往复式压缩机节能降耗技术分析

天然气技术与经济 2014年 第8卷第1期 Vol.8，No.1 Feb.2014 天 然 气 技 术 与 经 济 Natural Gas Technology and Economy 0引言 往复式压缩机近年来在我国的天然气长输管道 输送、天然气处理、气井注采过程中的应用越来越 广泛，也是天然气生产中的主要能耗设备。如何最 大限度地降低往复式压缩机的能耗是管理技术人员 面临的难题，为此笔者针对往复式压缩机的节能降 耗技术问题进行研究和分析。 1压缩机指示功率的计算公式 往复式压缩机的指示功量是压缩机气缸在工作 循环中压缩气体所消耗的总功量，用Li表示；单位时 间内消耗的指示功量称为指示功率，用Ni表示。 实际压缩过程的指示功量计算公式为： LipsVhv k k1( pd ps ) k1 k 1 （1） 指示功率计算公式为： Ni1.634npsVhv k k1 (1) k1 k 1 （2） 式中，ps为气缸吸气压力，kgfcm2；pd为气缸排气 压力，kgfcm2；Vh为气缸行程容积，m3；V为容积 系数，表示气缸工作容积利用率降低的程度；k为气 体绝热指数；为压力比，为气缸排气压力与吸气压 力的比值；为相对压力损失，%；n 为压缩机转 速，rmin。 由往复式压缩机的指示功率计算公式得出，当 压缩机的气缸尺寸和转速一定时，影响压缩机指示 功率的主要因素是压力比、压力损失和气体性质。 2气体性质对压缩机功率的影响分析 对于1台在生产现场使用的压缩机，压缩机的气 缸尺寸和活塞行程、转速等指标已经确定，可以通 过分析压缩气体的物理性质对压缩机功率的影响来 制定合理的节能措施。 为了研究气体组分对压缩机功率和其他参数的 影响，选取了3种气体的组分，见表1。 表1压缩机进气气体的组分表 doi：10. 3969j. issn. 2095-1132. 2014. 01. 014 往复式压缩机节能降耗技术分析 王 玮刘 洋孙文忠 （中国石油大港油田天然气公司处理站，天津300280） 摘要针对如何最大限度地降低往复式压缩机的能耗问题，通过建立往复式压缩机的指示功量及功率理论公 式，得出压缩机的气缸尺寸和转速一定时，压力比、压力损失和气体性质是影响压缩机功率的主要因素，并通过压缩 机性能模拟计算软件，分别对天然气气体性质中的绝热指数、气体比重、压缩系数和工作参数中的进气温度、进气和 排气压力等因素对压缩机功率的影响作了分析，得出了气体比重增加、绝热指数减小会使压缩机的排气量和功率下降 以及工作参数中影响压缩机功率的主要因素是入口压力与压缩比的结论，并根据结论制定出了诸如改善压缩机的运行 条件、合理布置管道、选用导热系数高且便于清洗的冷却器、定期清理机组空冷器等往复式压缩机日常生产运行中的 节能降耗措施。 关键词往复式压缩机压缩机功率气体性质进气温度进气压力 文献标志码：B文章编号：2095-1132 （2014） 01-0049-03 收稿日期：2013 - 04 - 24修订日期：2014 - 01 - 06 作者简介：王玮 （1972 -） ，高级工程师，从事天然气净化处理和压缩机管理工作。E-mail：wangweidzt。 组分 CH4 C2H6 C3H8 iC4H10 nC4H10 iC5H12 nC5H12 C6 合计 气体1 94.390 4 % 5.304 3 % 0.065 6 % 0 0.009 2 % 0.013 7 % 0.019 8 % 0.197 0 % 100 % 气体2 83.155 % 9.845 % 3.00 % 1.00 % 0.90 % 1.00 % 1.00 % 0.10 % 100 % 气体3 83.155 % 6.845 % 3.00 % 3.00 % 1.90 % 1.00 % 1.00 % 0.10 % 100 % 49 Natural Gas Technology and Economy 第8卷第1期 假设压缩机的气缸数量为 6 个，直径为 229 mm，活塞行程为 152.4 mm，入口压力为 1.0 MPa， 出口压力为2.5 MPa，气缸入口的阻力降固定不变， 压缩机的进气温度为47，通过计算机模拟计算得 出的结果见表2。 表2不同组分的气体对压缩机性能参数的影响表 2.1绝热指数的影响 由表2计算结果看出随着气体中重组分的增加， 气体的摩尔质量和气体比重都增加，但是绝热指数 降低，压缩机的排气量和功率都下降。 往复式压缩机容积系数的计算公式为： v1( 1 m1) （3） 式中，为相对余隙容积，即余隙空间容积与气缸总 容积的比值；m为膨胀过程指数。 根据公式 （3） 得出，在相同的气缸余隙容积下， 气体的绝热指数增加后，压缩机的容积系数会有所 增加，排气量也会增加。 往复式压缩机的排气温度计算公式为： TdTs k1 k （4） 式中，Td为排气温度，；Ts为进气温度，。当压 缩机的压力比不变时，气体的绝热指数变大，压缩 机的排气温度将会升高。 2.2气体比重的影响 由表2看出，3种气体的比重不一样，随着气体 中重组分的增加，气体的比重增加，比重大的气体 经过管道和气阀的压降较大，使得气缸内的实际压 力比变大，因此压缩机的指示功率变小，指示效率 变低，压缩系数变小，故排气量有所下降。而气体 比重变小时，指示功率变大，排气量增加1-2。 2.3导热系数及压缩系数的影响 气体的导热性影响压缩机工作循环中的热交换 情况，导热系数大的气体在压缩机吸气、排气过程 中易被加热，因此排气量降低。由表2看出，不同组 分的气体，气体的压缩系数不同，组分轻的气体压 缩系数较大，在同样的气缸直径和进排气压力下， 压缩系数大的气体消耗压缩机功率大，排气量也大。 