对CNG加气站压缩机的技术解析

1、对 CNG 加气站压缩机的解析2011 第十二届中国国际天然气汽车、加气站、燃气技术设备博览会论坛论文由压缩机及其驱动电动机和相关装备构成的天然气压缩机组，是天然气汽车加气站的最关键的动装备。天然气压缩系统装备的电力消耗，占据加气站总电耗九成以上的份额。压缩系统装备的购置费，约为加气站装备总购置费的四分之一左右。一、对 CNG 压缩机的基本要求1. 确保压缩机和加气站的安全运行。尽管天然气的物理化学性质并非“易燃易爆” ，而是“能燃可爆” ，其密度甚低、在大气中逸散很快，燃点高达650 ，在空气中的爆炸极限范围又很窄，为 4.8%13.46% （体积比）。但是，务必防患于未然，应尽量减少加气站

2、装备的天然气泄漏量。压缩机气缸处的活塞杆填料，是压缩机天然气外泄漏的最主要部位，是加气站安全运行的第一隐患所在。故应严格控制该处的天然气泄漏量在允许的安全范围内。2. 提高压缩机的机、电零部件的运行可靠性。压缩机是加气站最关键的动装备， 又因其机、 电零部件种类和数量众多，故而同时又成为加气站最易产生故障的动装备。提高压缩机的机、电零部件运行可靠性，避免非计划停车与检修，其重要性不言而喻。3. 节电、减震与降噪。压缩机是加气站装备里最大耗电者， 也是机械振动和气流压力脉动的最主要源头， 还是机械噪声、 因冷却目的而产生的空气流动噪声的主要根源。 在确保安全运行和提高机、 电零部件运行可靠性的前

3、提下，应力求压缩机节电、减震与降噪。二、 CNG 压缩机运行的特点1 . 总体说来 ,CNG 压缩机排气表压力均为 25MPa, 世界各国皆如此。 NGV 加气站中的常规站、子站所装备的 CNG 压缩机,其排气表压力恒为 25MPa 。 至于加气母站中的 CNG 压缩机排气表压力,则依长管半挂车上的 CNG 高压气瓶的工作压力而定,为 25MPa 或 20MPa 。2 .CNG 压缩机吸气压力 ,对用于常规站/母站者而言， 都取决于进站天然气管网压力。而加气子站中的 CNG 压缩机 ,其吸气压力则是变值， 最高吸气压力值和最低吸气压力值皆由 NGV 加气站的工艺设计确定。在国内工程实践中，一般

4、来说大体介于3MPa20MPa之间。3 .CNG 压缩机都具有有别于多数工艺流程用压缩机的间断运行的特点。近代的 CNG 压缩机 ,其启动、运行或停机的控制，都自动地取决于加气站的高压储气瓶组的实际气压状况； 而每一次的运行时间、停机时间，则由站用高压储气瓶组的水容积和车辆（对加气母站而言多为长管半挂车上的移动储气瓶组）所需之加气量综合确定。4. 由 NGV 加气站的智能化控制目标出发,理所当然地要求CNG 压缩机及机组的机械部分、强弱电部分,都具备适应无人值守、全自动控制运行的必要条件。5. CNG 压缩机吸入的天然气,其品质应符合有关标准规定。 一般情况下 ,在压缩机吸气口之前,需将进站天

5、然气作适当工艺处理并使之达标。6. CNG 压缩机排出的高压天然气,一般亦应进行工艺处理,使之符合对车辆加气的品质规定。 气缸极少油润滑的 CNG 压缩机、 气缸不注油润滑的 CNG 压缩机 （机身和气缸之间的中间接筒非 “双间隔室” 型的）,都难以摆脱机身内传动机构润滑油对其排出高压天然气品质的不良影响。7. CNG 压缩机的各级排气温度,无论压缩机的冷却方式如何（水冷、风冷或混合冷却） ，均应符合出自安全角度确定的排温限值, 当气缸、填料为注油润滑（或极少油润滑）时,更是如此。8. CNG 压缩机的供气量与高压储气瓶组的水容积值之间,应匹配合理,其核心目的有二：一是防止CNG 压缩机过于频

