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摘要：随着CNG加气站业务的快速发展，加气站能耗总量和能耗比重均快速上升，现有CNG站由于具有配用动力大、运行时间长、耗电量大、冷却用水量大等特点,加之国产CNG压缩机组整体性能不足（例如压缩机润滑系统含油率高、水露点超标、压缩机排量与驱动电机功率不匹配等）、模块化的设计和建设存在缺陷，使得压缩机系统流程配置、参数控制等重要环节不合理，同时脱水装置存在再生过程能耗较大、再生气用量大、再生频繁等问题导致CNG加气站系统运行能耗高、效率低，给CNG的生产、运营带来了很大压力。本文就对CNG加气站能耗与节能运用进行分析和探讨。
关键词：CNG加气站；能耗；节能运用
1现有CNG加气站生产过程能耗面临的问题
我国现有CNG加气站的能耗问题突出，能源利用率比较低，其中消耗的电能仅次于原料气所占的费用。国家对能源调控的影响，已经在天然气行业明显体现。如:国家对电价的调整方案，对于用电量大、能耗大的加气站，成本将会增加更多。
节能降耗是石油天然气行业一直追求的目标。为了实现CNG加气站的节能降耗，分析我国CNG生产过程的能耗现状，面临的主要问题有:(1)耗电量大、电能成本居高不下；(2)CNG加气站生产工艺技术具有局限性，节能降耗意识不强；我国目前CNG加气站工艺，应将一般工艺设计和节能设计密切结合起来，制定和选择低能耗的方案，为项目改造投产后的节能打下良好基础；(3)生产过程能耗控制不利，能源利用效果不佳，要强调整体节能效益；(4)行业能耗管理模式粗放，缺乏科学管理[1]。
1.1压缩系统
压缩系统是加气站心脏，也是能耗的重要组成部分，但是存在级间冷却效果差，冷却效果达不到下级进气温度指标要求，引起水露点不合格等系列问题，现有的各机型级间换热器设计有缺陷，换热面积、冷却水流程流量不够科学，不符合国内CNG实际工况，需要进一步研究及改善冷却问题，降低能耗。目前压缩机能耗具有以下特点:(1)压缩机频繁启动，能耗影响较大；(2)压缩机级间压缩量、级间冷却温度、天然气充装工艺等参数对能耗的影响较大；(3)由于夜晚与白天需求差异较大，使得加气站装置负荷率变化较大；(4)如果电机功率因数较低，无功功率得不到补偿，就会导致能源浪费大，用电设备损耗严重，造成经济损失。
1.2脱水系统
分子筛脱水装置的能耗是随着装置的脱水负荷而变化，脱水负荷大则能耗高。现有CNG站脱水装置中，入口天然气中的水份含量对脱水装置能耗的影响没有深入研究，再生环节的加热时间、加热温度、吸附效果及能耗影响，也没有深入研究。目前主要存在再生气用量大、再生加热温度及加热时间不合理、再生频率高等问题，水露点达不到要求，影响气质，分子筛加热温度、加热时间等不符合现场要求，不能达到节能降耗效果[2]。
1.3充装工艺系统
CNG加气站存在加气高峰，日产量大部分集中在这几个时间段，储气设施设置不当，会导致压缩机的启停次数增加，运行时间过长，增加电耗，生产成本增加，同时对电网也有很大冲击。现有的CNG加气站，主要存在储气装置气体利用率较小，加气时间过长等问题，需要对其进行节能分析研究，使加气站的运行更加经济可行。
2 CNG加气站能耗现状
2.1加气站能耗现状
电力消耗是CNG加气站生产成本的主要构成，压缩机的电耗占生产总电耗的88%，为生产主要能耗。因此，节电是加气站降低生产成本的主要途径，尤其是压缩机的节电运行[3]。我国电力生产大部分地区是以水电为主，其高峰与低谷使用的电价相差较大，通常在3.5倍左右。因此，针对CNG加气站压缩机组耗电量大的现状，提出并实施节能措施，使加气站生产处于节能状态运行。
