CN102879201B - 往复式天然气压缩机组用燃气发动机效率的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于石油行业增压及输气往复式天然气压缩机组用燃气发动机效率的测量方法。它能有效测量压缩机组用燃气发动机的效率。其技术方案：先在压缩机输出端及发动机进气前端取适量气体进行气质分析；然后在压缩机组仪表盘读取温度、压力、排量、燃气消耗量，测试风机输入轴扭矩、水泵输入轴扭矩、转速；再根据测试数据计算出各级天然气多变指数、指示功率及总的轴功率，单位时间内消耗燃气热值、风机轴功率、水泵轴功率，由式(1)计算得燃气发动机正平衡效率η_正。采用相同方法计算单位时间冷却燃烧缸散失热量Q₁、单位时间烟气散失热量Q₂，由式(2)计算得反平衡效率η_反。本发明测量方法简便，计算简单，可作为燃气发动机能耗利用效果的评价依据。

Description

往复式天然气压缩机组用燃气发动机效率的测量方法

技术领域

本发明涉及一种用于石油行业增压及输气用往复式天然气压缩机，其燃气发动机与压缩机共用一个机身、一根曲轴、呈对称分布的往复式天然气压缩机组用燃气发动机效率的测量方法。

背景技术

在石化企业生产中，特别是天然气工业的油气开采、集输和净化方面，往复式天然气压缩机作为一种常用的增压及输送设备，其压缩机组的发动机效率的利用，直接影响着油气田的开发和经济效益。目前并没有一种具体的测量方法和评价标准来真实反映整体式压缩机用燃气发动机的能耗状况，一般情况下，压缩机效率的计算都是从压缩机压缩气体的热力学状态方程分析出发，利用理论分析计算得出。但是，压缩机在压缩过程中介于等温压缩和绝热压缩的一个多变压缩过程，压缩机输出功率受压缩介质、工作环境等因素影响，发动机效率受风机冷却、水循环冷却及环境等因素影响，目前对压缩机组用燃气发动机效率的计算方法不能真实反映其能耗状况。因此，提供一种对整体式压缩机组用燃气发动机效率的测量方法，对石油化工行业整体式压缩机效率利用以及节能降耗的判定具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种能有效测量往复式天然气压缩机组用燃气发动机效率的方法，主要用于燃气发动机与压缩机共用一个机身、一根曲轴，呈对称平衡分布的往复式天然气压缩机。

发动机单位时间内消耗燃气作为压缩机组输出总功，能量一部分输入到压缩端压缩天然气做功、一部分输入到风机进行风冷做功，另一部分输入到水泵进行水冷做功，其余能量随烟气散失、燃烧缸冷却水散失及其它机械损耗。通过测试压缩机轴功率N_I、风机轴功率N₂、与水泵轴功率N₂等参数，计算确定燃气发动机效率；也可通过测量单位时间冷却燃烧缸散失能量Q₁、单位时间烟气散失能量Q₂、以及其它机械损耗η_js等数据经计算得燃气发动机效率。前者称为“正平衡”法测量发动机效率，后者称为“反平衡”法测量发动机效率。

由式(1)计算确定燃气发动机正平衡效率：

式中，η_正-发动机正平衡效率，％；N_I-压缩机轴功率，kW；N₂-风机轴功率，kW；N₃-水泵轴功率，kW；Q-单位时间所消耗燃气热值，kJ/h(标)。

由式(2)计算确定燃气发动机反平衡效率：

式中，η_反-发动机反平衡效率，％；η_js-机械损耗效率，一般取2-5％；Q₁-单位时间冷却燃烧缸散失热量，kJ/h；Q₂-单位时间烟气散失热量，kJ/h。

本方法测量燃气发动机正平衡效率与反平衡效率在结果上是相等的。

为实现上述目的本发明采用如下技术方案：往复式天然气压缩机组用燃气发动机效率的测量方法，其特征是通过测量压缩天然气气质、压缩机流量q_jv、压缩机组轴功率N_I、风机轴功率N₂、水泵轴功率N₃、发动机燃气气质及燃气消耗量q_r，通过式(1)计算得燃气发动机正平衡效率；通过测量发动机燃气气质、燃气消耗量q_r、烟气气质、排烟温度t_y、冷却水流量q_w、发动机燃烧缸冷却前水温t₁、冷却后水温t₂等数据，代入式(2)计算得燃气发动机反平衡效率。

