天然气压缩机气体多变指数的确定

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天然气压缩机的工作过程是-个复杂的多变过程，气体在被压缩排气及膨胀吸气过程中气体热量与缸壁存在着不确定的热交换，气体的多变指数是时刻变化的不确定值。气体的多变指数介于气体等温压缩和绝热压缩，能量消耗介于等温压缩和绝热压缩耗功之间，并且随着压缩机工况、冷却方式及效果的不同，能耗也不相同，绝热过程耗能最多1。故多变指数的变化不仅影响压缩机功率能耗，也影响着压缩机工作效率。

收稿 日期：2012-09-072013年03期(总第239期)天然气作为-种混合工质，随着压力和温度升高，并不能作为理想气体来对待。在压缩机压缩气体的分析中，-些文献中所见到的多变指数的选用，大都以ml和mk来简单确定，对天然气压缩机实际气体的分析缺乏-定的合理性。本文应用热力学基本原理结合现场测试结果，提出了- 种用于实际气体的多变指数计算方法，并通过实例计算，说明了该方法具有-定的精度，适用于实际工程计算。

2 压缩机工作过程中多变指数的意义天然气压缩机在实际工作的过程中，气体压设计研究缩与膨胀过程气体温度与缸壁之间时刻存在着能量交换，在膨胀开始阶段是放热膨胀，膨胀过程指数m> ；随着膨胀的进行气体温度逐渐降低，到了后期成为吸热膨胀m < ，-般情况下吸热膨胀是主要的。压缩过程的开始阶段是吸热压缩，压缩过程指数m>k；后期为放热压缩m

压缩机的过程指数反映压缩机压缩气体的实际工作状态，等温压缩做功最小，绝热压缩耗功最大，压缩机缸内天然气的多变指数的变化随压缩机组能耗的变化而变化，故压缩机多变指数的变化标识着压缩机能耗的经济性，影响着机组实际压缩过程和能耗效率。对于长期连续运转的大中型工艺流程用压缩机，在保证机器运转可靠的前提下，机器的经济性是-个很重要的问题，即如何在-定的能耗下取得最大排气量或者在-定的排气量下使能耗为最小，始终是企业最为关心的问题[3]。

压缩机指示功率及效率：对于多级压缩机而言，每级压缩的指示功率为6 音 - ] (1)式中 pj --鳓级压缩机天然气进气压力，MPapj --第 级压缩机天然气出口压力，MPaqJ、广--～进气条件下压缩机排量，m3/minzj ， --分别为吸气、排气条件下的气体压缩因子，计算方法见GB/I'17747- 第7级的天然气绝热指数多级压缩机总指示功率为各级指示功率之和。

往复压缩机第 级效率r/j为f- 、 ri ]- l《pj2 1 -1 lx100% (2)2- lpjl/ J式中 --第，级压缩机天然气进口温度，K天然气压缩机多变指数不仅表征着天然气实际压缩过程的状态，而且也标识着压缩机组的能耗和效率，对多变指数分析并找出与能耗之间变化规律，调节压缩机组以达到降低能耗提高效率的目的就成为工业生产上的重要问题[41。

3 影响压缩机压缩过程中多变指数的因素往复式天然气压缩机在压缩天然气的过程中08i 瓣 ：有膨胀、吸气、压缩和排气4个过程，压缩气体产生的热量-般是通过水冷和风冷来冷却，随着工作时间的延续，热交换量逐渐减少并趋于稳定，所以气体在压缩缸内是-个较接近绝热过程的多变过程。天然气在压缩过程中，压力和温度是影响多变指数的主要因素，但天然气是由互不发生反应的多种单-组分组成的混合物，各单-组分的热物性参数不同，不同组分含量也会造成多变指数发生变化，因此混合气体的组分是影响多变指数的另-因素[51。

若压缩机-旦压缩工质-定，影响压缩机压缩天然气多变指数就只有压力和温度 2个因素，为满足工作需要保证-定的排气压力需求，调节多变指数就只有改变温度参数。影响气体温度因素有： (1)气体与缸壁之间的热交换效率，这主要撒于缸壁的构造、采取的冷却方式及冷却介质流动速度； (2)气体压缩过程中所经历的时间，这撒于气体压力增加的速率[61。包括工质不同，转速不同、进排气压力等因素的影响。故可改进压缩气体冷却循环方式，调节压缩过程的多变指数，减少压缩机组能耗消耗提高利用效率。

4 气体多变指数m的确定压缩机实际压缩过程的多变指数的计算是压缩机设计、复算及对气体力分析等的必要过程，对压缩天然气多变过程指数的确定也有不少研究，对于不同的气体、不同的状态其值也是不同的。

对于理想气体来说，绝热指数与气体的种类、所受压力、温度有关，-般地说，单原子气体的绝热指数k为 1.66，双原子气体的绝热指数k为 1.41。

对于实际气体，理论分析时可采用 RKS状态方程或BWRS方程组联立求解f7J，但计算方程较多误差不可避免。笔者主要结合压缩气体气质分析及相关计算获得压缩过程中多变指数，并达到工程应用的要求。

