本文版权归天然气工业杂志社所有

未经允许，不得转载

徐秀芬¹　李泓霏¹　刘国豪²

1. 东北石油大学机械科学与工程学院

2. 中国石油天然气股份有限公司管道分公司

管道科技研究中心

摘　要    电驱往复式压缩机组是天然气加气站的主要耗能设备，也是加气站开展节能降耗工作的重点所在。加气站压缩机组效率是合理表征、科学评价加气站能效水平的关键指标之一，但天然气处理和输送系统中通用的压缩机组效率测试和计算方法仅适用于压缩机出口压力恒定的工况，并不适用于加气站压缩机出口压力和温度实时变化的工况。为此，根据热力学理论，采用焓差法计算压缩机组输出的有效总能量，用输出的有效总能量与机组耗电量之比计算加气站压缩机组的平均效率，并采用该方法对加气站压缩机组进行现场测试与计算。研究结果表明：①加气站压缩机组效率理论计算方法虽然较为精确，但可操作性较差，现场测试时几乎无法操作；②该加气站压缩机组平均效率的计算方法具有所需测试参数少、计算过程简单、可操作性强等优点，更加适用于现场测试和工程应用。结论认为，相关监测部门可依据该计算方法来测试、计算、评价加气站压缩机组的能效水平，为加气站制订效率提高方案提供理论基础和技术支持，从而加快推进加气站的节能降耗工作。

关键词   天然气加气站　压缩机组效率　电驱往复式压缩机组　加气站节能　REFPROP　节能降耗　现场测试

0　引言

对天然气加气站的总体能耗进行分析发现，电驱往复式压缩机组(天然气加气站)和潜液电泵机组(液化天然气加气站)在整个加气站工艺过程中的能耗最大。压缩机组效率和潜液电泵机组效率作为评价这两种设备能效水平的重要指标^[1-2]，许多专家都曾对其进行了深入研究和探讨，其中潜液电泵机组效率通常利用泵流量、扬程、重力加速度的乘积与电动机输入功率的比值进行计算^[3]，目前这种方法在行业内被广泛采用，几乎没有异议；而对于加气站压缩机组效率，至今仍未有准确、可靠、操作性强的计算方法^[4]。因此，在明确传统理论计算方法的基础上，首次提出压缩机组平均效率(也称压缩机组效率)的计算方法，并对加气站的多台压缩机组进行了测试与计算，以验证该方法的准确度和可靠性，以期为相关部门对压缩机组效率的计算和监测提供依据。

1　压缩机组的精确效率计算

压缩机的指示功是指压缩机中直接消耗于气体的功，即由示功器记录的压力—容积图所对应的功^[5]。通常压缩机的实际示功图很复杂，很难直接得到计算公式，理论上可采用机械示功器、电子示功器及计算机采集数据绘制指示图的方法得到压缩机的示功图^[5-6]，然后利用求积仪或按式(1)～(3)的计算方法计算，得到压缩机的指示功率。压缩机每转的指示功为：

式中W_k表示压缩机每转的指示功，kJ ；P_i 表示第i个时刻压缩机气缸内的压力，Pa ；A 表示压缩机活塞面积，m²；S_i、S_{i ＋ 1}表示第i、i ＋ 1 个时刻压缩机活塞位移，m ；m 表示压缩机的一个循环过程按时间被平均划分的份数。

压缩机的指示功率为：

天然气加气站压缩机的特殊之处在于，因储气设施内的压力随压缩机的工作而不断增大，导致压缩机每转的指示功率不完全相等，且压缩机上通常不加装活塞的位置传感器和缸内压力传感器，要准确测试和计算压缩机的指示功率十分困难。因此，这种计算方法在现场测试中较难操作，需研究探索更为简便、准确的方法来对压缩机组的输出能量进行计算。

2　压缩机组的平均效率计算

当压缩机对气体做功，将气体注入加气站储气设施(包括车载储气瓶组、埋地储气瓶组和储气井)时，储气设施内的原有气体也会因新注入的高压天然气而有能量的增加。因此，压缩机组输出能量不仅包括储气设施内新增气体携带的能量，还应包括储气设施内原有气体能量的增加值。在计算过程中，首先应确定测试阶段内储气设施内的新增气量以及启动压缩机前储气设施内的原有气量，根据压缩前后气体的焓差^[7]，计算得到储气设施内所有气体总能量的增加值，即为压缩机组的输出能量。压缩机组的输出能量与耗电量的比值即为该压缩机组的平均效率。

