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CNG母站用天然气压缩机降温节能改造

文档作者：唐伊盟周才华钟北平文档来源：中石化石油机械股份有限公司武汉江钻天然气分公司		点击数：	更新时间： 2024年06月16日
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电力行业节能
2018 年第4期总第427期 ＥＮＥＲＧＹ ＣＯＮＳＥＲＶＡＴＩＯＮ 节能
节能技术与产品
作者简介： 唐伊盟， 技师， 研究方向为机电设备。
收稿日期： 2018-03-24
摘要： 因服役时间长久， 设备老化严重， CNG母站用天然气压缩机常出现超温现象， 超温严重时甚
至造成压缩机停机， 严重影响母站的正常生产和保供。针对上述问题， 结合母站的实际运行情况， 对现有的
压缩机工况调节装置进行进一步改造， 在保证降温节能的前提下， 大幅度降低了改造成本， 为母站用天然气
压缩机工况改善、降温节能提供了一种切实可行的新方法。
关键词： CNG母站； 天然气压缩机； 降温； 节能
中图分类号： TE0 文献标识码： B 文章编号： 1004-7948（2018）04-0043-04
doi:10.3969/j.issn.1004-7948.2018.04.013
CNG母站用天然气压缩机降温节能改造
唐伊盟， 周才华， 钟北平
（中石化石油机械股份有限公司武汉江钻天然气分公司， 湖北武汉430223）
引言
天然气加气母站是专门为CNG汽车提供燃料的集
接收、净化、压缩、储存、转运于一体的大型城市天
然气运用基础设施， 担负着城市公交、的士的供气保
障任务。其核心部件多为大排量卧式多列活塞往复式
压缩机。加气母站都在每台压缩机的进气入口端设有
调压阀， 保证压缩机的可靠运行。节流减压虽然稳定
压缩机的入口压力， 但浪费了原料气本来的压缩能量。
其结果是增大了压缩机能耗； 使压缩机每一级压缩比
不均衡导致某级排温度过高， 增加了压缩机维护成本，
在高温天气下， 因散热不佳， 压缩机需间歇使用或无
法使用。
由于服役时间长久， 设备老化严重， 武汉江钻天
然气分公司的CNG母站用2#压缩机出现超温现象。特
别是在夏季， 天气炎热导致环境温度较高， 同时车用
气处于高峰， 导致压缩机严重超温， 甚至需要停机，
进而影响了正常的生产和保供。针对上述问题， 需采
取一定措施对天然气压缩机进行降温改造， 以保证压
缩机的正常运行。
1 压缩机超温原因
武汉江钻天然气分公司的CNG母站用2#压缩机是
由美国Ariel公司制造的型号为JGA/6的往复式压缩机，
采用4级压缩， 主要运行参数如表1所示。
从表1数据可以看出， 压缩机各级压缩比失衡， 其
一、二级压缩比分别为3.56和2.62， 而三、四级压缩比
仅为1.89和1.42， 导致其二级排气温度高达173℃。为
了降低压缩机的排气温度， 需对压缩机进行调节， 均
衡其各级压缩比。
2 压缩机降温改造总体方案
目前国内外常用的往复式压缩机工况调节方式有：
旁路回流调节、电机变转速调节、顶开进气阀调节和
余隙无级调节。其中旁路回流调节和电机变转速调节
无法调节压缩机各级压缩比， 不适用于2#压缩机的降
温改造要求； 顶开进气阀调节方式对顶开气阀的时间
有精确要求， 而执行机构为高速运动部件， 因此对控
制和执行机构要求高、投资成本大。而余隙无级调节
可不改变压缩机原主体结构， 仅改造压缩机缸盖， 而
不改变机组原控制系统， 通过液压控制油站来控制可
变余隙容积， 可实现调节压缩机排气量的同时均衡压
缩机各级压缩比， 从而达到减少能耗和降低压缩机排
气温度的目的。它具有可靠性高、经济性能好、价格
低廉等优点， 更重要的是， 它可以轻松解决压缩机超
温停机的问题。
近几年， 余隙无级调节技术已成功应用于工程实
际， 最具代表性的是由武汉理工大学的专利《活塞往
复式压缩机余隙无级调节装置》， 该专利已成功应用于
荆门石化、锦西石化等多个石油炼化企业。随着余隙
无级调节技术在实际工程应用的日益广泛， 该技术已
日趋成熟。
结合母站的实际运行和设备现场布置情况， 并与
武汉理工大学专家共同探讨， 将专利《活塞往复式压
缩机余隙无级调节装置》提出的余隙无级调节装置进
万方数据 43
电力行业节能
2018 年第4期总第427期 ＥＮＥＲＧＹ ＣＯＮＳＥＲＶＡＴＩＯＮ 节能
节能技术与产品
图2 机械式位移检测模块