本发明的测量方法及步骤是：

(1)压缩天然气气质分析，在压缩机输出端用密闭容器取适量天然气进行气质组分分析，得到压缩天然气气质分析报告。气质分析报告主要包含压缩天然气组分摩尔百分比、压缩因子Z、硫化氢含量、二氧化碳含量、相对密度S_G、临界温度T_c′、临界压力p′_c、空气含量及总硫含量。

(2)发动机燃气气质分析，在发动机燃气进气前端用密闭容积取适量燃气进行气质组分分析，得到发动机燃气气质组分分析报告。气质组分分析报告主要包含燃气气质组分摩尔百分比、压缩因子Z、硫化氢含量、二氧化碳含量、相对密度S_G、临界温度T_c′、临界压力p′_c、空气含量及总硫含量。

(3)压缩机工作载荷测试，测量机组各级压缩缸进气温度T_j1、排气温度T_j2、进气压力p_j1、排气压力p_j2及排气量q_jV。

测试时压缩机组仪表盘上有测量仪表的可以直接读取进气/排气温度、进气/排气压力和压缩机排气量；机组仪表盘数据读取不齐全的采用红外测温仪直接测取各级进气/排气温度，在预留孔处测试各级进气/排气压力，用超声波流量计测试压缩天然气流量。

(4)发动机单位时间燃气消耗量测试，机组仪表盘上一般都有燃气消耗量检测仪表，可直接读取燃气消耗量；或在燃气进气端直管段处用超声波流量计测量单位时间内燃气消耗量，连续测量三次以上，取其平均值作为测量结果。

(5)风机轴功率N₂和水泵轴功率N₃测试，用扭矩测试仪直接测风机输入轴扭矩T₂(N·m)、水泵输入轴扭矩T₃(N·m)及风机轴转速n₂(r/min)、水泵轴转速n₃(r/min)。测试在机组稳定运行15min后开始测试，每隔10min测取一次，读取三次数据以上，取其平均值作为测量结果。

(6)单位时间循环水冷却燃烧缸散失热量测量，通过对发动机燃烧缸冷却水流量q_w、燃烧缸冷却前水温t₁、冷却后水温t₂的测量。测试冷却水流量q_w时可直接读取仪表盘数据或用超声波流量计测量；燃烧缸前冷却水温t₁、冷却后水温t₂可采用红外测温仪直接读取显示数据；每项测试三次以上取平均值作为测量数据。

(7)单位时间烟气散失热量测试，把烟气测试仪放入排烟筒与燃烧缸联接处的发动机燃烧缸预留孔处，测试时密封预留孔，以防空气进入影响测试结果。测试前先停机，用扳手拧下预留孔处螺栓，把烟气测试仪探头放入燃烧缸并适当拧紧，然后运行机组，待机组稳定运行15min以后开始读取数据，每隔10min读取一次，读取三次以上，取平均值作为测量数据。

将测试数据代入式(3)计算压缩机各级天然气多变指数k_j；

k_j＝c_p/c_V                    (3)

式中，c_p-天然气的定压比热容kJ/(kg·℃)，c_V-天然气的定容比热容kJ/(kg·℃)。其中天然气定压比热容c_p、天然气定容比热容c_V由下式计算出：

$c_p=\mathrm{\Δ}{c}_p+c_p^0,$ c_V＝c_p-Δc

式中，-天然气在基准压力下的定压比热容，kJ/(kg·℃)；Δc_p、Δc-真实气体比热容校正值，根据当量对比压力p′_r和当量对比温度T_r′值，从SY/T6637-2005附录B、C的真实气体比热容校正图中查取。

其中，基准压力下的定压比热容由下式计算出：

$c_p^0=1.687(1+0.001T_{j2})/\sqrt{S_G}$

式中，T_j2-第j级压缩机天然气排气温度，℃；S_G-天然气相对密度。

当量对比压力p′_r、当量对比温度T_r′由下式计算出，

p′_r＝p_j2/p′_c，T_r′＝T_j2/T_c

式中，p′_c-天然气临界压力，MPa；p_j2-第j级压缩机天然气排气压力，MPa；T_j2-第j级压缩机天然气排气温度，K；T_c′-天然气临界温度，K。天然气临界压力p′_c、临界温度T_c′由压缩天然气气质分析报告测出。

