CN102937086B - 一种整体燃气往复式天然气压缩机组系统效率的测试方法 - Google Patents

Abstract

Description

一种整体燃气往复式天然气压缩机组系统效率的测试方法

技术领域

本发明涉及一种用于燃气发动机与压缩机共用一个机身、一根曲轴、呈对称分布的整体燃气往复式天然气压缩机组系统效率的测试方法。

背景技术

在石化企业生产中，特别是天然气工业的负压开采、增压输送等方面，往复式天然气压缩机作为一种常用的增压及输送设备，其压缩机组系统工况是否正常、能耗的利用效率是否合理，直接影响着油气田的开发和经济效益。目前尚没有一种具体的测试方法和评价标准来真实的反映整体燃气往复式天然气压缩机组的工作状态与能耗状况。一般情况下，对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。理论上讲，压缩过程有三种情况：等温压缩、绝热压缩和多变压缩，等温压缩情况下压缩机功耗最省、终温最低，绝热压缩情况下压缩机功耗最大、终温最高。但是，压缩机的压缩过程是介于等温压缩和绝热压缩的一个多变压缩过程，故气体多变指数k很难确定，再加上压缩机的压缩介质、工作环境不同等原因，目前对压缩机机组系统进行能耗效率的计量方法与整体燃气往复式压缩机效率并不相符，不能真实反映整体式天然气压缩机的工作状况。因此提供一种整体燃气往复式天然气压缩机组系统效率的测试方法，对石油化工行业整体式燃气压缩机组的工况判定与能耗利用效果评定均具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种能有效测试整体燃气往复式天然气压缩机组系统效率的方法，主要是指燃气发动机与压缩机共用一个机身、一根曲轴，呈对称平衡分布的整体往复式天然气压缩机。

本发明的原理根据整体往复式天然气压缩机是由燃气发动机消耗燃料释放能量驱动压缩机活塞压缩气体做功，其有用功即为单位时间内压缩天然气的指示功率N_p，故机组系统效率即为压缩机的指示功率N_p与燃气发动机单位时间内消耗燃气热值之比。将压缩机组现场测试数据代入式(1)计算机组系统效率：

${\mathrm{\η}}_S=\frac{N_P\×3600}{Q}\×100\%---\left(1\right)$

式中，η_S—机组系统效率，％；N_p—压缩机的指示功率，kW；Q—单位时间消耗燃气热值，KJ/h(标)。该方法可以用于多级压缩机组系统效率的计算。

为实现上述目的本发明采用如下技术方案：一种整体燃气往复式天然气压缩机组系统效率的测试方法，其特征是通过测量压缩机组中压缩天然气气质组分、燃气气质组分、发动机单位时间消耗燃气量及压缩机工作载荷测试，得到机组各级压缩指示功率和燃气发动机单位时间内消耗燃气热值，然后由式(1)计算得机组系统效率。

本发明的测试方法及步骤是：

(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。

将测试数据代入式(2)计算各级的天然气多变指数k_j；

k_j＝c_p/c_V (2)

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；

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

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：

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

式中，T_j2—第j级压缩机天然气出口排气温度，℃；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，

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(3)计算出机组各级指示功率；

$N_{\mathrm{pj}}=16.745p_{j1}{q}_{\mathrm{jv}}\frac{k_j}{k_j-1}[{\left(\frac{p_{j2}}{p_{j1}}\right)}^{\frac{k_j-1}{k_j}}-1]\frac{Z_{j1}+Z_{j2}}{2Z_{j1}}---\left(3\right)$

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，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。

多级压缩机总指示功率N_P即把各级指示功率N_Pj代数和，即N_p＝ΣN_pj。

把发动机燃气气质分析结果、燃气单位时间消耗量q_rv代入式(4)得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。

$Q=q_{\mathrm{rv}}\·{\stackrel{\‾}{H}}^0\left(t_1\right)=q_{\mathrm{rv}}\·\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_j\·{\stackrel{\‾}{H}}_j^0\left(t_1\right)---\left(4\right)$

式中，Q—单位时间消耗燃气热值，KJ/h(标)；q_rv—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；t₁—燃气消耗时间，h。

由(1)计算出往复式天然气压缩机组系统效率η_S。

本发明的有益效果是：(1)本发明的测试方法简便、安全，计算简单，在压缩机组进行常规检查及巡检时均可进行；(2)测试仪器简单、操作方便、经济适用；(3)压缩机组系统效率的评价可为压缩机管理者对压缩机运行经济状态提供评价标准，为机组工况与能耗分析以及节能改造提供参考依据，也为天然气工业高效、节能运行提供一种判断方法。

具体实施方式：

下面对本发明的测试方法做进一步的说明。

在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、设备额定功率、额定转速、机组的压缩级数、压缩缸缸径尺寸、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，测试参数重复读取三次以上，每10分钟读数一次，测取的各项参数以算术平均值进行计算。基准温度：20℃；基准压力(绝对压力)：101.3kPa。

本发明测试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，机组稳定运行15min后测量流量计读数，每隔10min读取一次数据，连续测量3-5次，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，完成整个测试流程。

