往復(fù)式壓縮機(jī)變頻和余熱回收節(jié)能降耗技術(shù)及效果分析

景奇佳 程松

摘 ? 要：往復(fù)式壓縮機(jī)是煤化工行業(yè)非常重要的設(shè)備，本文以煤制天然氣加壓輸配工藝中增壓站的核心設(shè)備往復(fù)式壓縮機(jī)為研究對(duì)象，針對(duì)往復(fù)式壓縮機(jī)運(yùn)行工況不穩(wěn)定和壓縮過(guò)程放熱的特點(diǎn)，提出了采用變頻和余熱回收兩種節(jié)能降耗技術(shù)并進(jìn)行了分析，針對(duì)這兩種節(jié)能技術(shù)提出了相應(yīng)的技術(shù)方案并分析了節(jié)能效果，采用變頻和余熱回收技術(shù)節(jié)能效果顯著。

關(guān)鍵詞：往復(fù)式壓縮機(jī) ?節(jié)能降耗 ?變頻 ?余熱回收

中圖分類(lèi)號(hào)：TE974 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2020）06（a）-0049-03

Abstract：The reciprocating compressor is a very important equipment in the coal chemical industry. The article studies the reciprocating compressor， the core equipment of the boosting station in the coal-to-SNG pressurized transmission and distribution process. Regarding the characteristics of unstable operation condition and compression heat release of reciprocating compressor， the article proposes and analyzes energy-saving and consumption-reduction of the two technologies of frequency conversion and waste heat recovery. Based on these two energy-saving technologies， the article proposes corresponding technical solutions and analyzes energy saving effects， and finds that their energy-saving effect is significant.

Key Words：Reciprocating compressor; Energy-saving; Frequency conversion; Waste heat recovery

在各類(lèi)煤化工工藝中壓縮機(jī)都屬于關(guān)鍵設(shè)備，對(duì)于氣體壓縮、提高氣體純度、提高生產(chǎn)質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。通過(guò)壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、功能提升，充分發(fā)揮壓縮機(jī)在工藝生產(chǎn)中的作用。往復(fù)式壓縮機(jī)具有效率高、壓比大、對(duì)于壓力和流量的波動(dòng)適應(yīng)性強(qiáng)，工況易于調(diào)節(jié)，無(wú)喘振現(xiàn)象，流量變化對(duì)效率的影響較小等特點(diǎn)，往復(fù)式壓縮機(jī)在煤化工行業(yè)應(yīng)用非常廣泛，因此，對(duì)往復(fù)式壓縮機(jī)節(jié)能降耗技術(shù)及效果進(jìn)行分析。

1 ?往復(fù)式壓縮機(jī)節(jié)能降耗技術(shù)分析

1.1 變頻

煤化工行業(yè)中，壓縮機(jī)作為工藝生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的關(guān)鍵設(shè)備被廣泛使用。一般根據(jù)最大氣體處理量進(jìn)行選型，如何使壓縮機(jī)既滿足工藝生產(chǎn)需求又能降低能源消耗是大家追求的目標(biāo)。煤制天然氣輸配中的增壓站，承擔(dān)將成品天然氣加壓后輸送至長(zhǎng)輸管線的核心作用。但增壓工藝中的天然氣進(jìn)氣量達(dá)不到設(shè)計(jì)之初的預(yù)算時(shí)，因壓縮工藝中的壓縮機(jī)運(yùn)行中有最低轉(zhuǎn)速要求，就會(huì)形成小馬拉大車(chē)的能源浪費(fèi)效應(yīng)。以某個(gè)煤制天然氣項(xiàng)目為例，天然氣增壓站選用2臺(tái)12500Nm3/h的壓縮機(jī)（1開(kāi)1備，電壓等級(jí)為10kV）。根據(jù)壓縮機(jī)參數(shù)，壓縮機(jī)單臺(tái)的額定功率為630kW。為了提高壓力及大流量穩(wěn)定供氣，往復(fù)式壓縮機(jī)系統(tǒng)采用變頻調(diào)速。