将测试数据代入式(4)计算机组各级轴功率：

$N_{\mathrm{ij}}=\frac{N_{\mathrm{pj}}}{{\mathrm{\η}}_j}---\left(4\right)$

往复式压缩机第j级效率η_j由下式计算：

${\mathrm{\η}}_j=\frac{T_{j1}}{T_{j2}-T_{j1}}[{\left(\frac{p_{j2}}{p_{j1}}\right)}^{\frac{k_j-1}{k_j}}-1]\×100\%$

式中，η_j-往复式压缩机第j级效率，％；T_j1-第j级压缩机天然气进气温度，K。

压缩机第j级指示功率N_pj由下式计算，

$N_{\mathrm{pj}}=16.745p_{j1}{q}_{\mathrm{jV}}\frac{k_j}{k_j-1}[{\left(\frac{p_{j2}}{p_{j1}}\right)}^{\frac{k_j-1}{k_j}}-1]\frac{Z_{j1}+Z_{j2}}{{2Z}_{j1}}$

式中，p_j1/p_j2-第j级压缩机天然气进气/排气压力，MPa；q_jV-进气条件下压缩机排量，m³/min，注意计算时需将标况下排气量转化为进气条件下压缩机排气量；Z_j1/Z_j2-分别为吸气/排气条件下的气体压缩因子，计算方法可参照GB/T17747；k_j-第j级的天然气多变指数。

多级压缩机总轴功率N_I为各级轴功率N_ij代数和，即N_I＝∑N_ij。

把燃气气质分析结果、单位时间燃气消耗量q_r代入式(5)计算得机组单位时间内消耗热值，机组单位时间内消耗燃气热值Q通过燃气理想摩尔基低位发热值计算，可参照标准GB/T11062。

$Q=q_r\·{\stackrel{\‾}{H}}^0\left(t_1\right)=q_{\mathrm{rV}}\·\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_j\·{\stackrel{\‾}{H}}_j^0\left(t_1\right)---\left(5\right)$

式中，Q-单位时间消耗燃气热值，kJ/h(标)；q_r-燃气单位时间内消耗量，m³/h；燃气理想摩尔低位发热量，kJ/m³；x_j-燃气中组分j的摩尔百分含量，mol％；燃气中组分j的理想摩尔低位发热量，kJ/m³；

把风机、水泵轴扭矩及转速测试结果代入式(6)、式(7)得风机轴功率N₂和水泵轴功率N₃，

$N_2=\frac{T_2{n}_2}{9550}---\left(6\right)$

$N_3=\frac{T_3{n}_3}{9550}---\left(7\right)$

式中，T₂-风机输入轴扭矩，N·m；n₂-风机轴转速，r/min；T₂-水泵输入轴扭矩，N·m；n₃-水泵轴转速，r/min。

把以上测得的压缩机轴功率N_I、单位时间内消耗热值Q、风机轴功率N₂和水泵轴功率N₃计算结果代入式(1)计算得燃气发动机正平衡效率。

把冷却水流量q_w、燃烧缸前冷却水温t₁、冷却后水温t₂测试结果代入式(8)得单位时间循环水冷却燃烧缸散失热量Q₁。

Q₁＝c_wρ_wq_w(t₂-t₁)                                                (8)

式中，c_w-冷却水的比热，kJ/(kg·℃)；ρ_w-冷却水的比重，kg/m³；q_w-冷却水流量，m³/h；t₁-冷却水冷却燃烧缸前温度，℃；t₂-冷却水冷却燃烧缸后温度，℃。

把烟气气质分析结果、燃气消耗量q_r、排烟温度t_y等数据代入式(9)得单位时间烟气散失热值Q₂。

Q₂＝q_rV_y(C_yt_y-27.18)                                (9)

式中，q_r-燃气消耗量，m³/h；V_y-烟气体积系数，m³/m³；t_y-烟气排烟平均温度，℃。C_y-t_y温度下烟气的平均体积定压比热容，可根据GB/T17719-2009按实测烟气成分计算，kJ/(m³·℃)。

其中烟气体积系数V_y由下式计算，

$V_y=0.01\×\left[\begin{array}{c}{\mathrm{CO}}_2^{\′}+{\mathrm{CO}}^{\′}+H_2^{\′}+N_2^{\′}+{2H}_2{S}^{\′}\\ +\mathrm{\Σ}(m+0.5n)C_m{H_n}^{\′}+0.124d_s\end{array}\right]+(1.016{\mathrm{\α}}_y-0.21)V_{o2}$