2.2压缩机能耗过高情况分析
CNG加气站压缩机能耗过高，主要原因除压缩机启停次数频繁、运行时间长外，同时进气压力与排气压力、级间温度与含液量、级间压缩比等运行参数都对其能耗有明显影响。经过现场调研及有关资料分析，CNG压缩机能耗过高的原因也与下面几个因素相关：
(1)泄漏。压缩机气体泄漏分为内漏和外漏，都会引起排气量减少。由于级间窜气导致压缩过的气体倒回的情况称为内漏，将导致气体重复压缩，增加功耗，同时相应压缩级的进排气温度升高。从轴端密封处向机壳外泄漏的情况为外泄漏，吸气量虽不变，但压缩气体一部分被漏掉，导致排气量减少并增加功耗。
(2)压力损失。气体流过进、排气阀、级间冷却器等部件时，都要造成阻力损失，使压缩机总功率增加，根据统计:气阀损失占4%-8%，管道占2%-4%，总计达5%~12%之多。从指示功的公式中看出:气阀压力损失增加，功率消耗增大。所以可以通过降低气阀以及通道等通流部分的阻力损失来降低进排气相对压力损失。
(3)余隙容积偏大。余隙容积的存在增加功率的消耗。余隙容积越大，多消耗的功率越多。
(4)中间冷却器运行不正常。1)中间冷却器泄漏，压缩机运行中，任何一级冷却器发生泄漏，冷却水都会进入气侧通道，长期的泄漏会造成结垢、堵塞，造成排气量减少，严重时会危及压缩机的安全运行。2)中间冷却器冷却效果下降，影响中间冷却器的冷却效果的因素有:冷却水温度过高、冷却水水量不足、冷却器气侧冷凝水未及时排放影响传热工况，冷却水管内结构或者杂质堵塞。导致压缩机能耗过高的情况，除了压缩系统硬件问题外，运行参数如进排气压力、天然气进排气温度、各级压缩比等是否匹配也会导致其能耗增加。
3 CNG加气站压缩系统节能分析
3.1设备相关节能途径及效益分析
目前，压缩机运行仍然没有相应的国家标准，但通过分析调研的数座加气站压缩机的运行数据，看出机组的效率均偏低。经过分析，认为造成压缩工况偏低导致电耗过高的原因既有压缩机自身的原因，也有对压缩机操作参数调节不当，针对压缩系统能耗高的运行现状，从实际工程的角度出发，提出节能途径。
3.1.1部件的整改
(1)冷却器的改造。CNG加气站压缩机使用的是圆形冷却管，可将其改为椭圆形冷却管。采用椭圆形冷却管，改善气体流动性能，可以使冷却管水流边界层分离点随椭圆管长短轴之比增大而后移，与圆管相比，管外气体的阻力损耗将减小，翅片效率较高，同时椭圆管的水力半径小，表面积比圆管有所增大，热阻会相应减小。(2)采用先进的气阀结构。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆气阀是压缩机最主要的组件，同时也是最易损坏的零件，其设计的好坏直接影响到压缩机的排气量、功耗及运转可靠性。好的气阀高效节能，占轴功率的3%-7%，形成的余隙容积小，噪音低，温升小，可翻新使用。采用先进的吸排气阀，阻力小，开闭迅速，密封性能好，其漏气系数达到0.95以上，因此可以节省大量电耗，降低压缩机能耗[4]。(3)添加变频器。近年，压缩机日处理量波动较大，压力随时在变化，尤其在压缩机轻载运行时间所占的比例很高，即在流量较小的情况下，电机转速仍然不变，将导致大量能耗损失。如何保证压缩机不受来气量的影响而高效运行是节能降耗过程中必须解决的问题。可以采用在电机上添加变频器适应加气站用户不定气量要求的情况。针对CNG加气站压缩机运行情况，利用变频技术调整电动机的转速，从而来调节压缩机所耗能量，达到节能降耗的目的。变频调速就是通过改变电机定子绕组供电的频率来达到调速的目的。变频技术应用于CNG加气站压缩机具有高效、波动小的优势。变频调速技术就是在交流电动机和电网之间装一个频率可以变化的装置，即变频器，它能够改变供电电源的频率，其输出频率可以随着压缩机的需要而变化，实现节能降耗。
