高压CNG压缩机前设置增压压缩机的缘由

a.已建成的天然气汽车加气站进站管线压力的波动与衰减

a）进站管线压力的波动

已建成的天然气汽车加气站，其进站管线压力的波动表现在两个方面：

一是在一天之内，由于大片居民小区炊事、洗浴等需要，导致大量消耗天然气，早、中、晚时段发生的管线压力的暂时降低。但在一天内的绝大多数时段，管线压力为正常值。

二是在一年之内的寒冷季节，持续产生的管线压力的降低。而在非寒冷季节，进站管线压力恢复正常。

以上两方面的进站管线压力波动，本属正常情况，且较多地发生在联接城市低压天然气管网的站。

b）进站管线压力的衰减

进站管线压力的衰减，在多数情况下是由于天然气田地质条件发生变化，也有的是因为管网上游并联了耗气量甚巨的工厂。

11年前，成都市青白江区某常规天然气汽车加气站，配用了一台90kW级全风冷CNG高压压缩机，其额定进气表压力为2.0MPa。该民企站是当时国内进站管线压力最高的常规站。站的运营初期，一切状况良好。岂料投运方才一年，进站管线压力竟然下降到0.6MPa。若按此低压力运行，CNG压缩机的各级排气温度将达到为安全运行所不允许的程度，站的暂停开放自是必然。该站进站管线压力的衰减，除了地质条件的影响，和所在区域管网范围偏小，且未与主力管网并网有关。

b.设置增压压缩机的现实需求

已建成的天然气汽车加气站，其进站管线压力的波动与衰减，特别是部分站进站管线压力持续而又幅度甚大的衰减，迫切需要在高压CNG压缩机前设置增压压缩机。

建新站时即配置增压机的建站新理念

颇具远见卓识的精明的加气站业主们，已开始践行建站新理念──建新站时即在高压CNG压缩机前配置天然气增压压缩机。那么，缘何如此呢？

a.免除了每年长达四个多月的寒冷季节里，进站管线压力持续偏低之苦衷。

b.解除了每天的用气高峰时段，进站管线压力暂时降低的烦恼。

c.进站管线压力衰减后，完全能够轻松应对。

d.增压机的购置费，仅为站的总设备费的很小份额。

e.站的总体布局、工艺流程、设备就位、强弱电系统、站房建筑等皆更加合理、整齐、流畅。

增压机与高压CNG压缩机的流量、压力匹配，以及增压机结构类型、结构型式的选择

a.在增压压缩机的供气量（Nm3/min）与原有高压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街，此二根本前提下，增压压缩机尚应具有适应进气压力小幅度变动的能力。

一来，进站管线压力继续衰减是完全可能的；二来，上游管线压力复升（如由于并网）的可能性也是存在的。

b.荐用增压压缩机的结构类型是往复活塞式，而非回转式。

a）往复活塞式压缩机造价较低、运行电耗也低，且其压力比适应范围远宽于回转式，当其压缩级数为2或3时，更是如此。这就赋予往复活塞式压缩机以强的适应进气压力变动的能力。

b）无油回转式压缩机造价过于昂贵，而喷油回转式压缩机存在着天然气介质稀释油品或使油品缓慢变质的可能性。

c.往复活塞式压缩机中，结构型式是角度型者，应是增压压缩机理想的选择。

a）角度型压缩机除了拥有造价较低、运行电耗低、压力比适应范围宽等往复活塞式压缩机固有特质之外，还具备结构最为紧凑、外廓尺寸最小、占地面积最少的突出优势，故最适于在加气站原址范围内理想地安装就位而无需扩地。

b）角度型压缩机中的V型及W型压缩机，较之L型压缩机、对称平衡型压缩机更便于改为曲轴箱承受内气压者，从而晋升为“无泄漏压缩机”，节能和环保效应均属上乘。

c）据悉，新颖先进的强刚性、极紧凑V型/W型通用系列增压机行将市售。

对CNG压缩机的基本要求

由压缩机及其驱动电动机和相关装备构成的高压天然气压缩机组，是天然气汽车加气站最关键的动装备。

天然气压缩系统装备的电力消耗，占据加气站总电耗九成以上的份额。压缩系统装备的购置费，约为加气站装备总购置费的四分之一左右。

a.确保压缩机和加气站的安全运行

尽管天然气的物理化学性质并非“易燃易爆”，而是“能燃可爆”，其密度甚低、在大气中逸散很快，燃点高达℃，在空气中的爆炸极限范围又很窄，为4.8%～13.46%（体积比）。但是，务必防患于未然，应尽量减少加气站装备的天然气泄漏量。

