作者：张毅
注气压缩机是地下储气库的核心设备，其能耗在注采装置中占到60%以上。目前国内已建储气库多用于季节调峰，这类储气库一般工作气量小、距离气源较远、距离用户较近，调峰灵活性要求高。注气压缩机选型既要考虑地下储气库的库容及储气能力，又要结合长输管道供气能力及用户调峰需求。目前国内储气库主要采用燃气驱动或电机驱动往复式压缩机组。实际操作时，由于储气库运行过程中气量和出口压力不断变化的特点，会导致一段时期内注气压缩机在低于额定排量的工况下运行。因此，选择适宜的气量调节方法，对大功率往复式注气压缩机的平稳、高效运行以及降低注气装置能耗均具有重要意义。
1 我国储气库注气压缩机应用情况
进入20世纪90年代后期，随着陕京天然气输气管线的建成，为确保北京、天津两大城市的供气安全，开始建设以季节调峰为主的地下储气库，到目前为止，通过利用枯竭油气藏已分别建成了大港储气库群和华北油田的京58储气库群。为满足西气东输管线下游长江三角地区用户调峰需要，建设了金坛盐穴储气库和刘庄储气库。近几年，在借鉴京津调峰储气库建设经验基础上，国内新疆、四川、长庆、辽河等主要油气田加快了利用枯竭油气藏改建储气库的步伐。
目前国内已建和在建的地下储气库仍主要以枯竭油气藏改建为主，此类型储气库地层埋层深，注气压力高。下游天然气用户大部分是民用或调峰电厂，用气量变化较大，注气压缩机全部选用往复式机组，机组排量按照“均采均注”的原则设计，并考虑不均匀系数。对于储气库注气来说，工艺上可以实现压缩机人口压力维持恒定，但出口压力是随注气进行持续上升的，因此，压缩机排气压力应能满足最高注气压力的要求（注气末压力）。如果按照末期注气压力（最高）、最大注气量来配置压缩机组，那么需要压缩机组减少注气量以适应气源供气能力时，要么机组排量低于下限不能适应，要么机组低效运行。因此，选择适宜的气量调节方法，对大功率往复式注气压缩机的平稳、高效运行以及降低注气装置能耗均具有重要意义。
2 常用压缩机气量调节方法对比
压缩机气量调节方法很多，但能够实现对大型往复压缩机进行连续、经济、高效、快捷、精确调节的方式并不多。常用的气量调节方法有以下几种。
2.1转速调节
转速调节即通过改变压缩机的转速来调节排气量。这种调节的优点是气量连续，功率消耗小，压缩机各级压比保持不变，而且不需要设置专门的调节机构，但它主要应用于内燃机和汽轮机驱动的压缩机上，可调节其转速在60%~lOO%的范围内变化，对于电机驱动的压缩机则需要配置变频器。电机驱动的往复式压缩机由于受压缩机工作原理的限制，若采用变频电机，在调节过程中会出现一些盲区，且大功率变频电机+变频器的设备费比普通电机高出约百万美元／台，同时维护工作量大，因此，目前在电动机驱动的往复压缩机上很少采用此方法。另外，变转速调节可能会对压缩机的工作产生不良影响，如气阀颤振、部件磨损大、振动增加、润滑不充分等，因此限制了该调节方式的广泛应用。
2.2余隙调节
在压缩机的汽缸上，除固定余隙容积外，还有一定的空腔，调节时接人汽缸工作腔，使余隙容积增大，容积系数减小，排气量降低，这就是余隙调节的工作原理。按照补助容积接入方式的不同，又分为连续的、分级的和间断的调节，多用于大型往复压缩机。这种调节方式的缺点主要是由于手动调节，响应速度慢，一般需要与其他调节方式配合使用。虽然联通可变补助余隙容积的方法原则上可以实现0 N100%范围内的调节，但结构笨重，可靠性较差，易损件多，维护困难，须停机进行操作，给生产运行带来诸多不便。
2.3进口压力调节
通常在流程设计时，会在压缩机上游设置稳压阀，将压缩机进口压力稳定在设计工况并在一定范围内上下波动。当压缩机进气量降低时，可通过人为调节稳压阀设定压力，保证压缩机在正常工作范围内运行。但这种做法不但浪费了气体本身压力能，而且导致压比增大，排气温度升高，经济性差，仅适用于一定时期的短时间调节场合。
2.4压开进气阀调节
根据进气阀被压开过程的长短，该方法分为全行程压开进气阀和部分行程压开进气阀2种方式。对于全行程压开进气阀调节，在吸气过程中，气体被吸入气缸，在压缩过程中，因为进气阀全开，吸入的气体又被全部推出气缸。假设某压缩机有一个一级双作用气缸，若只顶开活塞侧的进气阀，气量降低50%；如果两侧同时顶开，则排气量为零。所以，可实现气量的0、50%和1000103级调节。可见，全行程压开进气阀的调节幅度较大，仅适用于粗调节。部分行程压开进气阀调节的原理与全行程压开进气阀相似，但它通过控制压缩行程中进气阀的关闭时刻，控制返回气量的多少，从而可以实现气量连续调节。这种方法结构较简单，其调节后功率主要消耗于气流通过气阀的阻力损失，因而也比较经济，但压开阀片时，易使阀片受力及变形，有损阀片的寿命，适用于转速不高的情况。
2.5旁通回流调节