3.1.2压缩机的节能设计与驱动方式建议
据调查，压缩机工作中的余热总资源约占其燃料消耗总量的17%~67%，可回收利用的余热资源约为余热总资源的60%。研究压缩机的余热回收再利用具有一定意义。因此，将压缩机的一般工艺设计和余热回收的节能设计密切结合起来，可更加降低压缩机的能耗。现有的CNG加气站压缩机一般都以电动机拖动，但是也有用天然气发动机驱动的。具体情况有以下三种:(1)运行场所动力条件有限，只能用天然气发动机配套装置；(2)站内压缩机全部采用天然气发动机驱动以达到动力费用低的目的；(3)站内压缩机的驱动，同时具备电动机和天然气发动机，以求控制灵便及节省动力费用。其中调研的数座CNG加气站，都是以电动机拖动，动力费用较高，提出节能途径:当夜间工业电价最低时，以电动CNG压缩机将储气井充满气；当电价高的白天需启动压缩机时，就以天然气发动机作为CNG压缩机组的主力，降低加气站运行费用。
3.2设备选型的节能建议
(1)CNG压缩机应能适应进站天然气管网压力变化这一因素，既包括一天之内因城市居民的用气而出现的气压变化，也包括因为管道改造升压和天然气衰减降压的情况；(2)CNG压缩机规格型号的确定，不仅符合建站时候所需的实际加气能力，而且应考虑到加气站增容的需要，扩容后压缩机台数增多但规格型号相同。
3.2.1优化工艺流程
随着城区CNG常规站数量的猛增，加气站进气压力变化很大。由于城区天然气管网，往往把居民用气和加气站用气融汇在一起。居民三餐和洗浴的用气高峰，必然使得加气站进气压力大幅度降低，即使气田所在城市也是如此。加气站进气压力降低，一般情况下会造成压缩机吸气压力降低，既减少了供气量，又因为压力比升高导致排气温度升高。
CNG加气站的进站管线压力衰减的现实情况，已经不是个例。有的CNG加气站进站天然气压力衰减降压严重，存在压缩机经常停机的现象，严重阻碍加气站的生产效益。针对此问题，提出节能途径，在高压CNG压缩机前设置增压压缩机，同时对其技术参数的要求，结构类型的选择要求如下:1)增压压缩机的供气量与原有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衔接的前提下，还应具有适应进气压力小幅度变动的能力。同时满足进站管线压力继续衰减与上游管线压力复升的可能性；2)增压压缩机的结构类型是往复活塞式，而非回转式。原因为:往复活塞式压缩机造价低、运行电耗低，且其压力比的适应范围远宽于回转式，对进气压力的变动具有强的适应性；3)角度型的结构型式，是增压压缩机的理想选择。选择角度型结构形式的原因有:①角度型压缩机除拥有造价低、运行电耗低、压力比适应范围宽等固有特质外，还具备结构最为紧凑、外廓尺寸最小、占地面积最小的突出优势。因此最适应于在加气站原址范围内理想地安装而无需扩地；②角度型压缩机中的V型与W型压缩机，与L型压缩机相比，有“无泄漏压缩机”之称，节能与环保效应相比也较好；③新颖先进的强刚性、紧凑型的V型与W型系列增压机己经市售[5]。
3.2.2储气系统的节能运用
储气井是加气站工艺系统的一个重要组成部分，储气井按照取气的先后顺序被划分为高压、中压、低压三组。加气机首先由低压储气井取气向汽车充气，当低压储气井与汽车气瓶压力相当时加气机中的控制系统就将加气机的气源切换到中压储气井，同样通过压差给汽车瓶组充气，直到压力降到一定水平，然后切换到高压储气井。一旦高压储气井出来的气体压力降低到一定水平，就启动压缩机直接给汽车气瓶加气，直到加满为止。压缩机对储气井的补气过程则由高压向低压逐组进行，即天然气先被送入高压储气井，直到高压储气井的压力达到从高压转向中压储气井参数设定值，这时中压储气井的阀门打开，气体被送入中压储气井，直到压力达到从中压转向低压井参数设定值，开始对低压储气井补气，直到储气井中的气量达到停机设定点，压缩机停止工作。储气井和压缩机直接关联，储气井设置不当，将会造成压缩机启停次数增加，压缩机启动瞬间会有大量电流通过，增加电耗。让储气井实现更高的利用率减少压缩机的启停次数，实现节能降耗。