因下游用戶需求量發(fā)生變化時(shí)，需對(duì)壓縮機(jī)排氣量進(jìn)行調(diào)節(jié)。可根據(jù)用戶對(duì)天然氣的需求量，自動(dòng)調(diào)整高壓變頻器頻率，從而調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速，使進(jìn)氣量、排氣量發(fā)生變化，壓縮機(jī)的能耗也會(huì)隨之變化。采用變頻調(diào)速技術(shù)，通過(guò)改變壓縮機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)改變壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，既能滿足工藝需求又能達(dá)到節(jié)能降耗目的。

1.2 余熱回收

往復(fù)式壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的壓縮熱非常大，通常這部分熱能通過(guò)壓縮機(jī)機(jī)組配置的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行冷卻。有資料顯示壓縮機(jī)在運(yùn)行時(shí)，15%的電力消耗做有用功，85%的電力消耗通過(guò)冷卻系統(tǒng)傳入大氣做了無(wú)用功。往復(fù)式壓縮機(jī)采用余熱回收，可以增加能源利用率，降低能源消耗。

2 ?方案

2.1 采用變頻技術(shù)

往復(fù)式壓縮機(jī)變頻節(jié)能技術(shù)，通過(guò)使用變頻器對(duì)壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速，通過(guò)改變壓縮機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)對(duì)壓縮機(jī)吸氣量的控制。綜合考慮某煤制天然氣項(xiàng)目壓縮機(jī)運(yùn)行工況，應(yīng)設(shè)置與單臺(tái)壓縮機(jī)電機(jī)功率630kW相匹配的10kV高壓變頻器及配套控制柜。

2.2 采用壓縮機(jī)余熱回收技術(shù)

本項(xiàng)目壓縮機(jī)應(yīng)采用余熱回收技術(shù)回收熱量，產(chǎn)生的熱水可供職工生活用熱水（洗浴、采暖等），節(jié)約能源消耗。

壓縮機(jī)熱回收流程如圖1所示。壓縮機(jī)吸氣后經(jīng)壓縮產(chǎn)生高溫氣高壓氣體，高溫高壓氣體進(jìn)入余熱回收裝置，與低溫水換熱后，高溫高壓氣體變成低溫高壓氣體，低溫高壓氣體經(jīng)壓縮機(jī)配套冷卻器冷卻后出裝置界區(qū)，而經(jīng)換熱后的冷水變?yōu)闊崴M(jìn)入水箱，供采暖、洗浴等。

3 ?節(jié)能效果分析

3.1 采用變頻技術(shù)

增壓站采用往復(fù)式壓縮機(jī)對(duì)天然氣進(jìn)行增壓，每小時(shí)處理天然氣的流量一般不是恒定的，是有波動(dòng)的，介于此特點(diǎn)，壓縮機(jī)應(yīng)采用變頻技術(shù)。根據(jù)壓縮機(jī)廠家提供的資料，壓縮機(jī)采用變頻節(jié)能技術(shù)不同的負(fù)載率每小時(shí)節(jié)電率是不同的。

壓縮機(jī)單臺(tái)的額定功率為630kW，壓縮機(jī)的負(fù)載率為90%，運(yùn)行臺(tái)數(shù)為1臺(tái)，需要系數(shù)取0.8，年運(yùn)行時(shí)間取8400h，則年可節(jié)約電量為630kW×1×0.8×8400h×7%=29.64 ×104kW·h/a，依據(jù)《綜合能耗計(jì)算通則》（GB/T2589-2008）電的折標(biāo)系數(shù)為0.1229kgce/kW·h（當(dāng)量值），折標(biāo)煤36.43tce/a（當(dāng)量值）。

3.2 采用壓縮機(jī)余熱回收技術(shù)