式中，d_s-每立方米干燃气所带的水量，g/m³；α_y-排烟处过量空气系数；V_o2-每立方米干燃气燃烧理论空气量，m³/m³。

排烟处过量空气系数α_y由下式计算，

$a_y=\frac{21}{21-79\frac{O_2^{\′}-(0.5{\mathrm{CO}}^{\′}+0.5H_2^{\′}+{2C}_m{H}_n^{\′})}{100-({\mathrm{RO}}_2^{\′}+O_2^{\′}+{\mathrm{CO}}^{\′}+H_2^{\′}+C_m{H}_n^{\′})}}$

式中，O′₂-排烟处氧气百分数，％；CO′-排烟处一氧化碳百分数，％；H′₂-排烟处氢气百分数，％；C_mH_n′-排烟处烷烃百分数，％；RO′₂-排烟处二氧化物百分数，％。

燃气燃烧理论空气量V_o2由下式计算，

式中，燃气中基甲烷体积分数，％；燃气中基一氧化碳体积分数，％；燃气中基氢气体积分数，％；燃气中基硫化氢体积分数(％)；燃气中基各种碳氢化合物体积分数(％)；燃气中基氧气体积分数(％)。

将单位时间循环水冷却燃烧缸散失热量Q₁、单位时间烟气散失热量Q₂及结合实际情况取机械损耗η_j值代入式(2)得到燃气发动机反平衡效率。

可结合站场实际情况选择正、反平衡法对发动机效率进行测量，也可两种方法都进行测试以检验该井站发动机正、反平衡效率是否平衡。

本发明的有益效果是：(1)本发明的测量方法简便、安全，计算简单；(2)测量仪器操作简单、方便，可在压缩机组进行常规检查、巡检的时候进行测试；(3)压缩机组燃气发动机效率的测量为发动机节能判定提供依据，对压缩机运行经济情况提供评价标准，为机组能耗分析以及节能改造提供参考依据。

具体实施方式：

下面对本发明的测试方法做进一步的说明。

对选定天然气压缩机组进行测试之前需做好机组基础资料的收集，包括井站名称、设备型号、机组额定功率、额定转速、压缩级数、压缩缸缸径、活塞行程、压缩缸的单双作用等。

对测试人员进行安全教育，参加测试的人员应经过培训，持证上岗；测试过程中应保证压缩机的各级压力、温度、流量与发动机端燃气消耗量等主要参数同步测试，测试需在机组稳定运行后进行。每个测试参数重复读取三次以上，每隔10分钟读数一次，测取的各项参数以算术平均值作为测量数据。基准温度：20℃；基准压力(绝对压力)：101.3kPa。

本发明测量方法具体测试步骤如下：

(1)压缩天然气气质组分分析，在压缩机输出端用密闭容器取适量压缩气体进行天然气气质组分分析，依据GB/T13610《天然气的组成分析-气相色谱法》要求，测得天然气气质分析报告。报告内容包括压天然气组分含量：甲烷(mol％)，乙烷(mol％)，丙烷(mol％)，异丁烷(mol％)；正丁烷(mol％)，异戊烷(mol％)，正戊烷(mol％)，己烷以上(mol％)，二氧化碳(mol％)，氮(mol％)，氦(mol％)，氢(mol％)；以及重烃总量(％)、压缩因子、基低位发热值(MJ/m³)、硫化氢(g/m³)、相对密度、临界温度(K)、临界压力(MPa)、空气含量(％)、总硫含量(mg/m³)及水露点(℃)。

(2)发动机燃气气质组分分析，在发动机燃气进口前端用密闭容器取适量燃气进行燃气气质组分分析，依据GB/T13610《天然气的组成分析-气相色谱法》要求，测得燃气气质分析报告。报告内容包括燃气组分含量：甲烷(mol％)，乙烷(mol％)，丙烷(mol％)，异丁烷(mol％)；正丁烷(mol％)，异戊烷(mol％)，正戊烷(mol％)，己烷以上(mol％)，二氧化碳(mol％)，氮(mol％)，氦(mol％)，氢(mol％)及重烃总量(％)、基低位发热值(MJ/m³)、硫化氢(g/m³)、空气含量(％)、总硫(mg/m³)含量及水露点(℃)。