6、繁的启动,以避免由此导致的机件、电器、动力电费的额外负荷；二是为了在最低电价时间区段将气瓶组充足气，以减少压缩机在电价高的时间区段的运行时间,从而节省加气站的动力费用。9. 压缩机一般皆以电动机拖动,而 CNG 压缩机不乏用天然气发动机驱动的。 受运行场所动力电条件的制约 ,只能采用天然气发动机配套,为情况这一。为追求加气站的动力费用低,站内压缩机全部由天然气发动机驱动,为情况之二。情况之三是,站内压缩机之驱动机,电动机和天然气发动机兼而有之,以求控制灵便及节省动力费用：夜间工业电价最低时 ,以电动 CNG 压缩机将大水容积的高压储气瓶组充满气；当高电价的白天需启动压缩机时,就以天然气发动机

7、CNG 压缩机组为主力。10. CNG 压缩机还具有运行地域极为宽泛、气象条件差异极大的特点：严寒、高海拔、缺水、湿热俱有之。固定式NGV 加气站用、室外移动式 NGV 加气站用 CNG 压缩机,又有其明显差别：固定用者,务必满足运行场所的环境噪声限值规定,且有时是很苛刻的；室外移动用者,需适应无冷却水源、高寒气候条件甚至是无动力电的条件。11. CNG 压缩机应能适应进站天然气管网压力变化这一重要因素 , 既包括一天之内因城市居民炊事、洗浴用气而可能出现的气压变化 ,也 包括可能的管网改造升压或天然气衰减降压等情况。12. CNG 压缩机规格型号的确定,不仅要与建加气站时所需的实际加气能力相

8、符合,尚应虑及可能实施的加气站增容的需要。宜在扩容后压缩机台数增多而规格型号相同 ,即采用“模块式”的增容方法。13. 把天然气能燃可爆的特性和 CNG 压缩机在 NGV 加气站中的运行实际状况结合考虑,压缩机房应是大敞开式的,更宜采纳遮雨棚下置橇装压缩机组方式。 如为后者,在我国长江以北地区则以全风冷CNG压缩机为相宜。14. 对于配用循环冷却水系统的 CNG 压缩机组来说 ,闭式系统较开 式系统更为适宜。冷却水直排,导致宝贵的水资源浪费巨大,理应摒弃之。闭式系统是指采用风冷式散热器,使水在冷热交换过程中不和环境空气接触的冷却水循环系统。开式系统是指在环境空气中曝气降温的冷却水循环系统。使用

9、含防冻液的软化水的闭式系统,在防止水垢、金属腐蚀的产生等方面,有着强的综合优势。15. CNG 压缩机运行的安全性应得到保障,这是确定无疑的。 NGV加气站要求CNG 压缩机确保安全、运行可靠、节能长寿。 因此， 填料处微量泄漏气的处置方式（引出放空、集污箱回收气、承受内气压的机身贮留泄漏气等） ,各级排气温度限值,易损件的更换期，运动件承载面的比压值,气流速度与压力降,等等,均需受到控制。三关于加气站用 CNG 压缩机的几个重要概念在确认加气站的天然气压缩系统装备， 应安全运行、 应提高零部件的运行可靠性、 应节电、 减震与降噪这些前提下， 对 CNG 压缩机作深一步的探究，这对于如何优选压

10、缩机，甚有裨益。1 .压缩机的流量、压强单位及其换算压缩机的流量这一泛指名词的进一步明确化，就分解成压缩机的容积流量和压缩机的供气量，此二名词。a. 压缩机的容积流量释义压 缩机的容积流量，是指在额定排气压力下压缩机在单位时间内排出的气体容积值；该值在排气端测得并折算到压缩机进口状态，即压缩机第I级进气处的压力与温度时的容积值，此值尚应计入级间分离掉的水分折算成蒸汽的容积，还应计入气体压缩性的影响。b. 压缩机的供气量释义压缩机的供气量， 是指压缩机在单位时间内排出的气体容积值折算到标准状态之值，并不计入级间分离掉的水分及抽气量（当工艺流程自压缩机级间抽气时） 。供气量的标准状态是：绝对压力