3.2.1 可回收熱量計(jì)算

根據(jù)設(shè)備資料可知，壓縮機(jī)的進(jìn)口氣體的溫度為293k，壓力為1.3MPa（絕壓），根據(jù)REFPROP軟件（REFPROP軟件是一款國(guó)際權(quán)威工質(zhì)物性計(jì)算軟件，該軟件是由美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所（NIST）研制開(kāi)發(fā)）計(jì)算余熱回收冷卻器進(jìn)口的氣體溫度為371K，壓力為3.6MPa（絕壓），余熱回收冷卻器出口的氣體溫度為303K，壓力為3.6MPa（絕壓）。通過(guò)REFPROP軟件計(jì)算出三個(gè)點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)如下表所示。

根據(jù)壓縮機(jī)進(jìn)口氣體的溫度為293k，壓力為1.3MPa（絕壓），體積15.02m3/min，密度為8.7695kg/m3，則

則實(shí)際每小時(shí)可回收的熱量Q1為939.6MJ/h，壓縮機(jī)每年運(yùn)行8400h，則年可回收熱量Q2為7892.64GJ/a，每噸標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值為29307MJ，則折標(biāo)煤為269.31tce/a。

3.2.2 余熱回收利用可產(chǎn)生熱水計(jì)算

水的比熱容為4.1868kJ/（kg·k），即1kg水吸收4.1868kJ的熱量，溫度會(huì)上升1℃。

熱量計(jì)算公式為Q=Cm·△t式中C為比熱容，m為水量，△t為溫度變化值。

冬季（冬季以11月到3月共5個(gè)月計(jì)），以入水溫為5℃計(jì)算，水溫從5℃提高到55℃，△t為50℃。壓縮機(jī)每天可回收的熱量Q1為22550.4MJ/d，所以冬天壓縮機(jī)每天熱回收可產(chǎn)生的熱水量B1=Q1÷[4.1868kJ/（kg·k）×50] ÷1000=107.72t/d。

夏季（夏季以4月到10月共7個(gè)月計(jì)），以入水溫為15℃計(jì)算，水溫從15℃提高到55℃，△t為40℃。壓縮機(jī)每天可回收的熱量Q1為22550.4MJ/d，所以夏天壓縮機(jī)每天熱回收可產(chǎn)生的熱水量B2=Q1÷[4.1868kJ/（kg·k）×40]÷1000=134.65t/d（按照冬季和夏季回收熱量相同計(jì)）。

根據(jù)加權(quán)平均算法，1臺(tái)630kW壓縮機(jī)熱回收平均每天可產(chǎn)熱水量B3=（B1×5+B2×7）÷12=123.43t/d。經(jīng)以上計(jì)算可知該壓縮機(jī)余熱回收平均每天可產(chǎn)123.43t/d熱水。

回收的熱水可滿足作為員工生活用熱水以及冬季采暖等，若有剩余也可考慮向周邊用戶供應(yīng)。

3.3 節(jié)能經(jīng)濟(jì)性分析

3.3.1 采用變頻節(jié)能技術(shù)

本項(xiàng)目壓縮機(jī)采用變頻節(jié)能技術(shù)后，年可節(jié)約電力消耗29.64×104kW·h/a，按照所在地區(qū)電價(jià)0.8元/kW·h計(jì)，年可節(jié)約23.71萬(wàn)元。

3.3.2 采用壓縮機(jī)熱回收節(jié)能技術(shù)

壓縮機(jī)采用熱回收節(jié)能技術(shù)后，年可回收熱量為7892.64GJ/a，按照25元/GJ計(jì)，年可節(jié)約19.73萬(wàn)元/年。

4 ?結(jié)語(yǔ)

（1）變頻調(diào)速通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)對(duì)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)從而降低壓縮機(jī)能耗，節(jié)能效果明顯。

（2）變頻調(diào)速可實(shí)現(xiàn)對(duì)壓縮機(jī)壓力、流量控制，從而滿足復(fù)雜的工藝需求。

（3）壓縮機(jī)采用余熱回收技術(shù)，回收的熱可用于職工生活用水、采暖等，若有余量還可外供。通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析節(jié)能效果較好，值得推廣，建議盡快組織實(shí)施。

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