(3)压缩机工作载荷测试，压缩机工作载荷测试的内容有各级压缩缸进气温度T_j1、排气温度T_j2、进气压力p_j1、排气压力p_j2及压缩机排量q_jV。具体测试步骤为：

1)单位时间压缩天然气量测试

单位时间压缩天然气量应直接录取压缩机计量仪表指示的压缩天然气气量。如果压缩机没有配备压缩天然气气量计量仪表，采用超声波气体流量计测量流量，测量位置应选在进气管线直管段上，且直管段长度不少于所测管线的30倍管径。测试时用超声波流量计传感器直接贴在管线直管段上，15min后测量流量计读数，每隔10min读取一次数据，取平均值作为计算数据。

2)各级压缩缸天然气进气温度/排气温度、进气压力/排气压力测试

对于机组各级压缩缸进气/排气温度、进气/排气压力有监测仪表的可直接读取各级压缩缸进气/排气温度，进气/排气压力。

对于压缩缸进气/排气温度监测不齐全的压缩机组可用红外测温仪对各级进气/排气温度测量。温度测试的位置及压力测试要求：

①各级压缩缸进气温度在缓冲罐之后压缩缸之前的位置测取。

②各级压缩缸排气温度在压缩缸之后缓冲罐之前的位置测取。

③各级压缩缸天然气进气压力直接录取现场仪表指示数据。

(4)发动机单位时间燃气消耗量测试，发动机一般都有燃气消耗量检测仪表，可直接读取每小时消耗量数据；对没有测量燃气消耗量仪表的机组可在燃气进气口端用超声波流量计进行测量，测量位置应选在进气管线直管段上，且直管段长度不少于所测管线的30倍管径。在机组运行稳定后15min开始计量流量计读数，每隔10min读取一次数据，连续测量三次以上取平均值作为计算数据。

(5)风机轴功率N₂和水泵轴功率N₃测试，用扭矩测试仪直接测出风机输入轴扭矩T₂(N·m)、水泵输入轴扭矩T₃(N·m)及风机轴转速n₂(r/min)、水泵轴转速n₃(r/min)。测试前需停机，把扭矩测试仪传感器贴于风机和水泵输入轴上并固定，调整好后开机待运行稳定以后15min开始读取风机和水泵轴扭矩和转速，隔10min读取一次，读取三次数据以上，取其平均值作为测量结果。

(6)单位时间循环水冷却燃烧缸散失热量测试，测量发动机燃烧缸冷却水流量q_rw、燃烧缸冷却前水温t₁、冷却后水温t₂。测试冷却水流量q_rw时直接读取仪表盘数据或用超声波流量计测量；燃烧缸冷却前水温t₁、冷却后水温t₂的测量用红外测温仪直接读取数据；每项测试三次以上取平均值作为测量数据。

(7)单位时间烟气散失热量测试，把烟气测试仪放在烟筒与燃烧缸联接处的发动机燃烧缸预留孔处，进行密封测试，以防空气进入影响测试结果。测试前停机，用扳手拧下预留孔处螺栓，把烟气测试仪探头放入燃烧缸并适当拧紧，然后运行机组，待运行稳定以后15min开始读取数据，每隔10min读取一次，读取三次以上，取平均值作为测量数据。

将测试数据代入式(3)计算压缩机各级天然气多变指数k_j。

将测试数据代入式(4)计算机组各级轴功率N_ij；多级总轴功率N_I即把各级轴功率N_ij相加。

将测试数据代入式(5)计算机组单位时间内消耗燃气热值Q。

将测试数据代入式(6)、式(7)计算风机轴功率N₂和水泵轴功率N₃。

把上面测得压缩机总轴功率N_I、发动机单位时间消耗燃气热值Q、风机轴功率N₂和水泵轴功率N₃结果代入式(1)计算得燃气发动机正平衡效率η_正。

将测试数据代入式(8)计算单位时间循环水冷却燃烧缸散失热量Q₁。

将测试数据代入式(9)计算得单位时间烟气散失热值Q₂。

把上面测得发动机单位时间消耗燃气热值Q、单位时间循环水冷却燃烧缸散失热量Q₁、单位时间烟气散失热量Q₂及结合实际情况选取机械损耗η_js值代入式(2)计算得燃气发动机反平衡效率η_反。

