CNG用天然气压缩机技术发展探讨

1 CNG迅猛发展
1999年止，全国十二个示范省市加气(CNG)站近70座，清洁汽车(NGV)保有量不足万辆，经过四年时间的迅猛发展，至2003年10月止，全国16个示范省市CNG站已建成273座，NGV74852辆，LPG站建成282座，LPGV89475辆。
四川省2003年年底统计，CNG站已达156座，NGV45000辆。四川省自1989年，中国天然气总公司引进澳大利亚主机与国产设备配套建成第一座车用CNG充气站，经过十年探讨发展走上了一条成功之路。CNG事业随着西气东输进程，势必走向更健康的发展历程，西气东输计划2005年覆盖120个城市，2010年覆盖260个城市。CNG将在西气东输的大动脉沿线331个城市扎根、开花结果。为了CNG更快更健康的发展，本文对CNG核心设备之一，CNG站用天然气压缩机技术发展作一探讨。
2 目前CNG用天然气压缩机存在问题和技术发展探讨
目前使用在CNG站中的天然气压缩机存在诸多不足之处，根据目前最新技术发展方向，能够改进的地方确实不少。
2.1 对压缩天然气净化无油认识不足
第一、CNG站进口澳大利亚PRESCON 3D350/6D/75R型天然气压缩机；进气压力0.17MPa，排气压力24.8MPa，转速575r/min，排气量250Nm3/h，3级压缩，W型，采用飞溅润滑。至今进口意大利SAFE(塞福)Sr1 W型压缩机、SW1 32F2-EM型仍为飞溅润滑。这种落后的技术导向，导致国内一些CNG用天然气压缩机制造厂，尽管其压缩机占据了CNG一定市场，但并未在气体的完全无油上下功夫。有的开始搞无油结构，搞了几年又倒退到有油润滑。有的对用户宣传无油，采用立式布置，气缸不注油等，但机身里的稀油沿着活塞杆往上窜入填料进入气缸，污染气体，此种压缩机应该正确定义为少油。如具备无油结构，至少在活塞杆上应设抛油环，抛油环随着活塞杆上、下移动，故必须在中间接筒部位加大于一个往复行程S的高度，其刮油装置必须把机身稀油刮干净返回机身，不得窜入或沿活塞杆向上爬进而通过填料带入气缸。如果在机身中体与气缸之间的接筒处暴露的活塞杆，经过运行一段时间至少有20~30mm长一段发黑，而其余部位发亮，这种现象肯定气体绝对无油。
意大利Nuovopiginone和美国Nowalk等公司为实现压缩机气体不含油，将机器设计为整体撬装，立式无油结构并采用AP1618规定的长形单室接筒，它用于无油润滑结构，具有足够的长度以防止带油进入气缸，活塞杆上装有防火花材料的抛油环，环一般设计成剖分结构。对于卧式要实现无油结构，气缸填料无油润滑，应采用长、短形双室接筒，并且可以实现易燃易爆气体的漏气回收，填料密封至多达到万分之五泄漏水平。一个普通小型CNG站用气10000Nm3/d，则漏气可达5Nm3/d故从节约能源的观点，应进行漏气回收。
解决CNG气体带油问题的根本办法，就是采用无油润滑压缩机。因为设计得再好的除油器也只能除去气体中直径大于1μm的油雾滴，但不可能除尽气体中的全部油雾。
气体带油就会污染储存容器，污染干燥剂，使汽车引擎提前点火，使汽车燃料供给系统中的调压阀发生胶结，甚至当排气温度过高，进而积碳，导致不安全事故发生。
2.2 关于采用倒级差活塞概念
有的CNG用压缩机为了追求降低高度，如在进气压力0.3MPa，排气压力25MPa时，两列四级压缩设计成两个倒级差缸(参照简图)。此种设计方案不可能实现气缸填料无油润滑，因为根据倒级差时活塞杆直径公式

