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摘 要：往复式压缩机是煤化工行业非常重要的设备，本文以煤制天然气加压输配工艺中增压站的核心设备往复式压缩机为研究对象，针对往复式压缩机运行工况不稳定和压缩过程放热的特点，提出了采用变频和余热回收两种节能降耗技术并进行了分析，针对这两种节能技术提出了相应的技术方案并分析了节能效果，采用变频和余热回收技术节能效果显著。
关键词：往复式压缩机 节能降耗 变频 余热回收
中图分类号：TE974 文献标识码：A 文章编号：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
在各类煤化工工艺中压缩机都属于关键设备，对于气体压缩、提高气体纯度、提高生产质量起着至关重要的作用。通过压缩机结构优化、功能提升，充分发挥压缩机在工艺生产中的作用。往复式压缩机具有效率高、压比大、对于压力和流量的波动适应性强，工况易于调节，无喘振现象，流量变化对效率的影响较小等特点，往复式压缩机在煤化工行业应用非常广泛，因此，对往复式压缩机节能降耗技术及效果进行分析。
1 往复式压缩机节能降耗技术分析
1.1 变频
煤化工行业中，压缩机作为工艺生产环节中的关键设备被广泛使用。一般根据最大气体处理量进行选型，如何使压缩机既满足工艺生产需求又能降低能源消耗是大家追求的目标。煤制天然气输配中的增压站，承担将成品天然气加压后输送至长输管线的核心作用。但增压工艺中的天然气进气量达不到设计之初的预算时，因压缩工艺中的压缩机运行中有最低转速要求，就会形成小马拉大车的能源浪费效应。以某个煤制天然气项目为例，天然气增压站选用2台12500Nm3/h的压缩机（1开1备，电压等级为10kV）。根据压缩机参数，压缩机单台的额定功率为630kW。为了提高压力及大流量稳定供气，往复式压缩机系统采用变频调速。
因下游用户需求量发生变化时，需对压缩机排气量进行调节。可根据用户对天然气的需求量，自动调整高压变频器频率，从而调节压缩机的电机转速，使进气量、排气量发生变化，压缩机的能耗也会随之变化。采用变频调速技术，通过改变压缩机电机转速来改变压缩机转速，既能满足工艺需求又能达到节能降耗目的。
1.2 余热回收
往复式压缩机运行时产生的压缩热非常大，通常这部分热能通过压缩机机组配置的冷却系统进行冷却。有资料显示压缩机在运行时，15%的电力消耗做有用功，85%的电力消耗通过冷却系统传入大气做了无用功。往复式压缩机采用余热回收，可以增加能源利用率，降低能源消耗。
2 方案
2.1 采用变频技术
往复式压缩机变频节能技术，通过使用变频器对压缩机的驱动电机进行变频调速，通过改变压缩机电机的转速实现对压缩机吸气量的控制。综合考虑某煤制天然气项目压缩机运行工况，应设置与单台压缩机电机功率630kW相匹配的10kV高压变頻器及配套控制柜。
2.2 采用压缩机余热回收技术
本项目压缩机应采用余热回收技术回收热量，产生的热水可供职工生活用热水（洗浴、采暖等），节约能源消耗。
压缩机热回收流程如图1所示。压缩机吸气后经压缩产生高温气高压气体，高温高压气体进入余热回收装置，与低温水换热后，高温高压气体变成低温高压气体，低温高压气体经压缩机配套冷却器冷却后出装置界区，而经换热后的冷水变为热水进入水箱，供采暖、洗浴等。 3 节能效果分析
3.1 采用变频技术
增压站采用往复式压缩机对天然气进行增压，每小时处理天然气的流量一般不是恒定的，是有波动的，介于此特点，压缩机应采用变频技术。根据压缩机厂家提供的资料，压缩机采用变频节能技术不同的负载率每小时节电率是不同的。
压缩机单台的额定功率为630kW，压缩机的负载率为90%，运行台数为1台，需要系数取0.8，年运行时间取8400h，则年可节约电量为630kW×1×0.8×8400h×7%=29.64 ×104kW·h/a，依据《综合能耗计算通则》（GB/T2589-2008）电的折标系数为0.1229kgce/kW·h（当量值），折标煤36.43tce/a（当量值）。
3.2 采用压缩机余热回收技术
3.2.1 可回收热量计算
根据设备资料可知，压缩机的进口气体的温度为293k，压力为1.3MPa（绝压），根据REFPROP软件（REFPROP软件是一款国际权威工质物性计算软件，该软件是由美国国家标准技术研究所（NIST）研制开发）计算余热回收冷却器进口的气体温度为371K，压力为3.6MPa（绝压），余热回收冷却器出口的气体温度为303K，压力为3.6MPa（绝压）。通过REFPROP软件计算出三个点的状态参数如下表所示。
根据压缩机进口气体的温度为293k，压力为1.3MPa（绝压），体积15.02m3/min，密度为8.7695kg/m3，则
