的作用就更為重要。
4.2 冷卻介質(zhì)的選取
往復(fù)式壓縮機冷卻系統(tǒng)中常用的冷卻介質(zhì)為水和空氣，故冷卻系統(tǒng)可分為水冷式和風(fēng)冷式。對于中、大型壓縮機，排氣量較大，壓力高，所需傳遞的熱負荷大，一般選用比熱容大、價格低、容易獲得的水作為冷卻介質(zhì)。應(yīng)該指出，運行一段時間后，在冷卻系統(tǒng)內(nèi)會有水垢形成，致使水流通道截面積減小，水循環(huán)的阻力增加，阻礙正常的熱交換，造成設(shè)備冷卻不良，增加功耗，甚至發(fā)生事故[14]。因此，使用前必須對冷卻水進行軟化處理，且當水垢超過一定厚度時應(yīng)及時將其清除掉。
對于小型、移動式或橇裝式壓縮機，一般選用空氣作為冷卻介質(zhì)。在野外作業(yè)時，特別是缺水地區(qū)，選用空氣冷卻(風(fēng)冷)較為適宜。風(fēng)冷具有空氣免費易得、不需要泵和水處理等輔助設(shè)備、維護費用低等優(yōu)點。但由于風(fēng)冷效果比水冷效果差，相同負荷情況下，風(fēng)冷式壓縮機的軸功率比水冷式壓縮機的軸功率大。
4.3 對冷卻系統(tǒng)的要求[15]
① 冷卻系統(tǒng)必須滿足工藝設(shè)計中對排氣溫度、級間冷卻與后冷卻的溫度要求。
② 要有較高的總傳熱系數(shù)，以使冷卻器結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕。
③ 要求其流動阻力小，以減少循環(huán)泵的功耗和流動介質(zhì)因克服流動阻力而產(chǎn)生的冷量損失。
④ 冷卻系統(tǒng)應(yīng)簡單、運行可靠、成本低，便于安裝、調(diào)節(jié)、清理與維修。
5 利用調(diào)壓工藝冷能的壓縮機組冷卻工藝
5.1 高壓天然氣調(diào)壓工藝冷能利用的可行性
當城市燃氣輸配管網(wǎng)壓力一定時，天然氣膨脹的制冷溫度主要受上游管道運行壓力和調(diào)壓裝置進氣溫度的影響[16]。上游輸送介質(zhì)的壓力越大，溫度越低，膨脹制冷后的溫度就越低。通過預(yù)冷進氣、逐級膨脹，可以獲得溫度更低、品位更高的冷能。
假設(shè)天然氣全由甲烷構(gòu)成。25.0℃、4.0MPa的高壓甲烷氣體(等熵指數(shù)為0.8)等熵膨脹至0.5MPa，可獲得-77.6℃的低溫；當進氣被預(yù)冷到-5℃時，能產(chǎn)生-100.7℃的低溫。膨脹制冷后的低溫天然氣通過與載冷劑進行熱交換，可將調(diào)壓工藝冷能集成到制冷循環(huán)或冷卻系統(tǒng)中，從而使其得到充分利用。
由于載冷劑與環(huán)境之間溫差較大，輸送過程存在冷損，必須根據(jù)當?shù)貧夂?、?jīng)濟、用戶溫度分布等具體條件，求得技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)化的輸送距離。目前，溫度為4～20℃的冷水，其經(jīng)濟輸送距離為5～6km[17]。
5.2 利用調(diào)壓工藝冷能的壓縮機冷卻系統(tǒng)
根據(jù)上述分析，筆者提出了一種利用天然氣調(diào)壓工藝冷能的壓縮機冷卻工藝(見圖2)。該法尤其適用于加氣站與門站(或調(diào)壓站)相距不遠的情況。
流程主要包括調(diào)壓工藝冷能的生成、儲存、利用3個部分。高壓天然氣經(jīng)氣波制冷機預(yù)冷、脫水后，進入透平膨脹機中，根據(jù)門站的要求，將壓力降至規(guī)定范圍之內(nèi)。調(diào)壓過程中，氣體對外做功，驅(qū)動同軸發(fā)電機輸出電能，同時自身溫度進一步降低，產(chǎn)生深冷的低壓天然氣。膨脹制冷的低溫低壓天然氣通過與乙二醇水溶液進行換熱，利用相變物質(zhì)的潛熱將冷量儲存于儲冷槽中。壓縮機工作時，循環(huán)冷卻水經(jīng)儲冷槽冷卻，用泵送至各級冷卻部位。
5.3 技術(shù)經(jīng)濟性分析
① 高壓天然氣蘊藏著豐富的壓力能，簡單的調(diào)壓過程會造成巨大的能源浪費[18]。利用氣波制冷機、透平膨脹機代替?zhèn)鹘y(tǒng)調(diào)壓工藝中的調(diào)壓器，回收利用天然氣壓力能，可以獲得清潔的調(diào)壓工藝冷能和電能。將調(diào)壓工藝冷能應(yīng)用于加氣母站壓縮機的冷卻系統(tǒng)，不僅完善了冷能的利用方式，提高了能源的利用效率，也保證了壓縮機的正常運行，降低了壓縮機冷卻系統(tǒng)的能耗。
② 城市燃氣負荷受上游氣源、時段、季節(jié)、氣候等的影響，波動量比較大，造成調(diào)壓釋放的冷能隨之波動。故通過設(shè)置蓄冷裝置，利用相變物質(zhì)的潛熱，在冷能充裕時，吸收冷能而凝固；在冷能供應(yīng)不足時，熔化并釋放冷能。
鑒于加氣母站與調(diào)壓站的地理位置差異，需要考慮冷能的經(jīng)濟輸送距離，對管道設(shè)備采用相應(yīng)的保冷材料和技術(shù)，減少長距離輸送造成的冷損。