3工作参数对压缩机性能的影响分析 3.1进气温度的影响 假设压缩机共有6个气缸，直径为229 mm，活 塞行程为152.4 mm，入口压力为1.0 MPa，出口压力 为2.5 MPa，气缸入口的阻力降固定不变，通过计算 模拟压缩机的进气温度对压缩机的排气量和功率的 影响，结果见图1。 图1进气温度对压缩机排气量和功率的影响示意图 由图1看出，当压缩机的进出口压力保持不变的 情况下，随着进气温度的升高，压缩机的功率和排 气量都呈现下降的趋势。进气温度每升高1，压缩 机 的 功 率 就 下 降 0.25 kW， 约 占 压 缩 机 功 率 的 0.019 %；排气量减少3 000 m3d，约占压缩机排气 量的0.3 %。这是由于随着气体温度的升高，体积膨 胀，气体密度减小，气缸吸入气体的实际质量相对 减少的缘故。 3.2排气压力的影响 在压缩机的入口压力保持不变的情况下，压缩 机的排气压力升高，压缩机的压力比增大，根据式 （1） 和式 （2） 可知，压缩机的指示功量和指示功率都 将增大。通过压缩机性能软件的计算，模拟气缸直 径为 229 mm，活塞行程为 152.4 mm，入口压力为 1.0 MPa 不变，出口压力从 2.5 MPa 升高到 3.1 MPa 时，压缩机排气量和功率的变化情况见图2。 性能参数 摩尔质量 （gmol-1） 气体比重 绝热指数 压缩系数 排气温度 排气量 （104m3d-1） 压缩机功率 kW 气体1 16.966 0.586 1.298 0.998 113.3 81.45 1 273.65 气体2 20.257 0.699 1.257 0.997 105.8 81.36 1 255.5 气体3 21.099 0.728 1.247 0.996 104 81.31 1 251.01 王玮，等：往复式压缩机节能降耗技术分析 50 天然气技术与经济 总第43期2014年 图2排气压力对压缩机排气量和功率的影响示意图 由图2看出，随着出口压力的升高，压缩机的功 率增大，排气量减小，排气压力每升高0.1 MPa，压 缩机的功率就增加1.3 %3.5 %；结果还表明，当入 口压力为1.0 MPa时，出口压力由2.5 MPa增加到2.6 MPa时，压缩机的功率增加3.5 %，当出口压力由3.8 MPa 增加到 3.9 MPa 时，压缩机的功率仅增加了 1.4 %。说明随着压缩比的逐渐提高，压缩机功率增 加的幅度逐渐减缓。 3.3进气压力的影响 假设压缩机共有4个气缸，直径为317.5 mm，活 塞行程为152.4 mm，出口压力为3.0 MPa固定不变， 压缩机为一级压缩。通过使用压缩机性能计算软件 模拟压缩机的进气压力的变化对压缩机的排气量和 功率的影响；又假设压缩机采用三级压缩模式，压 缩机的出口压力为3.0 MPa 固定不变，入口压力在 0.020.07 MPa变化时，使用压缩机性能计算软件计 算得出压缩机组入口压力对机组的功率和排气量影 响情况。 单级压缩和多级压缩情况下，压缩机进气压力 对机组排气量和功率影响的结果见图3。 由图3看出，对于单级压缩来说，当压缩机的出 口压力固定不变时，随着压缩机入口压力的升高， 压缩机的排气量逐渐增大；压缩机入口压力从 1.0 MPa升至1.4 MPa时，随着进气压力的不断升高，压 缩机的功率逐渐增大，而进气压力从1.4 MPa升至 2.5 MPa时，随着进气压力的升高，压缩机的功率反 而逐渐降低。压缩机采用多级压缩时，当压缩机的 出口压力固定不变时，随着压缩机进气压力的升 高，压缩机的排气量和功率都逐渐增大。 根据压缩机指示功率的计算公式 （2） ，对压缩机 功率的影响，取决于压缩机排气量和两个因素中谁 是主要因素。当大于1.1时，由于吸气压力降低， 造成压缩机排量降低所减少的功率超过了上升所增 加的功率。因此，随着入口压力的降低，压缩机的 功率也降低 3。当压缩机的小于1.1时，由于吸气 压力降低，造成压缩机排量降低所减少的功率低于 上升所增加的功率。因此，随着入口压力的降低， 压缩机的功率增加；随着入口压力的升高，压缩机 的功率降低4。 图3单级和多级压缩机的进气压力对压缩机排气量和功率的 影响示意图 4结束语 经过往复式压缩机指示功率计算公式分析和压 缩机性能的模拟计算，得出了往复式压缩机优化运 行、降低能耗的措施。建议注意改善压缩机的运行 条件，合理布置管道，尽量降低管道阻力损失。在 设计或安装管道时，应尽可能地缩短管道长度，选 用导热系数高且便于清洗的冷却器并定期清理机组 空冷器。 参考文献 1 张勇. 往复式天然气压缩机节能降耗浅析 J . 通用机 械，2009 （8） ：33-36. 2赵国山，仇性启. 活塞式压缩机节能研究概述 J . 通用 机械，2006 （11） ：72-76. 3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. 4王玮. 天然气长输管道压缩机的改造 J . 