11、0.1013MPa 、温度 0 、干燥 气体。c. 压缩机常用容积流量、压强单位及其换算遵照国际单位制，压缩机常用容积流量单位是 m3/min （米3/分）、 m 3/h （米 3/ 时） ，压缩机常用供气量单位是 Nm 3/min （标米3/ 分） 、Nm 3/h （标米3/ 时） 。然而， 和压缩机有关的国内外技术与商务交往中， 英制单位依然经常出现。 为方便交流， 今将笔者简约版的压缩机常用容积流量单位、压缩机常用压力（压强）单位及其换算分列于表1 及表2 。该二表之数字修约，满足工程级需要。2 .CNG 压缩机的供气量天然气汽车加气站及其CNG 压缩机， 最多用到的流量单位就是供气量。

12、 前已言及， 供气量是与标准状态对应的。 供气量标准状态是：温度 0、 0.1013MPa 绝对压力，而非其它温度与压力值。CNG压缩机的供气量Vn和它的公称容积流量 V （进气状态）之 间，存在着怎样的换算关系呢？Vn =GV式中，G供气量换算系数，它因压缩机的进气温度和进气压力不 同而不同。依据我国机械行业标准 JB/T 汽车加气站用天然气压缩机 ， CNG压缩机规定工况进气温度20 。以该 20 及柏弩利连续方程，笔者得出的不同进气压力下 CNG 压缩机供气量换算系数G 如表 3。知 G 值后，VN 与 V 之间可以相互推算。表3 中 G 值之数字修约，亦满足工程级需要。3 .CNG 压

13、缩机结构类型与结构型式的优选a. 由 CNG 压缩机的高排气压力、中小流量的性能参数特点所决定，迄今为止，天然气汽车加气母站、常规站和子站用者，皆以往复活塞式压缩机为绝对主流。而其它结构类型压缩机在该性能参数范围内，或者排气压力根本达不到，或者在零部件具体结构上无法实现。b. 往复活塞式CNG 压缩机的结构型式及其综合比较往复活塞式压缩机的结构型式， 是按其气缸中心线的分布状况来区分和命名的。往复活塞式CNG 压缩机的常见结构型式及其综合比较示于表4 ，毋庸赘叙。c.式CNG压缩机结构型式的优选压缩机结构型式的优选， 往往是加气站业主和专业设计院首先关注的要点。（ a ） 惯性力及矩平衡状况与

14、机械振动这是结构型式对压缩机的最重要的影响所在。往复活塞式压缩机的惯性力， 包含旋转惯性力和往复惯性力。 往复惯性力中，又以一阶往复惯性力的量值为最大，其扰动频率和压缩机的曲轴转速相同。扰动频率为压缩机曲轴转速之倍的二阶往复惯性力，其量值较小，欲平衡之则需增设复杂的运动机构，故一般不予考虑。不同结构型式的压缩机所能达到的惯性力、惯性力矩平衡的水准不同，从而其产生的机械振动的大小也不同。自表4 可见，对称平衡型这种结构型式比其它各种结构型式的惯性力及矩平衡状况都好。缘何如此呢？对称平衡型压缩机其气缸中心线皆与水平面平行，列数为偶数，曲轴中心线两侧皆分布有气缸和传动部件，且相对两列的曲柄错角为18

15、0 °、活塞作等速率反向运动。机构学和理论力学的基本原理，决定了它比其它结构型式的压缩机更有条件获得优越的惯性力及矩的平衡，故而机械振动微小。自二十世纪四十年代美国库珀（ Cooper ）公司、渥星顿（ Worthington ）公司开创了如表4 示意图 2 所示之对称平衡型压缩机（常规式相对气缸中心线偏距）之后，它迅速成为往复活塞式压缩机（尤其是其中的工艺流程用压缩机）的主导结构型式。为谋求惯性力及矩的完全平衡，美国 Cooper 卡麦隆（ CameronComperession Systems Group ）公司不惜以结构复杂化和提高制造成本为代价，于近年进一步完成了 Coope

16、r 式相对气缸中心线重合的对称平衡型压缩机（表4 示意图 1 ）的开发和批量生产。即通过机构学所能够采取的、将往复活塞式压缩机各阶惯性力和惯性力矩最完全彻底地平衡之绝招，使扰力量值为零。由卡麦隆授权的成橇商提供的多台此种母站、 常规站及子站用 CNG 压缩机组， 在我国南北方多座天然气汽车加气站极平稳地低噪、可靠运行，反响甚好，如江苏省常州市武进区、山东省德州市齐河县等站。笔者亦曾现场考察。- 9 -甘麦隆CForce32型常规站用CNG压缩机的曲轴一连杆一十字头传动机构部件示于图1,常规站用整机示于图2图1 Cooper 卡麦隆式相对气缸中心重合的对称平衡型压缩机传动机构部件（表4示意图1模