将测试数据代入式(2)计算各级的天然气多变指数k_j。

将测试数据代入式(3)计算出机组各级指示功率N_Pj；多级压缩机总指示功率N_P即把各级指示功率N_Pj代数相加。

由(4)式计算压缩机组单位时间内消耗燃气热值Q。

由(1)式得出往复式天然气压缩机组系统效率η_S。

实施例：往复式天然气压缩机组系统效率测试计算实例

1某压气站机组系统效率测试数据：

该机组为一级压缩，压缩天然气气质分析组分：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％。

工作载荷测试数据：处理气量9323m³(标)/h，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，大气压力：95.6kPa；

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％；燃气耗量110m³(标)/h。

2整体往复式天然气压缩机组系统效率计算

2.1测量数据代入式(2)得天然气多变指数k_j：

(1)压缩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)由压缩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＝0.56，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/排气压力测试参数代入式(3)得压缩机第j级指示功率N_Pj：

$\begin{array}{c}{N}_{\mathrm{pj}}=16.745p_{j1}{q}_{\mathrm{jv}}\frac{k_j}{k_j-1}[{\left(\frac{p_{j2}}{p_{j1}}\right)}^{\frac{k_j-1}{k_j}}-1]\frac{Z_{j1}+Z_{j2}}{2Z_{j1}}\\ =247.07\left(\mathrm{kW}\right)\end{array}$

压缩机总的指示功率N_P为：

N_P＝ΣN_pj＝247.07(kW)

2.3发动机单位时间消耗燃气热值Q(kJ/h)根据式(4)燃气理想摩尔低位发热量来计算，其中燃气单位时间消耗量q_rv为110m³/h：

$\begin{array}{c}Q=q_{\mathrm{rv}}\·{\stackrel{\‾}{H}}^0\left(t_1\right)=q_{\mathrm{rv}}\·\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_j\·{\stackrel{\‾}{H}}_j^0\left(t_1\right)\\ =110\×[\frac{97.46}{100}\×33.872+\frac{1.23}{100}\×60.277+\frac{0.16}{100}\×86.298+\frac{0.031}{100}\×111.816+\frac{0.023}{100}\×112.164\\ +\frac{0.011}{100}\×137.796+\frac{0.007}{100}\×138.139+\frac{0.02}{100}\×164.081+\frac{0.73}{100}\×0+\frac{0.004}{100}\×10.209]\\ =3741.1(\mathrm{MJ}/h)\end{array}$

2.4通过式(1)计算得机组系统效率：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\η}}_S=\frac{N_P\×3600}{Q}\×100\%\\ =23.78\%\end{array}$

Claims (3)

1.一种整体燃气往复式天然气压缩机组系统效率的测试方法，其特征在于：先分别在压缩机输出端及燃气发动机进气前端用密闭容器接取适量天然气各1份进行气质组分分析，其气质分析报告包含天然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；然后在压缩机组仪表盘上读取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以及压缩机排量q_jv、发动机燃气单位时间消耗量q_rv；再将测试数据代入k_j＝c_p/c_V求出各级天然气多变指数k_j，式中c_p为天然气定压比热容，由计算，为天然气在基准压力下的定压比热容，由计算，Δc_p为真实气体比热容校正值，从真实气体比热容校正图中查取，c_V为天然气定容比热容，由c_V＝c_p-Δc计算，Δc为真实气体比热容校正值，从真实气体比热容校正图中查取；再将k_j、p_j1、p_j2、q_jv、吸气条件下气体压缩因子Z_j1、排气条件下气体压缩因子Z_j2代入 $N_{\mathrm{pj}}=16.745p_{j1}{q}_{\mathrm{jv}}\frac{k_j}{k_j-1}[{\left(\frac{p_{j2}}{p_{j1}}\right)}^{\frac{k_j-1}{k_j}}-1]\frac{Z_{j1}+Z_{j2}}{{2Z}_{j1}}$ 计算出机组各级指示功率N_Pj，根据N_p＝ΣN_pj得多级压缩机组总指示功率N_P，式中j为多级压缩机第j级压缩；然后将发动机燃气气质分析数据及燃气消耗量q_rv代入计算出机组单位时间内消耗燃气热值Q，式中—燃气摩尔低位发热量，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值，KJ/m³；t₁—燃气消耗时间，h；最后按计算出整体燃气往复式天然气压缩机组系统效率η_S。

2.根据权利要求1所述测试方法，其特征是：上述Δc_p、Δc为真实气体比热容校正值，根据当量对比压力p'_r＝p_j2/p'_c、当量对比温度T'_r＝T_j2/T'_c，从SY/T6637-2005附录B、C的真实气体比热容校正图中查取，其中p_j2、T_j2、p'_c、T'_c从压缩机组仪表盘和气质组分分析报告里获取。

3.根据权利要求1所述测试方法，其特征在于：压缩机组测试数据在机组仪表盘上读取不全的，采用红外测温仪直接测取T_j1、T_j2；在压缩缸预留孔处用压力计测取p_j1、p_j2；在发动机进气前端直管段处用超声波流量计测量单位时间内天然气消耗量，连续测量三至五次取其平均值作为消耗量q_rv。