往复式天然气压缩机热力性能故障与规避

往复式天然气压缩机热力性能故障与规避

【摘要】本文着眼于常见的往复式天然气压缩机热力性能故障形成的机理分析，有针对性地提出通过检测各级压力、温度、气量等参数来排除或避免该故障发生的可能性，以期使目前我国的天然气压缩机设备更加适应于低排量、高压比的天然气储运和利用。

【关键词】天然气压缩机 热力性能 故障规避

天然气作为清洁环保的绿色能源，其逐渐取代传统能源对于我国的环境质量改善和社会经济发展具有深远的意义。我国天然气储量丰富，达到43万亿立方米之多。然而，由于天然气田在开采环节中压力逐年递减，必须运用天然气压缩设备才能达成增压集输和其他气举工艺。因此，天然气压缩机成为天然气储运过程中不可或缺的重要技术装备。

1 天然气压缩机的应用及类型

伴随石油天然气产业的蓬勃发展，天然气压缩机组的规模和应用范围不断扩大，在油田开采、长输管线、小城镇CNG配气系统等方面，天然气压缩机都已成为主要的动力设备。

1.1 天然气压缩机的应用方兴未艾

天然气压缩机在油田增压（气举）、“西气东输”，以及城市燃气管道方面的运用已为人们所熟知，而方兴未艾的CNG供气技术则值得一提。相比较于煤制气、油制气、液化天然气（LNG）、液化石油气（LPG）混空气等传统气源，压缩天然气（CNG）是把长输管道分输站送出的天然气经由门站再输送到CNG母站，然后加压至20-25MPa区间，并以气态储存于容器，其压缩比为276：1。由于压缩天然气仅经过减压处理，其工艺简单、费用低廉。除了可以作为清洁汽车燃料外，CNG已经开始发挥城镇调峰补气和担当燃气管道过渡气源的重任。而这其间，天然气压缩机组起到了至关重要的作用。

1.2 天然气压缩机类型多样

一般的天然气工业用压缩机主要有四种，分别是往复式、轴流式、离心式和回转式压缩机。气田开采中最常见的是往复式和离心式，而涉及到气田内部用压缩机进行增压集输与气举工序时，大多采用往复式压缩机。 CNG母站的减压过程中就采用活塞式往复压缩机。其中，以美国COOPER公司生产的橇装整体式燃气摩托天然气压缩机和ARIEL公司生产的橇装分体式天然气压缩机著称。

2 往复式压缩机的常见故障

曲柄连杆机构和气缸是往复式压缩机最主要的运动部件，该部件在工作时包

含旋转运动和往复运动，因此，它才被称之为往复式压缩机。

2.1 往复式天然气压缩机的适用性

（1）关于压比。在实际运用中往复式压缩机的压比必须保持在1∶2到1∶6之间，因为，高于此区间的压比会使压缩机的机械效率和热效率降低，从而导致较高的排气温度和机械应力。美国的压缩机权威汉隆（Hanlon Paul）把往复式压缩机的排气温度限制在180～205℃区间内。压缩机每级增压值不得超过7MPa，大型压缩机控制在20 MPa范围内，小型压缩机最高出口压力限制在40 MPa以下。

（2）级数与气缸。在假定压比相同的情况下，压缩天然气环节中的排气温度越高，越应该采取多级压缩。但考虑到固定余隙下气缸的压缩比和效率，往往把低压级调节到稍高的压比，则更有利于天然气压缩机的运行。

（3）行程和转速。低功率的情况下工作站需要行程短、重量小、速度快的压缩机；高功率情况下一般采用行程长、重量大、速度慢的压缩机更合适。综上所述，如果出现与之情形不适应的情况，天然气压缩机就会在一定程度上发生故障。

2.2 往复式压缩机常见故障与分类

按照故障的定义，往复压缩机的故障就是指它丧失了应达到的规定热力性能或机械功能。除了管理职责和人为因素外，天然气压缩机主要存在有热力性能故障、机械性故障和耦合故障。

（1）热力性故障表现为压缩机的温度、压力、排量等指标达不到或超越规定值。

（2）机械性故障表现为机器运行中的异常振动、噪声、摩擦过热等。

（3）耦合故障指除自身结构性故障（如气阀故障、部件磨损等）外，天然气压缩机还存在如管线气流脉动、机组喘振及共振等耦合故障模式。实际工作中，以上三种故障并非单独存在而是同构且共生性的，本文的重点是从热力性故障的角度来考察天然气压缩机的实际操作性。

3 往复式压缩机热力性能故障的产生与规避

3.1 热力性能故障产生的原因

热力性能故障，即指压缩机在运转时排气压力、各级进、排气量、温度等热力性能指标达不到规定要求。而现实操作中，压力、气量、温度三者指标相辅相成亦互相影响克制，一者出问题必祸及其余，从而导致压缩机的工作效率低下。

首先，级间压力和排气压力不正常的主要原因，很可能在于气阀、活塞环及级间冷却发生了故障。其次，气量异常的原因表现为以下几种情况：

（1）进气滤清器堵塞，直接导致气量下降；

（2）电压不稳、频率低于50Hz，使同步电机转速降低；

（3）气缸磨损后有漏隙、活塞环咬死、压缩腔泄漏等导致泄漏系数下降；

（4）气缸填料漏气；

（5）机体冷却不良等。第三，排气温度升高的原因存在于中间冷却环节恶化，让下一级吸气温度循环上升；或者是排气阀泄漏使高温气体回窜气缸，使得压缩过程重复加热气体。

那么，如何规避以上可能出现的热力性能故障，最充分地利用压缩机效能呢？3.2 怎样规避天然气压缩机热力性能故障

首先，实施设备管理、维护责任制，量化监管和考核指标。开展日常性的压缩机故障巡诊，针对以上分析到的压缩机热能性故障机理，有目的地检测和记录各级压力、温度、气量等参数值；以小时为单位对负责小组进行绩效考查与奖励，把可能产生的隐患早一步排除。

其次，建立精确的数字控温监测系统。做到：

（1）实时、正确地反映天然气压缩机系统运行状态，有效防止意外故障发生；

（2）一旦工作机组出现异常情况，系统能够对故障进行及时示警；

（3）既能够显示诸如温度、气量等监控对象当前数值，也能够记录并回放和对比过去的数据。

（4）能够预测压缩机工作状态及趋势变化，对将要发生的故障超前警示，并给出故障处理初步方案。

第三，配备完善的自动保护装置。在压缩机的自动控制上，增添必备的超温、超压、振动、超转速和超油位等超越负载的联动保护装置，并把以上监控站监测与人工巡察有机结合起来，达到人机一体，综合监控。

综上所述，只要有针对性地做好天然气压缩机温度、气量、压力等参数的监测和检验，有效地规避各种故障的发生，就可以使压缩机真正做到优质、高效、低耗地运行，为我国21世纪的天然气输送战略打下坚实的基础。

参考文献

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[4] 李俊山.天然气压缩机可靠性分析[D].西南石油学院，2005