17、式）图2 C Force32型常规站用CNG压缩机4 示意图 1 模式）图 1 所示压缩机的曲轴有3 个曲拐， 居中的曲拐之曲柄销宽度是两侧曲拐的曲柄销宽度之和。居中曲拐与两侧曲拐的曲柄错角皆为180 °。居中曲拐的曲柄销套有一只宽连杆的大头，该连杆的小头套有十字头销。两侧曲拐的曲柄销各套有一只窄连杆的大头，该二窄连杆的小头共同套有同一只十字头销。此十字头销驱动的十字头的位置，和由宽连杆驱动的十字头的位置，完全对称于曲轴主轴承中心线。这两只十字头作等速率反向运动。而宽连杆的质量是两只窄连杆质量之和。包括十字头质量在内，这两只十字头分别驱动的往复运动件质量相等时，压缩机的惯性力、惯性力

18、矩必定完全平衡，达到最优状态，从而使压缩机摆脱了惯性扰力，机械振动基本为零。（ b ）压缩机中天然气流动方向压缩机的结构型式和压缩机中天然气流动方向紧密相关。美国石油学会API 618 标准石油、化工和气体工业用往复压缩机要求：当压缩饱和气体或带液气体时，压缩机气缸应水平布置，且气体自气缸上方进入，从气缸下方排出气体。这样能够安全地处理可以估量到的可冷凝/ 饱和气体，避免可能之液击。众所周知，各地天然气成份不一，当天然气在压缩机中升高了压力又经冷却后，难免析出液态物质，而水分的析出更是可能的。API 618 对气体在压缩机中流动方向的关于防液击的安全要求，只有对称平衡型是符合的，其它结构型式的

19、压缩机显然全都办不到。4. 关于 CNG 压缩机的气缸润滑方式售气机输出的高压CNG 之含油量， 必须得到控制。 所以希望 CNG压缩机气缸无油润滑的愿望是有道理、美好的。具有中间填料的双间隔室并以惰性气体封隔的中间接筒，能够保证气缸无油润滑压缩机输出气体不含油。 如若中间接筒非双间隔室者，即使气缸无油润滑，传动机构用润滑油的爬窜，也将使压缩机排气含油。但是 CNG 压缩机不宜采用双间隔室此种结构， 因为其制造成本过于高昂、占地面积过大、运行费用也太高。所以，自 1931 年迄今为止， 国内外 CNG 压缩机空前绝后的仅一台是双间隔室的。 况且， CNG压缩机气缸绝对无油并非必须，规范的加气站

20、工艺流程完全能够控制外输高压 CNG 之含油量。未采用具有中间填料双间隔室结构的中间接筒， 却侈谈 CNG 压缩机气缸无油润滑，显然欠严肃、欠求实。欧美诸多 CNG 压缩机名企，无一不自称是“少油润滑”而非无油润滑的。笔者欣赏这样实事求是的态度。由于 CNG 压缩机的高压填料、高压活塞环工作条件恶劣，气缸注油润滑时金属填料/ 活塞环中的优秀者寿命甚长， 而气缸无油润滑时工程塑料制填料/ 活塞环寿命则难以保证，国内外皆如此。这就由先进压缩机外企率先导出了对工程塑料元件实施“少油润滑”之举，这甚有利于密封气体的功能和延长其寿命。顺言及，无论何种气缸润滑方式，在CNG 压缩机各级冷却器之后设置液气分

21、离器和在末级冷却、分离之后设高效滤油器都是必要的。5. 关于 CNG 压缩机的“倒级差”结构往复活塞式多级压缩机中，出现活塞/ 气缸正级差或倒级差设计以及“平衡段” （平衡容积） ，本是正常现象，无需大惊小怪。然而，市场经济条件下个别并不很懂技术的 CNG 压缩机供方，却热衷于炒作技术，在“倒级差”上大做文章，误导了需方。剖析、 探讨技术问题， 来不得半点虚假， 更不能抱有既定的商务目的，而应尊重科学、求真务实、具体分析。否则，势必害人害己，甚至预埋下爆炸性隐患。a.“ 倒级差” 、 取消平衡段， 在多数运行场所无疑是压缩机很好的、节能的先进结构。压缩机先贤在我国大中型氮肥厂合成氨用大中型往复