实施例：往复式天然气压缩机组用燃气发动机效率的测量方法计算示例

1、已知压缩机组燃气发动机测试数据：

压缩机组的测试参数：该机组为一级压缩，大气压力：95.6kPa；燃气耗量110m³/h(标)。压缩天然气气质分析：甲烷97.46mol％，乙烷1.23mol％，丙烷0.16mol％，异丁烷0.031mol％；正丁烷0.023mol％，异戊烷0.011mol％，正戊烷0.007mol％，己烷以上0.02mol％，二氧化碳0.73mol％，氮0.27mol％，氦0.011mol％，氢0.004mol％，；压缩因子0.998；相对密度：0.571；临界温度193.2K；临界压力4.622Mpa；空气含量0.05％。

压缩机工作载荷测试数据：处理气量9323m³/h(标)，压缩机进气温度26℃，排气温度92℃；进气压力1.18MPa，排气压力2.59MPa。

发动机燃气气质分析：甲烷97.46mol％，乙烷1.23mol％，丙烷0.16mol％，异丁烷0.031mol％；正丁烷0.023mol％，异戊烷0.011mol％，正戊烷0.007mol％，己烷以上0.02mol％，二氧化碳0.73mol％，氮0.27mol％，氦0.011mol％，氢0.004mol％；压缩因子0.998；相对密度：0.571；临界温度193.2K；临界压力4.622Mpa；空气含量0.05％。

烟气气质分析：氧气16.4％，一氧化碳117ppm，二氧化碳4.38％，一氧化氮10ppm，二氧化氮2.7ppm。

其它测试数据：燃烧缸排烟温度405.9℃；燃烧缸冷却前水温71℃，冷却后水温75℃，冷却水流量50m³/h；天然气冷却后进入输气管网温度43℃；风机轴扭矩68Nm，转速1050r/min。水泵轴扭矩50Nm，转速1050r/min。

2往复式天然气压缩机组用燃气发动机效率计算

2.1测量数据代入式(3)得天然气多变指数k_j：

(1)天然气气质分析中天然气相对密度为S_G＝0.571。

(2)基准压力下的定压比热容由下式计算：

(3)天然气气质分析得天然气临界压力p′_c、临界温度T_c′：p′_c＝4.622MPa、T_c′＝193.2K。

(4)当量对比压力p′_r、当量对比温度T_r′由下式得：

p′_r＝p_j2/p_c′＝056，T_r′＝T_j2/T_c′＝1.89

(5)天然气的定压比热容值c_p、定容比热容c_V经查表并计算得：

C_p＝2.54(kJ/kg·K)，C_v＝1.95(kJ/kg·K)

(6)把以上测试数据和计算结果代入式(2)得天然气多变指数k_j：

k_j＝c_p/c_V＝1.30

2.2把第j级流量、进气/排气压力测试数据代入式(4)得压缩机第j级轴功率N_ij：

(1)压缩机第j级指示功率N_Pj计算：

$N_{\mathrm{pj}}=16.745p_{j1}{q}_{\mathrm{jV}}\frac{k_j}{k_j-1}[{\left(\frac{p_{j2}}{p_{j1}}\right)}^{\frac{k_j-1}{k_j}}-1]\frac{Z_{j1}+Z_{j2}}{{2Z}_{j1}}$

$=247.07\left(\mathrm{kW}\right)$

(2)往复式压缩机第j级效率η_j计算：

${\mathrm{\η}}_j=\frac{T_{j1}}{T_{j2}-T_{j1}}[{\left(\frac{p_{j2}}{p_{j1}}\right)}^{\frac{k_j-1}{k_j}}-1]\×100\%$

$=88.91\%$

(3)压缩机组第j级轴功率得：

$N_{\mathrm{ij}}=\frac{N_{\mathrm{pj}}}{{\mathrm{\η}}_j}=277.88\left(\mathrm{kW}\right)$

(4)压缩机组总轴功率N_I为：

N_I＝∑N_ij＝277.88(kW)

2.3发动机单位时间内消耗燃气热值Q(kJ/h)由式(5)根据燃气的理想摩尔低位发热量来计算，其中燃气单位时间消耗量q_r为110m³/h：

$Q=q_{\mathrm{rV}}\·{\stackrel{\‾}{H}}^0\left(t_1\right)=q_{\mathrm{rV}}\·\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_j\·{\stackrel{\‾}{H}}_j^0\left(t_1\right)$