3.3管理相关节能途径分析
3.3.1充装车辆调度与调峰的节能管理
CNG加气站高峰充气问题会导致运行费用增加，采取科学与节能的运行管理，缓和加气高峰矛盾，概括起来主要有以下几个方面:(1)针对城市公交车辆晚上交班时集中充气的特征，根据公交车的不同营运路线，可实行分时按照营运路线充装法调峰；公交车的加气时间有高峰期且比较固定，一般是早晨五点到七点左右出车时和晚上收车时，大约是晚上七点到九点左右，这时公交车充满气，进行交班。尤其晚上会出现集中充气的现象，提出节能途径:加气站根据不同公交车自己的运营路线范围，对加气站进行选择，分时对其进行充装。(2)出租车司机合理安排加气时间，错开高峰期加气；CNG加气站供气能力有限，加气高峰时，会产生过多的出租车排队，出租车加气容量偏小，同时出租车加气排队经常停靠在加气站附近的道路上，造成道路通行能力下降。每天6时至8时、17时至19时出租车交接班是加气高峰期，建议司机合理安排加气时间，错开加气高峰。(3)应适当增大加气站的充装场地，以减少充装车辆回车时间，从而缩短峰期。
3.3.2完善加气站节能降耗制度
积极推动CNG加气站节能降耗工作是一项系统工程，是一项长期的战略任务，目前促进节能降耗的制度措施主要依靠行政性手段，存在节能降耗成本较高等问题，需要及时加以完善，需要建立长效机制加以保障。首先要贯彻实施国家颁布的各类节能法律法规和相关节能标准，其次健全CNG加气站节能降耗制度。建立CNG加气站能耗公报制度，包括生产总值能耗指标和重点能耗单位的能耗公报制度；同时加强与其他CNG加气站的交流，完善和弥补自身节能降耗工作的不足；随时关注国外关于节能降耗的新思路与新方法，并根据现有加气站的实际情况，不断更新节能降耗的相关规定。设置加气站专职节能降耗管理岗位，同时多听取加气站工作人员的意见和建议，提高大家共同参与完善节能降耗制度的积极性，细化相关奖惩措施，严格执行并考核节能降耗管理规定，保证各项节能工作落到实处。
结语
综上所述，本文分析了加气站工艺和设备方面以及管理方面主要的能耗环节和表现形式，辨识了CNG生产过程中能量的消耗，确定主要能耗环节，重点指出压缩系统电耗是CNG加气站的最大节能环节，同时结合实际进行了节能改进尝试，取得了一定的经济效果，为CNG行业及CNG加气站节能降耗工作提供参考。
参考文献：
[1]刘国豪,张鑫,陈其彬,姜勇,王书浩,张轩.CNG加气站电驱往复式压缩机组节能监测分析[J].石油石化节能,2014,4(12):15-16.
[2]罗东晓,林越玲.L-CNG加气站的推广应用前景[J].天然气工业,2007(04):123-125+161-162.
[3]饶映明,罗贤成,胡正新.天然气汽车加气站的发展趋势[J].上海煤气,2013(06):23-26.
[4]黄维菊,魏星,白剑,贺泽元,梁书婷,吴治佚.CNG加气站原料天然气膜分离法脱水可行性分析[J].化工进展,2009,28(S1):214-217.
论文作者:王宝泉
论文发表刊物:《防护工程》2018年第16期
论文发表时间:2018/9/30
标签：压缩机论文; 气井论文; 节能降耗论文; 节能论文; 压力论文; 天然气论文; 电耗论文; 《防护工程》2018年第16期论文;