2.1　测试阶段内的新增气量

测试阶段内的新增气量是指在测试阶段内加气母站槽车气瓶的新增加气量，或标准站、机械子站及液压活塞子站压缩机组的通过气量。压缩机启机时储气设施中原有气体的状态方程为：

式中p₁表示启机时储气设施中天然气的绝对压力，Pa ；V_d表示储气设施的设计容积，m³；Z₁表示启机时储气设施中气体的压缩因子；n₁表示启机时储气设施中存留气体的量，mol ；R 表示摩尔气体常数，数值约为8.314 5 J /(mol·K)；T₁表示启机时储气设施中气体的温度，K。

储气设施中原有的n₁mol 气体在标准状况(0.1MPa，20 ℃)下的状态方程为：

式中p₀表示一个标准大气压，数值为101 325 Pa ；V₁表示n₁mol 气体在标准状况下的体积，m³；Z₀表示标准状况下气体压缩因子，可采用AGA8-92DC 方法^[8-10]进行计算；T₀表示标准状况下温度，数值为293.15 K。

由式(4)、(5)可得压缩机启机时储气设施中原有气体在标准状况下的体积为：

式中p₂表示停机时储气设施中天然气的绝对压力，Pa ；Z₂表示停机时储气设施中气体的压缩因子；n₂表示停机时储气设施中所储存气体的量，mol ；T₂表示停机时储气设施中天然气温度，K。

压缩机停机时储气设施中所储存的n₂mol 气体在标准状况下的状态方程为：

式中V₂表示停机时储气设施中所储存气体在标准状况下的体积，m³。

由式(7)、(8)可得压缩机停机时储气设施气体在标准状况下的体积为：

2.2　天然气比焓值计算

任意工况下实际天然气的比焓值可由两种方法计算：①参照式(11)～(21)进行估算^[11]；②将实测的天然气气体组分输入软件进行计算。天然气视分子质量按下式计算：

式中M 表示天然气视分子质量；M_i 表示天然气第i 组分相对分子质量；x_i 表示天然气第i 组分摩尔分数。

天然气气体常数(R_g)按下式计算：

式中h⁰表示天然气比焓值，kJ/kg ；h_i⁰表示天然气第i 组分的理想气体比焓值，kJ/kg，其值与进(出)口温度有关。各组分的比焓值如图1 所示。

图1　天然气各组分理想气体比焓值图

天然气视临界压力按下式计算：

式中p_c表示天然气视临界压力，MPa ；p_ci 表示天然气第i 组分临界压力，MPa，部分烃类及非烃类组分的临界压力如表1 所示。

天然气进、出口视对比压力按下式计算：

式中p_rinj、p_routj 表示第j 级压缩机进、出口天然气视对比压力；p_inj、p_outj 表示第j 级压缩机进、出口压力，MPa。

天然气视临界温度按下式计算：

式中T_c表示天然气视临界温度，K ；T_ci 表示天然气第i 组分临界温度，K，部分烃类及非烃类组分的临界温度见表1。

表1　部分烃类及非烃类组分的物理化学常数值表

天然气进、出口视对比温度按下式计算：

图2　实际气体比焓值的修正系数图上述比焓值的计算方法需要读取图中数值，计算复杂且准确度较差；也可采用美国国家标准与技术研究院(National Institute of Standards and Technology，NIST)研制的REFPROP 软件对不同工况下实际天然气的比焓值进行计算^[13]，该方法简单方便且准确度较高。首先点击Substance-Define New Mixture， 根据气质分析报告中天然气各组分的摩尔分数(MoleFraction)或质量分数(Mass Fraction)新建天然气流体；点击Calculate-Isoproperty Tables，选择Temperature-Pressure(或Pressure-Temperature)，输入该工况下的温度、压力区间及步长，即可得到该气体组分的天然气在给定工况下的实际比焓值(Enthalpy)。同时，也可点击Plot-Setup Pressure vs. Enthalpy Plo(t 或Temperature vs. Enthalpy Plot)，观察该气体在给定压力、温度变化范围内比焓值的变化趋势。