压缩机气缸处的活塞杆填料，是压缩机天然气外泄漏的最主要部位，是加气站安全运行的第一隐患所在，故应严格控制该处的天然气泄漏量在允许的安全范围内。

b.提高压缩机的机、电零部件的运行可靠性

压缩机是加气站最关键的动装备，又因其机、电零部件种类和数量众多，故而同时又成为加气站最易产生故障的动装备。提高压缩机的机、电零部件运行可靠性，避免非计划停车与检修，其重要性不言而喻。

c.节电、减震与降噪

压缩机是加气站装备里最大耗电者，也是机械振动和气流压力脉动的最主要源头，还是机械噪声、因冷却目的而产生的空气流动噪声的主要根源。

在确保安全运行和提高机、电零部件运行可靠性的前提下，应力求压缩机节电、减震与降噪。

CNG压缩机运行的特点

a.总体说来，CNG压缩机排气表压力均为25MPa，世界各国皆如此。NGV加气站中的常规站、子站所装备的CNG压缩机，其排气表压力恒为25MPa。至于加气母站中的CNG压缩机排气表压力，则依长管半挂车上的CNG高压气瓶的工作压力而定，为25MPa或20MPa。

b.CNG压缩机吸气压力，对用于常规站/母站者而言，都取决于进站天然气管网压力。而加气子站中的CNG压缩机，其吸气压力则是变值，最高吸气压力值和最低吸气压力值皆由NGV加气站的工艺设计确定。在国内工程实践中，一般来说大体介于3MPa～20MPa之间。

c.CNG压缩机都具有有别于多数工艺流程用压缩机的间断运行的特点。近代的CNG压缩机，其启动、运行或停机的控制，都自动地取决于加气站的高压储气瓶组的实际气压状况；而每一次的运行时间、停机时间，则由站用高压储气瓶组的水容积和车辆（对加气母站而言多为长管半挂车上的移动储气瓶组）所需之加气量综合确定。

d.由NGV加气站的智能化控制目标出发，理所当然地要求CNG压缩机及机组的机械部分、强弱电部分，都具备适应无人值守、全自动控制运行的必要条件。

e.CNG压缩机吸入的天然气，其品质应符合有关标准规定。一般情况下，在压缩机吸气口之前，需将进站天然气作适当工艺处理并使之达标。

f.CNG压缩机排出的高压天然气，一般亦应进行工艺处理，使之符合对车辆加气的品质规定。气缸极少油润滑的CNG压缩机、气缸不注油润滑的CNG压缩机（机身和气缸之间的中间接筒非“双间隔室”型的），都难以摆脱机身内传动机构润滑油对其排出高压天然气品质的不良影响。

g.CNG压缩机的各级排气温度，无论压缩机的冷却方式如何（水冷、风冷或混合冷却），均应符合出自安全角度确定的排温限值，当气缸、填料为注油润滑（或极少油润滑）时，更是如此。

h.CNG压缩机的供气量与高压储气瓶组的水容积值之间，应匹配合理，其核心目的有二：一是防止CNG压缩机过于频繁的启动，以避免由此导致的机件、电器、动力电费的额外负荷；二是为了在最低电价时间区段将气瓶组充足气，以减少压缩机在电价高的时间区段的运行时间，从而节省加气站的动力费用。

i.压缩机一般皆以电动机拖动，而CNG压缩机不乏用天然气发动机驱动的。受运行场所动力电条件的制约，只能采用天然气发动机配套，为情况之一。为追求加气站的动力费用低，站内压缩机全部由天然气发动机驱动，为情况之二。情况之三是，站内压缩机之驱动机，电动机和天然气发动机兼而有之，以求控制灵便及节省动力费用：夜间工业电价最低时，以电动CNG压缩机将大水容积的高压储气瓶组充满气；当高电价的白天需启动压缩机时，就以天然气发动机—CNG压缩机组为主力。

j.CNG压缩机还具有运行地域极为宽泛、气象条件差异极大的特点：严寒、高海拔、缺水、湿热俱有之。固定式NGV加气站用、室外移动式NGV加气站用CNG压缩机，又有其明显差别：固定用者，务必满足运行场所的环境噪声限值规定，且有时是很苛刻的；室外移动用者，需适应无冷却水源、高寒气候条件甚至是无动力电的条件。

k.CNG压缩机应能适应进站天然气管网压力变化这一重要因素，既包括一天之内因城市居民炊事、洗浴用气而可能出现的气压变化，也包括可能的管网改造升压或天然气衰减降压等情况。