则实际每小时可回收的热量Q1为939.6MJ/h，压缩机每年运行8400h，则年可回收热量Q2为7892.64GJ/a，每吨标准煤的热值为29307MJ，则折标煤为269.31tce/a。
3.2.2 余热回收利用可产生热水计算
水的比热容为4.1868kJ/（kg·k），即1kg水吸收4.1868kJ的热量，温度会上升1℃。
热量计算公式为Q=Cm·△t式中C为比热容，m为水量，△t为温度变化值。
冬季（冬季以11月到3月共5个月计），以入水温为5℃计算，水温从5℃提高到55℃，△t为50℃。压缩机每天可回收的热量Q1为22550.4MJ/d，所以冬天压缩机每天热回收可产生的热水量B1=Q1÷[4.1868kJ/（kg·k）×50] ÷1000=107.72t/d。
夏季（夏季以4月到10月共7个月计），以入水温为15℃计算，水温从15℃提高到55℃，△t为40℃。压缩機每天可回收的热量Q1为22550.4MJ/d，所以夏天压缩机每天热回收可产生的热水量B2=Q1÷[4.1868kJ/（kg·k）×40]÷1000=134.65t/d（按照冬季和夏季回收热量相同计）。
根据加权平均算法，1台630kW压缩机热回收平均每天可产热水量B3=（B1×5+B2×7）÷12=123.43t/d。经以上计算可知该压缩机余热回收平均每天可产123.43t/d热水。
回收的热水可满足作为员工生活用热水以及冬季采暖等，若有剩余也可考虑向周边用户供应。
3.3 节能经济性分析
3.3.1 采用变频节能技术
本项目压缩机采用变频节能技术后，年可节约电力消耗29.64×104kW·h/a，按照所在地区电价0.8元/kW·h计，年可节约23.71万元。
3.3.2 采用压缩机热回收节能技术
压缩机采用热回收节能技术后，年可回收热量为7892.64GJ/a，按照25元/GJ计，年可节约19.73万元/年。
4 结语
（1）变频调速通过调节电机转速实现对压缩机转速的调节从而降低压缩机能耗，节能效果明显。
（2）变频调速可实现对压缩机压力、流量控制，从而满足复杂的工艺需求。
（3）压缩机采用余热回收技术，回收的热可用于职工生活用水、采暖等，若有余量还可外供。通过技术经济分析节能效果较好，值得推广，建议尽快组织实施。
参考文献
[1] 蓝兰.浅析压缩机在煤化工工艺中的应用和实践[J].科技创新导报，2017（2）：53-54.
[2] 朱云伟.天然气往复式压缩机高压变频技术改造及应用[J].中国石油和化工标准与质量，2019（7）：189-192.
[3] 何莞，叶丹，高梅，等.基于PLC一体机的空气压缩机余热回收控制系统方案[J].西安文理学院学报：自然科学版，2017，20（2）：67-70.
关键词：往复式压缩机 节能降耗 变频 余热回收
中图分类号：TE974 文献标识码：A 文章编号：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
在各类煤化工工艺中压缩机都属于关键设备，对于气体压缩、提高气体纯度、提高生产质量起着至关重要的作用。通过压缩机结构优化、功能提升，充分发挥压缩机在工艺生产中的作用。往复式压缩机具有效率高、压比大、对于压力和流量的波动适应性强，工况易于调节，无喘振现象，流量变化对效率的影响较小等特点，往复式压缩机在煤化工行业应用非常广泛，因此，对往复式压缩机节能降耗技术及效果进行分析。
1 往复式压缩机节能降耗技术分析
1.1 变频
煤化工行业中，压缩机作为工艺生产环节中的关键设备被广泛使用。一般根据最大气体处理量进行选型，如何使压缩机既满足工艺生产需求又能降低能源消耗是大家追求的目标。煤制天然气输配中的增压站，承担将成品天然气加压后输送至长输管线的核心作用。但增压工艺中的天然气进气量达不到设计之初的预算时，因压缩工艺中的压缩机运行中有最低转速要求，就会形成小马拉大车的能源浪费效应。以某个煤制天然气项目为例，天然气增压站选用2台12500Nm3/h的压缩机（1开1备，电压等级为10kV）。根据压缩机参数，压缩机单台的额定功率为630kW。为了提高压力及大流量稳定供气，往复式压缩机系统采用变频调速。
因下游用户需求量发生变化时，需对压缩机排气量进行调节。可根据用户对天然气的需求量，自动调整高压变频器频率，从而调节压缩机的电机转速，使进气量、排气量发生变化，压缩机的能耗也会随之变化。采用变频调速技术，通过改变压缩机电机转速来改变压缩机转速，既能满足工艺需求又能达到节能降耗目的。
1.2 余热回收
往复式压缩机运行时产生的压缩热非常大，通常这部分热能通过压缩机机组配置的冷却系统进行冷却。有资料显示压缩机在运行时，15%的电力消耗做有用功，85%的电力消耗通过冷却系统传入大气做了无用功。往复式压缩机采用余热回收，可以增加能源利用率，降低能源消耗。
2 方案
2.1 采用变频技术