22、活塞式氮氢气压缩机中，成功地开发和推广了“倒级差” 、取消平衡段设计技术。在可比条件下，不但压缩机运行电耗明显下降，而且活塞杆处高压填料等工程塑料密封元件的工作寿命亦获保障。最初的成功案例之一，当推二十余年前对山东省寿光氮肥厂压缩机的改造。此后，该项技术不仅获得了大面积的成功应用，还拓展到了高压加氢大型往复活塞式压缩机领域。笔者在欣喜地见到业内专家和母校老师该项先进成果的同时，也注意到了以下相关情况：其一，这些工程塑料密封元件的工作状态并非无油润滑；其二，这些元件的制造是依据引进的国外相关先进技术并采用进口的聚四氟乙烯粉料和加工设备；其三，大中型氮肥厂、大型炼油厂拥有优秀的运行体系和经验丰富的

23、操作人员。b. 国外成功的 CNG 压缩机制造企业，无一采用 25MPa 高压填料的“倒级差”结构。纵观美、德、英、日、瑞士、奥地利等国成功的 CNG 压缩机制造企业，其众多型号产品在中、低压力级不乏采用“倒级差”结构者（这和在压力最低的第I级实施“余隙调节”不无关系），但在压力最高的末级却无一不是应用“正级差”结构和“平衡段” ，使填料密封压差最高在10MPa12MPa，且为少油润滑工程塑料元件，而无一采用 25MPa 压差高压填料的“倒级差”结构。这是确凿无疑的现实，颇值得分析、思考。同样为铁案的是， 南欧同一企业产数种型号的 CNG 压缩机， 并无双间隔室中间接筒，却号称气缸无油润滑，其

24、“倒级差”结构的填料密封压差为 25MPa ，最早打入了我国南北方天然气汽车加气站市场，但运行实绩不佳，而今其踪迹安在哉？ 岂不发人深省。追根溯源，此诚乃误导源也！c 宜倡导 CNG 压缩机无 25MPa 高压填料设计。笔者痛感，结构设计不能脱离压缩机运行的具体条件来确定。天然气汽车加气站在确保安全的前提下， 方能进行加气作业， 才能使周边居民安心。 CNG 压缩机的填料处，恰为第一泄漏源所在 。而加气站一线操作者又以新手居多，故加气站装备更应是高质量的。那么如何尽量减少填料的漏气率呢？在设计阶段避免出现25MPa 高压填料，是甚为有效之举。一定要求填料在25MPa 高压的严酷条件下工作的理由

25、是不成立的。 采用正级差和平衡段结构， CNG 压缩机填料的最高工作压力不过是11MPa 级。某些自称气缸无油润滑的 CNG 压缩机， 不但根本未设置双间隔室中间接筒，而且其实际运行状态是有润滑油存在的。何苦自欺欺人！要求工程塑料密封元件在绝对无油条件下工作，同样也是不成立的。填料在 11MPa 及 25MPa 这两种压力下工作时,其气密性和寿命显然相差悬殊。可见 ,宜倡导 CNG 压缩机无 25Mpa 高压填料设计。6 .CNG 压缩机转速高低与运行可靠性由于 CNG 压缩机的转速、行程、结构型式的择取不一，以及零件材质、 机械加工与热处理、 装配等实施环节的差异， 客观形成的实际状况是：先

26、进的高转速CNG 压缩机的运行可靠性满高，低水准的低转速 CNG 压缩机却运转不可靠。需知， 转速、 行程以及由它们共同确定的活塞平均速度等技术参数，都只是一种手段、途径而非标的，终极目的是造就高水准、高可靠性 CNG 压缩机。较高的转速可使CNG 压缩机外形小、重量轻，少占昂贵的加气站地皮， 优点颇多。 但是必须保证在此转速下的零件寿命及运行可靠性。转速也并非越高越好，而且转速和与之相应的行程值共同给出的活塞平均速度总不会超出一个大致范围。 对于设计和制造得当的 CNG 压缩机来说， 由于天然气密度低， 其流动阻力损失小， 活塞平均速度在4m/s左右运转是稳妥的，无需担心。这些已由众多实机的