l.CNG压缩机规格型号的确定，不仅要与建加气站时所需的实际加气能力相符合，尚应虑及可能实施的加气站增容的需要。宜在扩容后压缩机台数增多而规格型号相同，即采用“模块式”的增容方法。

m.把天然气能燃可爆的特性和CNG压缩机在NGV加气站中的运行实际状况结合考虑，压缩机房应是大敞开式的，更宜采纳遮雨棚下置橇装压缩机组方式。如为后者，在我国长江以北地区则以全风冷CNG压缩机为最宜。

n.对于配用循环冷却水系统的CNG压缩机组来说，闭式系统较开式系统更为适宜。冷却水直排，导致宝贵的水资源浪费巨大，理应摒弃之。闭式系统是指采用风冷式散热器，使水在冷热交换过程中不和环境空气接触的冷却水循环系统。开式系统是指在环境空气中曝气降温的冷却水循环系统。使用含防冻液的软化水的闭式系统，在防止水垢、金属腐蚀的产生等方面，有着较强的综合优势。

o.CNG压缩机运行的安全性应得到保障，这是确定无疑的。NGV加气站要求CNG压缩机确保安全、运行可靠、节能长寿。因此，填料处微量泄漏气的处置方式（引出放空、集污箱回收气、承受内气压的机身贮留泄漏气等），各级排气温度限值，易损件的更换期，运动件承载面的比压值，气流速度与压力降等等，均需受到控制。

关于加气站用CNG压缩机的几个重要概念

在确认加气站的天然气压缩系统装备，应在安全运行、应提高零部件的运行可靠性，应在节电、减振与降噪这些前提下，对CNG压缩机作深一步的探究，这对于如何优选压缩机，甚有裨益。

a.压缩机的流量、压强单位及其换算

压缩机的流量这一泛指名词的进一步明确，可分解成压缩机的容积流量和压缩机的供气量此二名词。

a）压缩机的容积流量释义

压缩机的容积流量，是指在额定排气压力下压缩机在单位时间内排出的气体容积值。该值在排气端测得并折算到压缩机进口状态，即压缩机第Ⅰ级进气处的压力与温度时的容积值，。此值尚应计入级间分离掉的水分折算成蒸汽的容积，还应计入气体压缩性的影响。

b）压缩机的供气量释义

压缩机的供气量，是指压缩机在单位时间内排出的气体容积值折算到标准状态之值，并不计入级间分离掉的水分及抽气量（当工艺流程自压缩机级间抽气时）。

供气量的标准状态是：绝对压力0.MPa、温度0℃、干燥气体。

c）压缩机常用容积流量、压强单位及其换算

遵照国际单位制，压缩机常用容积流量单位是m3/min（米3/分）、m3/h（米3/时），压缩机常用供气量单位是nm3/min（标米3/分）、nm3/h（标米3/时）。

然而，和压缩机有关的国内外技术与商务交往中，英制单位依然经常出现。为方便交流，今将笔者将简约版的压缩机常用容积流量单位、压缩机常用压力（压强）单位及其换算分列于表1及表2。该二表之数字修约，满足工程级需要。

b.CNG压缩机的供气量

天然气汽车加气站及其CNG压缩机，最多用到的流量单位就是供气量。前已言及，供气量是与标准状态对应的。供气量标准状态是：温度0℃、0.MPa绝对压力，而非其它温度与压力值。

CNG压缩机的供气量VN和它的公称容积流量V（进气状态）之间，存在着怎样的换算关系呢？

VN=GV

式中，G—供气量换算系数，它因压缩机的进气温度和进气压力不同而不同。

依据我国机械行业标准JB/T《汽车加气站用天然气压缩机》，CNG压缩机规定工况进气温度20℃。以该20℃及柏弩利连续方程，笔者得出的不同进气压力下CNG压缩机供气量换算系数G如表3。

知G值后，VN与V之间可以相互推算。表3中G值之数字修约，亦满足工程级需要。

关于CNG压缩机的气缸润滑方式

售气机输出的高压CNG之含油量，必须得到控制，所以希望CNG压缩机气缸无油润滑的愿望是有道理、美好的。

具有中间填料的双间隔室并以惰性气体封隔的中间接筒，能够保证气缸无油润滑压缩机输出气体不含油。如若中间接筒非双间隔室者，即使气缸无油润滑，传动机构用润滑油的爬窜，也将使压缩机排气含油。

但是CNG压缩机不宜采用双间隔室此种结构，因为其制造成本过于高昂、占地面积过大、运行费用也太高。所以，自年迄今为止，国内外CNG压缩机空前绝后的仅一台是双间隔室的。况且，CNG压缩机气缸绝对无油并非必须，规范的加气站工艺流程完全能够控制外输高压CNG之含油量。