$=110\×[\frac{97.46}{100}\×33.872+\frac{1.23}{100}\×60.277+\frac{0.16}{100}\×86.298+\frac{0.031}{100}\×111.816+\frac{0.023}{100}\×112.164$

$+\frac{0.011}{100}\×137.796+\frac{0.007}{100}\×138.139+\frac{0.02}{100}\×164.081+\frac{0.73}{100}\×0+\frac{0.004}{100}\×10.209]$

$=3741.1(\mathrm{MJ}/h)$

2.4把测量数据代入式(6)、式(7)得风机轴功率N₂和水泵轴功率N₃：

$N_2=\frac{T_2{n}_2}{9550}=7.5\mathrm{kw}$

$N_3=\frac{T_3{n}_3}{9550}=5.5\mathrm{kw}$

2.5把以上数据压缩机轴功率N_I、风机轴功率N₂、水泵轴功率N₃及发动机单位时间内消耗热值Q代入式(1)计算发动机正平衡能耗效率：

2.6把测试数据代入式(8)得单位时间循环水冷却燃烧缸散失热量Q₁：

Q₁＝c_wρ_wq_w(t₂-t₁)

＝174.58(kJ/s)

2.7把测试数据代入式(9)计算单位时间烟气散失热值Q₂：

(1)把测试数据代入下式计算排烟处过量空气系数α_y；

$a_{\mathrm{py}}=\frac{21}{21-79\frac{O_2^{\′}-(0.5{\mathrm{CO}}^{\′}+0.5H_2^{\′}+{2C}_m{H}_n^{\′})}{100-({\mathrm{RO}}_2^{\′}+O_2^{\′}+{\mathrm{CO}}^{\′}+H_2^{\′}+C_m{H}_n^{\′})}}$

$=4.5$

(2)把测试数据代入下式计算燃气燃烧理论空气量V_o2；

$V_{o2}=0.0476\×\left[\begin{array}{c}0.5\mathrm{\φ}\left(\mathrm{CO}\right)+0.5\mathrm{\φ}\left(H_2\right)+1.5\mathrm{\φ}\left(H_{2}S\right)+2\mathrm{\φ}\left({\mathrm{CH}}_4\right)\\ +\mathrm{\Σ}(m+0.25n)\mathrm{\φ}\left(C_m{H}_n\right)-\left(o_2\right)\end{array}\right]$

$=0.0476\×\left[\begin{array}{c}0.5\×0+0.5\×0.004+1.5\×0+2\×97.46+(2+0.25\×6)\×1.23\\ +(3+0.25\×8)\×0.16+(4+0.25\×10)\×(0.031+0.023)\\ +(5+0.25\×12)\×(0.011+0.007)+(6+0.25\×14)\×0.02-0\end{array}\right]$

$=9.55(m^3/m^3)$

(3)把测试数据代入下式计算烟气体积系数V_y：

$V_{\mathrm{py}}=0.01\×\left[\begin{array}{c}\mathrm{\φ}\left(C{O}_2\right)+\mathrm{\φ}\left(\mathrm{CO}\right)+\mathrm{\φ}\left(H_2\right)+\mathrm{\φ}\left(N_2\right)+2\mathrm{\φ}\left(H_{2}S\right)\\ +\mathrm{\Σ}(m+0.5n)\mathrm{\φ}\left(C_m{H}_n\right)+0.124d_s\end{array}\right]+({1.016\mathrm{\α}}_{\mathrm{py}}-0.21)V_{o2}$

$=41.94(m^3/m^3)$

(4)把以上数据代入式(9)计算烟气散失热值Q₂：

Q_y＝q_rV_y(C_yt_y-27.18)

＝564.4(kJ/s)

2.8把上述测试计算结果代入式(2)得燃气发动机反平衡效率：

由此可知，往复式天然气压缩机组用燃气发动机正、反平衡效率测试计算结果基本相等。

Claims (4)

