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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，应尽量减少加气站装备的天然气泄漏量。
2、 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提下，应力求压缩机节电、减震与降噪。
3、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。
4、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
5、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
6、。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
7、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
8、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
9、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
10、算到压缩机进口状态，即压缩机第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）、m3/h（米3/时），压缩机常用供气量单位是Nm3/min（标米3/分）、Nm3/h（标米3/时）。 然而，和压缩机有关的国
11、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。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，
12、 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
13、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
14、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180、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，
15、美国Cooper卡麦隆（Cameron Comperession 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Cooper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。 卡麦隆CForce32型常规站用CNG压缩机的曲轴连杆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模式）图2 CForce32型常规站用CNG压缩机（表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