设备管理与维 修，2008 （6） ：48-49. （编辑：蒋龙） 天然气技术与经济地面工程 51 天然气技术与经济 ment type, and construction procedure are described. Its applica- tion to Wen96-Chu13 well shows that the technology can shorten the construction cycle, reduce the solid waste, increase the survival rate of young crops, and improve effectively the hazardous sub- stancesprocessing. Its monitoring indicators meet the require- ments of national standard. Key Words: waste fluid, solidification method, treatment while drilling, Wen96-Chu13 well, solid-liquid separation MethodandModelforSimulationof Drill-string Dynamics By WANG Xiyong, HU Daliang, KUANG Yuchun and JIANG Zujun Abstract: In a long and narrow borehole filled with drilling fluid, there exists a very complex force condition for drill string. So, a re- search on drill-string dynamics is instructive to drilling. Based on the intensive study of its theory, many foreign drilling service com- panies have developed some simulation softwares, respectively. Particularly, simulation softwares developed by Bakers Hughes and Smith Tool from USA, and Drillscan from France are introduced re- spectively. In addition, the theoretical models relevant to these soft- wares are discussed with special emphasis on the modeling ap- proach and numerical solving technology. Finally, it points out the importance of developing our own simulation software and suggests a method of drill-string dynamics may be simulated by secondary development and utilization on matured finite element software. Key Words: drill- string dynamics, numerical simulation, soft- ware, simulation model, finite element method Downhole Complexity during Gas Drilling and Preventive Measures By XIE Chunqiang, SHI Hui, GAO Yao and HUANG Xiaochuan Abstract: As a special underbalanced drilling, gas drilling is also a technological tool with high efficiency. Its advantages mainly de- pend on increasing penetration rate, reducing downhole complexity, and making life longer for drilling bit. In order to ensure a safe gas drilling, some probably occurring downhole complexities (borehole explosion, going down, and wall inclination) are analyzed; and then, a case study on northeastern Sichuan Basin is presented; at last, many preventive measures are made. Key Words: gas drilling, underbalanced drilling, downhole com- plexity, safety Optimization of Casing Program for Shal low Horizontal Wells with Long Horizon tal Interval, Western Sichuan Basin By TANG Hongwei, LIU Wei, LI Hui and YANG Bin Abstract: With abundant gas resources, shallow Penglaizhen For- mation gas reservoir, western Sichuan Basin, becomes one of the main producers in this area. Some horizontal wells of this formation have long horizontal interval and their burial