求得 d——倒级差时，活塞杆直径mm
Di-1——为相邻低压级(盖侧)气缸直径
Psi——为轴侧吸入压力MPaA
Psi-1——为盖侧吸入压力MPaA
倒级差设计是针对化肥企业合 成氨用氮氢气压缩机需采用四列六级压缩出现Ⅲ-平-Ⅴ，Ⅳ-平-Ⅵ，平衡段通入低压气，Ⅲ、Ⅴ、Ⅳ、Ⅵ级高压等向平衡段泄漏，尤其是Ⅴ、Ⅵ级环的寿命短使泄漏更加恶化，甚至因泄漏造成10%以上输气量损耗，使合成氨减产10%以上，Ⅳ-平-Ⅵ等成为我国对动式四列压缩机回避高压填函的唯一方案。倒级差实际上等于一个双作用气缸，其气缸轴线方向的长度最短，故刚性最大，活塞力均匀，活塞环工作条件最佳，泄漏少。在制造、安装维修方面也最方便。
但是对倒级差结构而言，盖侧级压力比不能高，一般盖侧级压比≤2，对于两个倒级差而言，处于盖侧的Ⅰ、Ⅲ级压比均≤2，那么Ⅱ、Ⅳ级压比必须升高，压比大意味着排气温度高。Ⅱ、Ⅳ级排温在压缩天然气时排温可达160℃左右，当空气试车时可能达180℃。在这种情况下填充四氟塑料绝对过不了关，无油必然成为泡影。
因此不妨在Ⅰ、Ⅱ级采用顺级差设计，它比倒级差结构更为可靠，因为Ⅰ、Ⅱ级为低压级，Ⅰ级选用较高压比是仍置于[PV]值(压力和速度乘积)的许可值范围内，由于Ⅰ级进气温度较低，Ⅰ级排气温度仍然在无油许可范围。其他各级温度相应得到降低。当然目前采用的3列立式4级压缩方案，既实现了降低高度又实现了压比合理分配。
2.3 对无油气体压缩机的磨擦热认识不足
对无油气体压缩机的磨擦热认识不足是导致无油压缩失败的主要原因，特别是倒级差活塞杆。作者建议该列活塞杆中心钻孔通油冷却，直接冷却填料密封与活塞杆的磨擦表面，可及时导走磨擦热，而且中心孔活塞杆结构不仅可以减轻该列往复重量，而且增加了活塞杆的刚性。再利用不锈钢填料盒通水冷却导走压缩热，这样可以实现填料密封环的长寿命。
对于气缸镜面可以设置水套来冷却，1965年意大利辛庇隆公司曾将气缸冷却水套灌满二乙二醇醚，然后将一冷却盘管放入水中，热气体靠二乙二醇醚导走热量，由于二乙二醇醚为吸水性极强的醚，鉴于压缩缸停机时气缸镜面易冒汗，二乙二醇醚又能使镜面保持干燥不生锈。
2.4 CNG压缩机气阀结构问题
在CNG压缩机上采用的最新型气阀结构菌状阀或称蘑茹头阀(POPPET VALVE)，是以PEEK聚芳醚酮加填充剂玻璃纤维和碳纤维注射成型生产工艺菌状阀。世界上唯一的工业芳族聚酮生产商Victex公司于1993年成立生产PEEK以来需要量不断增长，美国是最大的市场，占销售额的48%。美国喷索维尼亚州哈特费尔德市格林特德公司专门为博尔其格、库珀能源、德莱塞兰等公司生产压缩机密封件，PEK网状阀片，菌状阀，由于比金属轻，有阻尼作用，可缓冲击，因此寿命长，一般8000h寿命是可保证，我国油气田进口的燃气摩托压缩机于1997年前就已经使用验证，1997年七月贺尔碧格(上海)有限公司已经向用户提供POPPET VALVE样本。但其价格昂贵，使用户无法承受，相比之下在美国格林特德公司订购仅为1/5 价格。目前，国内已经在浙江温州等小批量生产，用户处于寿命和可靠性验证阶段。
2.5 波纹管式和波节管式冷却器应用
自1996年以来，在中小氮肥的合成氨工艺中用波纹管替代老式列管换热器，采用薄壁不锈钢波纹管元件，其传热系数为直壁列方式2～3倍，波纹管为柔性元件，在大温差和大压差场合具有自动补偿性能，对管板和筒体拉压应力小，对工况变化适应能力强，对中、低压力安全可靠；由于波纹管表面的光滑弧线能抑制水垢生成，而具有自清垢能力；由于具有较高换热能力，因而可以减小设备体积和占地面积，减少冷却水量，降低运行和维护费用；独立的完全自由成型工艺，波纹形成过程中没有强制变型，不会造成应力集中，残余应力小，应力分布均匀，没有晶间缺陷。
波节管式为一节波纹和一节直段交叉构成，仍有自清垢能力，管壁厚，可以向高压方向发展。

3 四川华西通用机器公司大力推进CNG技术创新
中央在关于第十个五年计划的建议中指出，在加快传统产业技术改造中，要“大力振兴装备制造业”。四川华西通用机器公司是国家石油化工设备及一、二、三类压力容器设计制造的专业企业，近年来，公司针对CNG站用压缩机进行了广泛的调查和技术筛选，先后开发出2Z3.5及3Z3.5立式无油CNG压缩机，两种机型涵盖了进气压力为0.2MPa、0.4MPa、0.8MPa、2.5MPa等多种工况条件，气量涵盖了340Nm3/h至1500Nm3/h的不同需求，在CNG用天然气压缩机的开发上，2ZW3.5-1.1/8-250型以及3Zw3.5-3/3-250型天然气压缩机分别在铜梁、简阳和江油3个CNG站投入用户使用考核并进行进一步的技术改