图3 泄漏检测模块
表1 2#压缩机主要运行参数
一级进气压力
（MPa）
0.792
行了以下几点改造。
（1）新的执行机构。去掉原有的磁致伸缩位移传感
器， 采用机械式余隙位移测量方法， 使整体结构小而
安全可靠， 节省成本。且满足可调余隙范围在压缩机
的体积排气量在55%～90%内进行无级调节。同时， 设
计简易安全检漏装置， 防止油缸密封件失效。
（2）新的液压油站的改造。去掉PLC控制模块， 采
用人工机械式操作， 大幅度降低成本， 以适应母站现
行的工况及运行需要。
（3）新的调节模式。通过理论计算与大量现场试验，
总结出天然气母站压缩机工控调节规律， 并对调节量
进行量化， 为现场操作人员提供操作说明。
3 改造后的余隙无级调节装置
3.1 执行机构
改造后的执行结构主要由可调余隙气缸、整体式
余隙活塞杆、液压油缸、机械式位移检测模块、泄露
检测模块等组成（见图1）。其动力由小型液压站提供，
通过液压站中手动换向阀控制油液方向， 实现活塞杆
在油缸中的左右运动。操作时， 由一人操作手动换向
阀手柄， 一人通过机械式位移检测装置观察余隙活塞
杆位置。余隙活塞的运动速度约为1.7 mm/s， 在这种缓
慢移动的情况下， 观察者能精确把握余隙活塞是否到
达指定的位置， 保证余隙调节的高精度。
此执行机构与改造前的执行机构相比， 主要对位
移检测模块和泄露检测模块进行了改造。
（1）机械式位移检测模块设计。
在余隙柱塞末端， 将原有的磁致伸缩位移传感器
的安装位置改为余隙位移检测杆， 并在端盖上加装测
量套筒（见图1）。在封闭的测量套筒上开槽并加装标
尺， 便于直观的读出余隙调节位移量。
机械式位移检测模块， 取代了原有的位移传感器
检测模式， 结构简单， 极大幅度降低了制造周期和成
本， 同时减小了因传感器等电气元件故障引起的设备
停机概率， 降低了停机维护费用。
机械式位移检测模块实物如图2所示， 余隙位移检
测杆的伸缩长度即为气缸余隙容积大小调节量。检测
杆伸出端最长即为余隙容积最小， 伸出端最短即为余
隙容积最大。
（2）泄漏检测模块设计。
如图1所示， 在余隙油缸缸体柱塞密封组件密封
沟槽内， 开设泄漏检测口， 直通缸体外面的球阀。
当密封组件失效时， 气缸里压缩气体会反向从余隙
油缸密封失效处串入密封沟槽， 如果打开球阀发现
气体有刺漏声， 并且连续不断排放， 说明执行机构
油缸密封组件失效， 应及时更换密封组件。实物图
如图3所示。
一级排气压力
（MPa）
2.82
二级排气压力
（MPa）
7.41
三级排气压力
（MPa）
14.04
四级排气压力
（MPa）
20
二级排气温度
（℃）
173.8
功率
（kW）
326
标方排量
（m3/h）
2100
每标方耗电量
（kWh/m3）
0.155
注： 1. 机械式位移检测模块； 2. 液压油缸； 3. 整体式余隙活
塞杆； 4. 泄露检测口； 5.可调余隙气缸； 6.压缩机气缸
图1 执行机构示意图
44万方数据
电力行业节能
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节能技术与产品
图5 TGKS2.0液压控制
3.2 液压站
该公司降本节费的要求以及母站供气压力比较稳
定等实际情况， 项目组成员认为原有的PLC控制系统
过于复杂， 带点隐患点多， 且造价昂贵。经过多次与
设计方沟通交流， 决定开发一种简单的去PLC控制的
集成液压站， 要求液压站能控制余隙执行机构全行程
运动， 且运动精密可调， 操作简单， 整个系统稳定独
立。根据以上要求， 开发了一种新型的液压控制站
（TGKS 2.0液压控制系统），
新型液压站系统由油箱、油泵电机机组、蓄压器、
余隙无级调节余隙缸和油路板等组成， 液压站控制系
统原理图如图4所示。
图4 液压站原理图
液压站实物如图5所示。从图中可以看出， 去PLC
控制后的液压站具有以下几个特点：
（1）体积轻巧， 稳定可靠。PLC控制后， 整体体积
仅为原有液压站的1/2， 且只有一个防爆电机为带火
点， 极大降低了隐患安全点。
（2）控制简单， 操作方便。当需要调节余隙执行机
构时， 只需打开油泵电机开关， 操作手动换向杆， 使
余隙活塞位移到达指定位置， 然后使手动操作杆归到
中位， 利用单向止回阀止住液压油， 最后关闭电机开
关及完成操作。工况调节系统与压缩机系统属于两套
独立系统， 互不干涉， 因此， 调整余隙位移可以是压
缩机正常工作时。