depth is shallow. So, it is very difficult to run casing only depending on its own gravity. In the past, a casing program of one-one-one system was used for shallow horizontal wells. But, it may bring about either long drilling cycle or high cost, finally resulting in lower economic benefits. In this study, integrating with friction effects, another casing program of one-one system with liner hanging is presented; meanwhile, a technology of transmitting liner by weighted drilling pipe and a de- sign of optimizing casing centralizer are proposed. This new system has been applied to more than 30 wells in shallow zones, saving about 36 % of drilling cycle on average. Key Words: long horizontal interval, shallowly vertical depth, casing program, friction analysis Energy- saving Measures for Reciprocat ing Compressor By WANG Wei, LIU Yang and SUN Wenzhong Abstract: Reciprocating compressor has been more and more widely applied to not only long-distance pipeline transportation and processing for natural gas but also injection-production procedure of gas well. But, how to reduce its energy consumption to the utmost extent is still a problem. So, in this study, through establishing the theoretical formula of indicator power, some main influencing fac- tors on compressor power are made certain, containing cylinder size and rotation speed-timing of compressor, pressure ratio and loss, and gas property. Furthermore, through simulation of compressor property, the effects of some gas properties (adiabatic exponent, gas specific weight, and compressibility factor) and many parameters (suction temperature, and intake and exhaust pressure) on compres- sor power are analyzed; and then, two conclusion are made: one is that an increase of gas specific weight and a decrease of adiabatic exponent may lessen both gas displacement content and power of compressor; another is that the main factors affecting compressor power are inlet pressure and compression ratio. At last, some ener- gy-saving measures are made for reciprocating compressor, con- taining, to improve its operation condition, to reasonably layout pipelines, to select the cooler for easy cleaning and with high heat conductivity, and to clean the air cooler in regular. Key Words: reciprocating compressor, compressor power, gas property, suction temperature, inlet pressure An Emphasis on Study of Natural Gas Commodity Quantit