③ 所提出的新工藝采用了并聯(lián)式水冷系統(tǒng)，使進入冷卻部位的均為最冷的水，故回冷完善，冷卻效果好，且各部分的水量、水溫均可調(diào)節(jié)，查找故障方便。另外，冷卻水構(gòu)成閉式循環(huán)，使水質(zhì)不受外界環(huán)境的影響，防止污染，較好地控制了水冷壓縮機冷卻系統(tǒng)的結(jié)垢和腐蝕。運行過程中可根據(jù)具體情況，在循環(huán)泵出口處安裝除氧裝置，在回水口處安裝過濾器，向循環(huán)水中加入除氧劑和緩蝕劑。
④ 水冷機組適于環(huán)境溫度較高的南方地區(qū)使用，能營造較低的壓縮機各級吸氣溫度，有利于控制各級排氣溫度和油溫，保證壓縮機傳動機構(gòu)或填料的可靠冷卻和潤滑。通過在冷卻水中摻入防凍劑，水冷機組也可以應(yīng)用于環(huán)境溫度較低的北方地區(qū)。
⑤ 冷卻水的流量與壓縮過程產(chǎn)生的熱量、冷卻水的進口溫度、缸壁和管壁的傳熱系數(shù)、冷卻器的流動特性、水的比熱容等因素有關(guān)。水量過少，冷卻效果差；水量過多則增加了水的流動阻力。故冷卻水量必須滿足壓縮機的要求，可通過分流器進行水量的調(diào)節(jié)。
⑥ 新工藝中增加了氣波制冷機、透平膨脹機、儲冷槽、并聯(lián)閉式冷卻水循環(huán)管道等輔助設(shè)施，造價有所提高，在工程應(yīng)用中尚需要進行深入的經(jīng)濟性論證。
6 結(jié)語
隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高，我國的能源結(jié)構(gòu)正逐漸發(fā)生改變，對天然氣等清潔能源的需求將持續(xù)增長。將高壓天然氣調(diào)壓工藝冷能應(yīng)用于CNG加氣母站的壓縮機冷卻，既有效利用了這部分潛在能源，又降低了壓縮機冷卻系統(tǒng)的能耗，具有可觀的經(jīng)濟效益和社會效益。
參考文獻：
[1] 郭宗華，周儉明，吳祚平.壓縮天然氣汽車的特點[J].煤氣與熱力，2004，24(2)：108-110.
[2] 溫軍英.天然氣汽車的發(fā)展與應(yīng)用[J].煤氣與熱力，2005，25(5)：59-61.
[3] 張沛.CNG汽車是天然氣利用的重要發(fā)展途徑[J].石油與天然氣化工，2008，37(1)：23-26、47.
[4] 李廣，周淑慧.我國天然氣汽車的發(fā)展現(xiàn)狀與方向[J].國際石油經(jīng)濟，2008，16(7)：69-74.
[5] 郁永章，高其烈，馮興全，等.天然氣汽車加氣站設(shè)備與運行[M].北京：中國石化出版社，2006.
[6] 朱玉峰，董金華.往復(fù)活塞式壓縮機冷卻系統(tǒng)的設(shè)計及進展[J].輕工機械，2006，24(1)：48-50.
[7] 鄭志，王樹立，王婷，等.天然氣輸配過程流體壓力能回收技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J].天然氣與石油，2009，27(1)：11-15.
[8] 鄭志，王樹立，石清樹，等.城市天然氣門站調(diào)壓過程中工藝冷能的回收利用[J].長江大學(xué)學(xué)報，2008，5(4)：162-164.
[9] 張華.壓縮天然氣加氣站技術(shù)的探討[J].煤氣與熱力，2005，25(6)：66-69.
[10] 張玉蘭，郭章林，張洪亮.CNG汽車加氣站的可行性分析[J].煤氣與熱力，2006，26(2)：10-12.
[11] 郭忠明，隆立紅.壓縮天然氣(CNG)加氣母站的工藝設(shè)計方案[J].油氣儲運，2007，26(5)：40-42.
[12] 管宏慶.城鎮(zhèn)壓縮天然氣儲配站的建設(shè)[J].煤氣與熱力，2007，27(9)：22-24.
[13] 彭世尼，周茂林，黃強.小城鎮(zhèn)天然氣供應(yīng)模式分析[J].煤氣與熱力，2006，26(11)：1-3.
[14] 馮興全，寇寵.全水冷CNG壓縮機組冷卻系統(tǒng)的結(jié)垢、腐蝕控制及技術(shù)改造[J].壓縮機技術(shù)，2002，(6)：33-35.
[15] 馮興全，寇寵.全水冷CNG壓縮機組冷卻系統(tǒng)的結(jié)垢、腐蝕控制及技術(shù)改造[J].壓縮機技術(shù)，2002，(6)：33-35.
[16] 鄭志，王樹立，徐曉瑞，等.高壓天然氣調(diào)壓工藝冷能綜合利用技術(shù)研究[J].煤氣與熱力，2009，29(12)：A33-A36.
[17] 華賁.大型LNG接收站冷能的綜合利用[J].天然氣工業(yè)，2008，28(3)：10-15.
[18] 鄭志，王樹立，王幫華.天然氣城市門站調(diào)壓過程的火用分析[J].天然氣工業(yè)，2009，29(5)：104-106.
(本文作者：鄭志1 王樹立2 楊斌3 1.中國石油福建銷售分公司 三明油庫項目組 福建三明 365000：2.常州大學(xué)石油工程學(xué)院 江蘇常州 213016；3.南京揚子石油化工設(shè)計工程有限責(zé)任公司 江蘇南京 210048)
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