2.3　计算压缩机组输出总能量

电驱往复式压缩机组输出总能量即储气设施中因引进天然气而获得的总能量，包括测试阶段内新增加气量的能量增加值(W_T1)和压缩机组启机时储气设施中原有气量的能量增加值(W_T2)。测试阶段内新增加气量的能量增加值(W_T1)可按下式计算：

式中ρ_q表示标况下天然气的密度，kg/m³；h_out表示停机时压缩机出口气体比焓值，kJ/kg ；h_in表示启机时母站或标准站压缩机进口气体比焓值，或测试开始时机械子站、液压活塞子站槽车气瓶中气体比焓值，kJ/kg。压缩机组启机时储气设施中原有气量的能量增加值(W_T2)按下式计算：

式中V₁表示母站压缩机组启机时槽车气瓶中气量，或标准站、机械子站及液压活塞子站储气瓶组(井)中的气量，m³；h_in1表示启机时母站槽车气瓶中气体比焓值、标准站和机械子站或液压活塞子站储气瓶组(井)中气体比焓值，kJ/kg。

h_out、h_in 与h_in1 按2.2 中方法计算。电驱往复式压缩机组输出总能量(W_T)按下式计算：

2.4　压缩机组平均效率

电驱往复式压缩机组平均效率按下式计算：

式中η_dq表示电驱往复式压缩机组平均效率；P_dq 表示测试阶段内机组耗电量，kW·h。

3　现场测试与计算方法的应用

在一定测试阶段内对天然气加气站的多台电驱往复式压缩机组进行现场测试，表2 为某天然气加气母站的气质组成情况，利用2.2 中推荐的REFPROP 软件计算得到压缩机进口气体比焓值h_in、停机时压缩机出口气体比焓值h_out以及启机时槽车内气体比焓值h_in1，该气体比焓值随压力、温度的变化趋势如图3 所示，测试参数及计算结果如表3所示。

表2　天然气气质组成表

图3　该气体比焓值图

表3　基础参数及计算结果表

单位加气量电耗是指测试阶段内压缩机组累计耗电量与加气量的比值，经计算该压缩机组的单位加气量电耗为 0.078 19( kW·h)/ m³。对测试的多台天然气加气站压缩机组的平均效率和单位加气量电耗进行计算，结果如表4 所示，其变化趋势如图4 所示。由图4 可知，各压缩机组的平均效率与其单位加气量电耗呈反比，单位加气量电耗较低的压缩机组平均效率较高，也可侧面反映平均效率计算方法的科学性与合理性^[14-20]。

表4　多台压缩机组平均效率及单位加气量电耗计算结果表

图4 　各压缩机组平均效率与单位加气量电耗变化趋势图

4 　结论

通过现场测试与计算，压缩机组平均效率的计算方法较传统的理论计算方法具有所需测试参数少、计算过程简单、可操作性强、结果可靠等优点，相关监测部门和工作人员经测试和计算即可得到压缩机组效率。因此，该加气站压缩机组平均效率的计算方法可为评价压缩机组及加气站的能效水平提供理论支持，从而提高压缩机组的经济性能，全面推进加气站的降本增效。

参考文献请点击下方“阅读原文”查看

编　辑　何　明

论文原载于《天然气工业》2019年第11期

基金项目：石油天然气行业标准制订项目《天然气加气站耗能设备能耗测试和计算方法》《国家能源局综合司关于下达2018 年能源领域行业标准制(修)订计划及英文版翻译出版计划的通知》[ 国能综通科技(2018)100 号](编号：能源20180205)。

作者简介：徐秀芬，1966 年生，教授，博士；主要从事油气田机械采油、注水以及地面集输系统的节能理论和节能技术方面的研究工作。地址：(163318)黑龙江省大庆市高新技术产业开发区学府街99 号。ORCID: 0000-0002-3593-4650。

E-mail:1538937270@qq.com

点击