往复式压缩机变频节能技术，通过使用变频器对压缩机的驱动电机进行变频调速，通过改变压缩机电机的转速实现对压缩机吸气量的控制。综合考虑某煤制天然气项目压缩机运行工况，应设置与单台压缩机电机功率630kW相匹配的10kV高压变頻器及配套控制柜。
2.2 采用压缩机余热回收技术
本项目压缩机应采用余热回收技术回收热量，产生的热水可供职工生活用热水（洗浴、采暖等），节约能源消耗。
压缩机热回收流程如图1所示。压缩机吸气后经压缩产生高温气高压气体，高温高压气体进入余热回收装置，与低温水换热后，高温高压气体变成低温高压气体，低温高压气体经压缩机配套冷却器冷却后出装置界区，而经换热后的冷水变为热水进入水箱，供采暖、洗浴等。 3 节能效果分析
3.1 采用变频技术
增压站采用往复式压缩机对天然气进行增压，每小时处理天然气的流量一般不是恒定的，是有波动的，介于此特点，压缩机应采用变频技术。根据压缩机厂家提供的资料，压缩机采用变频节能技术不同的负载率每小时节电率是不同的。
压缩机单台的额定功率为630kW，压缩机的负载率为90%，运行台数为1台，需要系数取0.8，年运行时间取8400h，则年可节约电量为630kW×1×0.8×8400h×7%=29.64 ×104kW·h/a，依据《综合能耗计算通则》（GB/T2589-2008）电的折标系数为0.1229kgce/kW·h（当量值），折标煤36.43tce/a（当量值）。
3.2 采用压缩机余热回收技术
3.2.1 可回收热量计算
根据设备资料可知，压缩机的进口气体的温度为293k，压力为1.3MPa（绝压），根据REFPROP软件（REFPROP软件是一款国际权威工质物性计算软件，该软件是由美国国家标准技术研究所（NIST）研制开发）计算余热回收冷却器进口的气体温度为371K，压力为3.6MPa（绝压），余热回收冷却器出口的气体温度为303K，压力为3.6MPa（绝压）。通过REFPROP软件计算出三个点的状态参数如下表所示。
根据压缩机进口气体的温度为293k，压力为1.3MPa（绝压），体积15.02m3/min，密度为8.7695kg/m3，则
则实际每小时可回收的热量Q1为939.6MJ/h，压缩机每年运行8400h，则年可回收热量Q2为7892.64GJ/a，每吨标准煤的热值为29307MJ，则折标煤为269.31tce/a。
3.2.2 余热回收利用可产生热水计算
水的比热容为4.1868kJ/（kg·k），即1kg水吸收4.1868kJ的热量，温度会上升1℃。
热量计算公式为Q=Cm·△t式中C为比热容，m为水量，△t为温度变化值。
冬季（冬季以11月到3月共5个月计），以入水温为5℃计算，水温从5℃提高到55℃，△t为50℃。压缩机每天可回收的热量Q1为22550.4MJ/d，所以冬天压缩机每天热回收可产生的热水量B1=Q1÷[4.1868kJ/（kg·k）×50] ÷1000=107.72t/d。
夏季（夏季以4月到10月共7个月计），以入水温为15℃计算，水温从15℃提高到55℃，△t为40℃。压缩機每天可回收的热量Q1为22550.4MJ/d，所以夏天压缩机每天热回收可产生的热水量B2=Q1÷[4.1868kJ/（kg·k）×40]÷1000=134.65t/d（按照冬季和夏季回收热量相同计）。
根据加权平均算法，1台630kW压缩机热回收平均每天可产热水量B3=（B1×5+B2×7）÷12=123.43t/d。经以上计算可知该压缩机余热回收平均每天可产123.43t/d热水。
回收的热水可满足作为员工生活用热水以及冬季采暖等，若有剩余也可考虑向周边用户供应。
3.3 节能经济性分析
3.3.1 采用变频节能技术
本项目压缩机采用变频节能技术后，年可节约电力消耗29.64×104kW·h/a，按照所在地区电价0.8元/kW·h计，年可节约23.71万元。
3.3.2 采用压缩机热回收节能技术
压缩机采用热回收节能技术后，年可回收热量为7892.64GJ/a，按照25元/GJ计，年可节约19.73万元/年。
4 结语
（1）变频调速通过调节电机转速实现对压缩机转速的调节从而降低压缩机能耗，节能效果明显。
（2）变频调速可实现对压缩机压力、流量控制，从而满足复杂的工艺需求。
（3）压缩机采用余热回收技术，回收的热可用于职工生活用水、采暖等，若有余量还可外供。通过技术经济分析节能效果较好，值得推广，建议尽快组织实施。
参考文献
[1] 蓝兰.浅析压缩机在煤化工工艺中的应用和实践[J].科技创新导报，2017（2）：53-54.
[2] 朱云伟.天然气往复式压缩机高压变频技术改造及应用[J].中国石油和化工标准与质量，2019（7）：189-192.
[3] 何莞，叶丹，高梅，等.基于PLC一体机的空气压缩机余热回收控制系统方案[J].西安文理学院学报：自然科学版，2017，20（2）：67-70.