未采用具有中间填料双间隔室结构的中间接筒，却侈谈CNG压缩机气缸无油润滑，显然欠严肃、欠求实。

欧美诸多CNG压缩机名企，无一不自称是“少油润滑”而非无油润滑的——笔者欣赏这样实事求是的态度。

由于CNG压缩机的高压填料、高压活塞环工作条件恶劣，气缸注油润滑时金属填料/活塞环中的优秀者寿命甚长，而气缸无油润滑时工程塑料制填料/活塞环寿命则难以保证，国内外皆如此。这就由先进压缩机外企率先导出了对工程塑料元件实施“少油润滑”之举，这甚有利于密封气体的功能和延长其寿命。

顺言及，无论何种气缸润滑方式，在CNG压缩机各级冷却器之后设置液气分离器和在末级冷却、分离之后设高效滤油器都是必要的。

国外成功的CNG压缩机制造企业，无一采用25MPa高压填料的“倒级差”结构。

纵观美、德、英、日、瑞士、奥地利等国成功的CNG压缩机制造企业，其众多型号产品在中、低压力级不乏采用“倒级差”结构者（这和在压力最低的第Ⅰ级实施“余隙调节”不无关系），但在压力最高的末级却无一不是应用“正级差”结构和“平衡段”，使填料密封压差最高在10MPa～12MPa，且为少油润滑工程塑料元件，而无一采用25MPa压差高压填料的“倒级差”结构。

这是确凿无疑的现实，颇值得分析、思考。

同样为铁案的是，南欧同一企业所产数种型号的CNG压缩机，并无双间隔室中间接筒，却号称气缸无油润滑，其“倒级差”结构的填料密封压差为25MPa，最早打入了我国南北方天然气汽车加气站市场，但运行实绩不佳，而今其踪迹安在哉？岂不发人深省。追根溯源，此诚乃误导源也！

CNG压缩机转速高低与运行可靠性

由于CNG压缩机的转速、行程、结构型式的择取不一，以及零件材质、机械加工与热处理、装配等实施环节的差异，客观形成的实际状况是：先进的高转速CNG压缩机的运行可靠性很高，低水准的低转速CNG压缩机却运转不可靠。

需知，转速、行程以及由它们共同确定的活塞平均速度等技术参数，都只是一种手段、途径而非标的，终极目的是造就高水准、高可靠性CNG压缩机。

较高的转速可使CNG压缩机外形小、重量轻，少占昂贵的加气站地皮，优点颇多。但是必须保证在此转速下的零件寿命及运行可靠性。转速也并非越高越好，而且转速和与之相应的行程值共同给出的活塞平均速度总不会超出一个大致范围。对于设计和制造得当的CNG压缩机来说，由于天然气密度低，其流动阻力损失小，活塞平均速度在4m/s左右运转是稳妥的，无需担心——这些已由众多实机的长期运行状况所雄辩地证明了。

加气站业主对转速的思虑，需和专业设计院、CNG压缩机制造企业共同沟通、切磋后敲定之。

再评增压机与LNG装置用原料气压缩机

a.高压CNG压缩机前之增压机，必须是气缸无油润滑的，以免气质受润滑油污染。

b.增压机填料处的微量泄漏气体，必须由前置填料密封（以免泄漏入大气），并设有引出和回收装置，以策安全与节能。

c.增压机的工况决定了气缸无油润滑时，活塞环、填料等工程塑料密封元件的工作可靠性和寿命。

d.关于增压机的供气量及进排气压力参数，笔者窃以为，合理的增压机系列性能参数大体是：

a）单机供气量14～70Nm3/min；

b）单级压缩时

进气表压力0.6MPa左右，排气表压力1.5MPa左右；

进气表压力0.1～0.3MPa左右，排气表压力0.6～0.8MPa左右；

c）2级压缩时

进气表压力0.2MPa左右，排气表压力1.5MPa左右；

d）如此，增压机系列能满足绝大多数常规站、母站增压之需，而其单机功率为55～kW。

e.中小型LNG装置用原料气压缩机

a）以往活塞式气缸无油润滑者为最佳选择，兼收不污染天然气、运行电费最低之长处。

b）不同流程的中小型LNG装置，其原料气在进入深冷液化工序前之压力，皆在3.3～4.0MPa之间，是往复活塞式压缩机优势突出之范畴。

c）原料气压缩机的工况，决定了在气缸无油润滑条件下，活塞环、填料等工程塑料密封元件的工作可靠性与长寿命。

参考文献略