排气管经由旁通管路和旁通阀门与进气管相连接，调节时只要开启旁通阀，部分排气便又回到进气管道中。这种调节方法比较灵活，而且简单易行，配上自动控制系统，调节精度也比较高，但是因为回流气体的全部压缩功都被损耗掉，经济性差。故常用来作为压缩机空载启动时的辅助手段，也可用作调节多级压缩机各级压比。
2.6气量无级调节
气量无级调节通过控制进气阀，在压缩冲程前期先将不需要压缩的部分气体通过进气阀排回至压缩机进口，然后才开始真正压缩所需要的气量，最大限度地节约能源，通过智能化的液压调节机构，快速、精准地控制压力和流量，实现气量理论上0—100%的连续调节（实际因压缩机而异）。
3气量无级调节系统与注气压缩机匹配技术应用
以某储气库项目为依托，对注气压缩机与气量无级调节系统匹配技术进行了研究与应用。
3.1注气压缩机选型
此库3台注气压缩机采用国外引进的电驱往复式压缩机，设计参数见表1。
最终注气压缩机采用ARIEL KBU_6卧式对置平衡双作用三级往复式压缩机，配套高压电机额定功率为4 000 kW。压缩机运行期间进、出口压力波动范围大，根据压缩机厂家计算结果，该压缩机在进口压力为4 MPa时运行参数见表2。
3.2最低负荷限制
如果压缩机长期运行在低负荷下，气体在进气和回流时产生的阀损将使进气温度升高。根据适用的工厂标准，排气温度通常不能超过135℃。实际排气温度的变化依赖于下面几个因素：气缸的进气温度、气缸的功率输入、压缩比、气缸大小、散热面积、冷却介质的循环速度。图1表示了所选机组的负荷率和进气温升的关系，及由此产生排气温度的变化。可以看出，在负荷低于10%时，进气温度随负荷率的减小显著升高。因此，为了防止压缩机密封元件过热，必须对压缩机最低负荷进行限制，建议该压缩机最低负荷控制在20%。
3.3气量无级调节与储气库注气压缩机的匹配
根据已建储气库运行经验，在1个注气周期内注气量下限可能达到注气规模的20 010，对于该储气库考虑注气下限为60万m3/d。因此对单套机组设置气量无级调节系统即可满足注气量波动需求。同时保留压缩机回流阀，作为辅助调节手段。
气量无级调节系统的控制回路都为闭环控制回路，实现气量调节全自动化控制。利用分程控制，实现压力控制器对气量无级调节系统和回流阀的控制。
压缩机在设计工况下满负荷运行时，各级能够维持在最佳压比，使压缩机在最省功的状态下运行。当压缩机运行参数发生变化时，各级压比是随背压和外界条件自动调整的，中间各级间压力的变化按气体流动连续性原理及状态方程自动调整。由于注气压缩机的出口压力和排气量都存在较大波动，由压缩机自动匹配级间压比可能会导致偏离设计压比较远，浪费较多压缩功，应用气量无级调节系统可以很好地解决这一问题。
3.4节能性分析
根据气量预测，该储气库某注气期共注气162 d，最小注气量为70. 11万m3；日注气量最大时3台机组均满负荷运行；出现单台机组运行负荷低于20%的运行天数为ld，因此仅对其中1台注气压缩机组设置气量无级调节系统，单台机组运行负荷低于20 010的1 d采用回流方式调节气量。
往复式压缩机运行中，由于压缩机内有摩擦损失，气缸内又有热传递和泄漏损失，所以往复式压缩机的轴功率包括了指示功率、传热及泄漏功率和机械损失功率3部分。应用气量无级调节系统后，压缩机只节省了用于气体压缩的部分指示功率，而传热泄漏功率和机械损失功率基本不变。根据这种理念，对该年度注气压缩机组应用无级调速系统进行了节能计算和分析，结果见表3。
对该储气库注气机组设置气量无级调节系统后，在预测注气周期里共节省压缩功142 285. 78 kW．超过注气机组总能耗的14%。
3.5系统实现的功能
气量无级调节系统可以很好地实现与储气库往复式注气压缩机的匹配，并实现以下功能。
(1)注气系统能够完全适应注气期压缩机变工况运行条件，避免了储气库传统气量调节方式操作复杂、浪费能量的弊端，实现压缩机O~ 100%负荷范围内的无级调节（实际因压缩机而异，一般推荐在20%—100%）。
(2)降低旁通回流带来的负面影响，降低冷却器的负荷，提高压缩机的可靠性和安全性。
(3)尽可能减少启停机对注气压缩机带来的不利影响，提高了机组配置的灵活性。
(4)对压缩机的级间压力进行自动控制，确保级间压力稳定，压缩机在最佳压比状态下运行。
(5)实现注气压缩机组节能14%以上。
4结论
使用气量无级调节系统，可以实现往复式注气压缩机负荷在0 N100%自动调节，极大提高了储气库注气系统可靠性和安全性，同时也可取得显著的节能效果，在储气库注气压缩机设计中值得借鉴与推广。
5摘要：
分析了常用的气量调节技术，提出将气量无级调节系统应用于储气库注气压缩机，可实现注气压缩机的平稳、高效运行，并取得显著节能效果。
上一篇:经验介绍：求严求实谋发展