1.一种往复式天然气压缩机组用燃气发动机效率的测量方法，包括正平衡法测量发动机效率和反平衡法测量发动机效率两种方法，其特征在于：燃气发动机正平衡效率的测量方法是，先分别在压缩机输出端和发动机燃气进气前端用密闭容器取适量天然气各1份，进行气质分析，得到压缩天然气气质分析报告及发动机燃气气质分析报告，气质分析报告包括天然气气质组分摩尔百分比及燃气气质组分摩尔百分比、压缩因子Z、硫化氢含量、二氧化碳含量、相对密度S_G、临界温度T_c'、临界压力p_c'、空气含量及总硫含量；然后测得机组各级压缩缸进气温度T_j1、排气温度T_j2、进气压力p_j1、排气压力p_j2及排气量q_jV；再将测试数据代入k_j＝c_p/c_V计算压缩机各级天然气多变指数k_j，式中c_p为天然气的定压比热容，由计算，为天然气在基准压力下的定压比热容，由计算，c_V为天然气定容比热容，由c_V＝c_p-Δc计算，其中Δc_p、Δc为真实气体比热容校正值，根据当量对比压力p_r'和当量对比温度T_r'值从SY/T6637-2005附录B、C的真实气体比热容校正图中查取；将k_j、p_j1、p_j2、q_jv及进气Z_j1、排气Z_j2代入计算得往复式压缩机第j级效率η_j，代入得压缩机第j级指示功率N_Pj，再将上述两数据代入求得机组各级轴功率N_ij，将各级轴功率N_ij代数相加，得多级压缩机总轴功率N_I，即N_I＝ΣN_ij；再后根据燃气的理想基低位发热值燃气单位时间内消耗量q_r代入计算得单位时间消耗燃气热值Q；用扭矩测试仪直接测量风机输入轴扭矩T₂、水泵输入轴扭矩T₃、风机轴转速n₂、水泵轴转速n₃、代入分别得到风机轴功率N₂与水泵轴功率N₃；最后按计算得到燃气发动机正平衡效率η_正。

2.一种如权利要求1所述的测量方法，其特征在于：燃气发动机反平衡效率的测量方法是，直接读取机组仪表盘数据或用超声波流量计测量发动机燃烧缸冷却水流量q_w，用红外测温仪读取燃烧缸冷却前水温t₁、冷却后水温t₂，查得冷却水的比热c_w与冷却水密度ρ_w，按Q₁＝c_wρ_wq_w(t₂-t₁)计算得单位时间冷却燃烧缸散失热量Q₁；其次根据烟气气质分析结果、燃气消耗量q_r、排烟温度t_y按Q₂＝q_rV_y(C_yt_y-27.18)计算单位时间烟气散失热值Q₂，式中V_y为烟气体积系数,C_y为t_y温度下烟气的平均体积定压比热容，根据GB/T17719-2009按实测烟气成分计算；最后将发动机单位时间内消耗燃气热值Q、单位时间循环水冷却燃烧缸散失热量Q₁、单位时间燃气散失热值Q₂及结合实际情况选取机组机械损耗效率η_js值代入计算燃气发动机反平衡效率η_反。

3.根据权利要求1所述的测量方法，其特征是：所述的当量对比压力p_r'、当量对比温度T_r'由p_r'＝p_j2/p_c'、T_r'＝T_j2/T_c'求得，式中p_j2、T_j2为第j级压缩机天然气排气压力与排气温度，p_c'、T_c'为天然气临界压力与临界温度。

4.根据权利要求2所述的测量方法，其特征是：所述烟气体积系数V_y由下式计算：

$V_y=0.01\×\left[\begin{array}{c}{\mathrm{CO}}_2^{\′}+{\mathrm{CO}}^{\′}+H_2^{\′}+H_2^{\′}+{2H}_2{S}^{\′}\\ +\mathrm{\Σ}(m+0.5n)C_m{H}_n^{\′}+0.124d_s\end{array}\right]+(1.016{\mathrm{\α}}_y-0.21)V_{o2}$

式中，α_y为排烟处过量空气系数，由下式计算：

$a_y=\frac{21}{21-79\frac{O_2^{\′}-(0.5{\mathrm{CO}}^{\′}+0.5H_2^{\′}+{2C}_m{H}_n^{\′})}{100-({\mathrm{RO}}_2^{\′}+O_2^{\′}+{\mathrm{CO}}^{\′}+H_2^{\′}+C_m{H}_n^{\′})}}$

式中，V_o2为燃气燃烧理论空气量，由下式计算：