27、长期运行状况所雄辩地证明了的。加气站业主对转速的思虑，需和专业设计院、 CNG 压缩机制造企业共同沟通、切磋后敲定之。7 . 高压 CNG 压缩机前之增压压缩机天然气汽车加气站的进站管线压力衰减的现实状况,已远非个例。在高压 CNG 压缩机之前设置增压压缩机,不仅是热议的工程话题,而且不乏工程实例。那么,对增压压缩机技术参数的要求怎样,对增压压缩机结构类型又应如何抉择呢 ?笔者认为：a. 在增压压缩机的供气量（ Nm 3 /min ）与原有高压CNG 压缩机相匹配，排气压力与原有高压CNG 压缩机的进气压力相卸接此二根本前提下,增压压缩机尚应具有适应进气压力小幅度变动的能力。一来 ,进站管线压

28、力继续衰减是完全可能的；二来,上游管线压力复升（如由于伊网）的可能性也是存在的。b. 荐用增压压缩机的结构类型是往复活塞式,而非回转式。a）往复活塞式压缩机造价较低、运行电耗也低，且其压力比适应范围远宽于回转式,当其压缩级数为2 或 3 时,更是如此。 这就是赋予往复活塞式压缩机以强的适应进气压力变动的能力。b）无油回转式压缩机造价过于昂贵，而喷油回转式压缩机存在着天然气介质稀释油品或使油品缓慢变质的可能性。c. 往复活塞式压缩机中 ,结构型式是角度型者,应是增压压缩机理想的选择。a）角度型压缩机除了拥有造价较低、运行电耗低、压力比适应范围宽等往复活塞式压缩机固有特质之外,还具备结构最为紧凑、

29、外廓尺寸最小、占地面积最少的突出优势。故最适于在加气站原址范围内理想地安装就位而无需扩地。b ）角度型压缩机中的 V 型及 W 型压缩机,较之L 型压缩机、对称平衡型压缩机更便于改为承受内气压者,从而晋升为“无泄漏压缩机” ，节能和环保效应均属上乘。c）据悉,新颖先进的强刚性、极紧凑V型/W型通用系列增压机行将市售。参考文献（略）- 17 -容积流量单位m 3/hm 3/minft3/hft 3/min1m 3/h10.0166735.314670.588581m 3/min6012118.8835.314671ft 3/h0.028320.0004710.016671ft 3/min1.69

30、9010.02832601表（1）米3/时米3/分英尺3/时英尺3/分CFHCFM表1压缩机常用容积流量单位及其换算容积流量状态：N压力0.1013MPa A （绝对压力）、温度0C、干燥气体，如 Nm 3/h 。 Normal condition（N.T.P） 。S压力14.696pis A （绝对压力）、温度60 °F,如SCFM。Standard condition 。1Nm 3/h=1.0571Sm 3/h=0.62219SCFM1Sm 3/h=0.94598 Nm3/h=0.58858 SCFM1SCFM=1.6072 Nm 3/h=1.6990 Sm 3/h天然气计量单位

31、：1MMcfd（每日百万立方英尺）=28316.8m 3/d表2压缩机常用压力（压强）单位及其换算压强单位MPabarkgf/cm 2atmlbf/in 2(psi)1MPa11010.19729.8692145.041bar0.111.019720.9869214.5041kgf/cm 20.0980670.9806710.9678414.2231atm0.101331.01331.0332114.69616.8948 x69.948 x70.307 x68.046 X1Ibf/in 2(psi)10-310-310-310-3表（2）兆帕巴千克力/厘米2标准大气压磅力/英寸21kgf/cm 2=1kp/cm 2=1atm=1 工 程 大 气 压1Pa=1N/m 2=1 帕(斯卡)-20 -进气表压力MPa换算系数G进气表压力MPa换算系数G进气表压力MPa换算系类G进气表压力MPa换算系系G进气表压力MPa换算系数G0.051.391630.555.990551.1011.0493(63.5033.1241611.00102.107910.101.851520.606.450441.2011.969114.0037.7230812.00111.305750.152.31140.656.910331.3012.8889：24.5042.32213.