（3）降低成本。PLC控制降低了设备制造80%的
成本。
3.3 余隙调节模式
对于多级压缩机而言， 一级气缸余隙容积对压缩
万方数据 45
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节能技术与产品
机的排气量和功耗起决定作用， 一级气缸余隙容积减
小时， 排气量和功耗都增大， 单位气体能耗几乎不变。
二级气缸余隙容积的调节起到调节改级压缩比的作用，
从而调节二级排温， 使二级排气温度在正常范围内。
而本项目， 在提升了进气压力， 在夏季与冬季气温不
同的情况下， 如何做到在保证二排温度正常的情况下，
最大限度使压缩机运转稳定， 最大限度提升排量， 并
且最大限度节能， 如何在这三者之间找到最佳平衡点，
是需要研究考虑的。
针对母站进气压力变化规律比较恒定， 冬季用量
高峰时期管网压力会降至0.9 MPa以下， 夏季官网压力
会升至1.25 MPa， 分公司目前将2#压缩机调压撬设定调
压至1.2 MPa。一级余隙活塞主要起调节气量的作用，
同时平衡负载， 防止压缩机过载； 二级余隙活塞主要
通过调节压缩比， 起到调节排气温度的作用。通过理
论计算与大量现场试验， 最终制定了夏季和冬季不同
进气压力情况下的余隙调节参数对照表， 如表2所示。
4 降温节能改造效果
从改造后的压缩机工况调节系统正式投入运行后，
2#压缩机运行情况得到明显改善。改造前后2#压缩机运
行工况对比如表3所示。
表2 余隙调节参数对照表
一级进气压力
（MPa）
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1号手柄
位置
30%余隙
30%余隙
30%余隙
40%余隙
45%余隙
50%余隙
55%余隙
2号手柄
位置
30%余隙
30%余隙
30%余隙
40%余隙
45%余隙
50%余隙
55%余隙
3号手柄
位置
90%余隙
80%余隙
70%余隙
55%余隙
65%余隙
75%余隙
75%余隙
4号手柄
位置
90%余隙
80%余隙
70%余隙
55%余隙
65%余隙
75%余隙
75%余隙
1号手柄
位置
0%余隙
0%余隙
10%余隙
20%余隙
30%余隙
35%余隙
40%余隙
2号手柄
位置
0%余隙
0%余隙
10%余隙
20%余隙
30%余隙
35%余隙
40%余隙
3号手柄
位置
30%余隙
33%余隙
35%余隙
40%余隙
45%余隙
45%余隙
50%余隙
4号手柄
位置
30%余隙
33%余隙
35%余隙
40%余隙
45%余隙
45%余隙
50%余隙
项目夏季高温工况35℃ 冬季低温工况10℃
与改造前相比， 2#压缩机二排温度降低50 ℃， 保
证了2#压缩机的正常运行； 同时提升压缩机排量约
400 m3/h,约合每小时降低电机功率120kW， 大大节约了
2#压缩机运行成本。据母站数据统计， 母站7~10月份2#
压缩机平均每天工作约13 h， 月节约电费3万元， 年节
约电费可达36万元。
5 结语
针对现有的余隙无级调节装置进行改造后的压缩
机工况调节系统， 其整体结构小、改造成本低、调节
方便可靠， 能更好地适用于武汉江钻天然气分公司
CNG母站2#压缩机的实际运行情况。改造后， 2#压缩机
的运行状况得到很大的改善， 其排气温度显著降低，
解决了运行超温问题， 进而保证了其全天候正常运行；
提高了压缩机排量， 使压缩机生产效率有所提高； 同
时， 显著降低了压缩机轴功率， 减小了其运行成本。
参考文献
[1] 林梅，孙嗣莹.活塞式压缩机原理［M］.北京：机械工业出版
社，1987．
[2] 郁永章.活塞式压缩机[M].北京：机械工业出版社，1982.
[3] 金江明，洪伟荣，梁萌，等.往复压缩机气量调节方法的研
究进展[J].压缩机技术，2007，（4）：28-32.
表3 改造前后2#压缩机运行情况对比
改造前
改造后
一级进气压力
（MPa）
0.792
1.190
一级排气压力
（MPa）
2.82
2.96
二级排气压力
（MPa）
7.41
6.71
三级排气压力
（MPa）
14.04
13.26
四级排气压力
（MPa）
20
20
二级排气温度
（℃）
173.8
123
功率
（kW）
326
261
标方排量
（m3/h）
2100
2600
每标方耗电量
（kWh/m3）
0.155
0.100

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