4.1 实际气体多变指数确定在实际的压缩过程中，有些状态参数时刻都有显著的变化，而且与外界热量的交换也不能忽略，但这些状态参数的变化特征比较接近指数方程式p C或 C的变化，这个多变过程中m为多变指数I81。本文结合现场气质测试分析找出-种2013年03期(总第239期)设计研究能确定具体计算压缩机压缩气体的多变指数的方法，在有关压缩机压力及能耗计算中方便的应用。

实际天然气压缩多变指数要比理想气体多变指数复杂的多，不仅与温度、压力有关，也与气质组分有关，在计算天然气多变指数时先对压缩天然气进行气质组分分析，确定各组分百分比。

认为该多变指数为压缩机运行-段时间之后压缩气体与缸壁热交换达到稳定值并且压缩和膨胀过程时间瞬间完成。

计算天然气的定压比热、定容比热CpACpc0p (3)CvCp-△c (4)式中 c 天然气在基准压力下的定压比热容，kJ/(kgoC)△c - 真实气体比热容校正值 ，可从 SY/T6637-2005附录B真实气体比热容校正图中查取△ - 真实气体比热容校正值，可从 SY/T6637-2005附录C真实气体比热容校正图中查取其中△c。、△c的值根据气体各组分对比态原理在标准图中查取，确定天然气当量对比压力P 和当量对比温度 需知道该工况下压缩气体出口压力p2和出口温度 。

天然气当量对比压力P 和当量对比温度 可根据每种气体各自固有的临界状态参数临界压力P 和临界温度 计算I91p r (5)Pc xipd，.r 1 2击 (6) 1c ici式中 P 。--天然气当量对比压力p 天然气当量临界压力，MPa- - 天然气当量对比温度，Kc-- 天然气当量临界温度，K- - 天然气各组分摩尔百分比，%p --天然气各组分临界压力，MPa- - 天然气各组分临界温度，K天然气各组分临界压力、各组分临界温度 (从SY/T6637-2005附录A查出)。

基准压力 (20oC，绝对压力 101.3 kPa)下定-2013年03期(总第239期)压比热容co--1.687(1-0.001/'2) (7)- I ， J、/式中 --第f级压缩机天然气出口温度，℃- - 天然气相对密度天然气相对密度s。计算sc xjx ㈥式中 --组分 的摩尔质量帆 --标准组成的干空气摩尔质量 ，取28.9626 kg/kmol压缩天然气该工况下的多变指数mm ： -c p： (9)c cac。-△c -式中 c 天然气的定压比热容，kJ/(kg·oC)c --天然气的定容比热容，kJ/(kg·℃)天然气在压缩过程中的多变指数m与天然气组分、进排气温度、进排气压力及气体与缸壁间热交换等因素有关，该值并不等于实际气体的绝热过程指数。

4.2 计算实例(1)已知某增压站压缩机为-级压缩，其吸气压力P1为 1.18 MPa，排气压力P2为 2.59 MPa，吸气温度t。为 26C，排气温度t 为 92C，处理量q为9323 m3/h(标)，天然气气质组分见表 1。

表 1 天然气各组分摩尔百分数天然气组分 tool% 天然气组分 mol%甲烷 97.46 正戊烷 O.0o7乙烷 1.23 己烷以上 0.O2丙烷 O.16 二氧化碳 0.73异丁烷 0.O31 氮气 O.27正丁烷 0.023 氦气 O.O11异戊烷 0.011 氢气 0.004由上述方法计算结果见表 2：表2 某增压站工况条件下多变指数及效率计算结果工况 Cp，0 Cp C m (kW) 田天然气压缩 2.43 2.54 1.96 1.3025 245.7701 0.9079(2)若该增压站气质组分不变，进气压力P为 1.18 MPa，排气压力P 为 2.59 MPa，吸气温度设计研究t-为 26C，处理量g为 9323 m3/h(标)不变时，通过改变冷却条件等方法改变排气温度，见表 3。

表 3 该工况下天然气多变指数、指示功率及效率随排气温度变化工况 P p2 Ⅳn 叼(MPa) (℃) (MPa) (℃) (kW) (%)1 1.18 26 2.59 1O8 1.275O 244.1269 0.67412 1.18 26 2.59 106 1.2799 244.4223 0.70133 1.18 26 2.59 1舛 1.2862 244.8013 0.73314 1.18 26 2.59 102 1 2927 245.1898 0.76685 1.18 26 2.59 l0o 1.2995 245.5926 0.80306 1.18 26 2.59 98 13o2 245.6362 O.827O7 1.18 26 2.59 96 1.3010 2456800 0.85248 1.18 26 2.59 94 l3017 245.7239 0.87939 1.18 26 2.59 92 1.3025 245.7701 0.907910 1.18 26 2.59 90 1.3031 245.8033 0.93791l 1.18 26 2.59 88 1.3037 245.8410 0.9697以上结果可以看出，其它条件不变时，通过改变冷却条件来改变天然气排气温度，排气温度降低时，多变指数升高，压缩机指示功率增加，机组效率也增加。

为 1.18 MPa，吸气温度t。为 26C，排气温度t：为92cIC，处理量q为9323 m。/h(标)不变时，通过改变冷却条件及排气阀出口压力等措施使得排气压力发生变化，见表 4。

以上结果可以看出，其它条件不变时，通过改变冷却条件及排气阀出口压力来改变天然气排表 4 该工况下天然气多变指数、指示功率及效率随排气压力变化工况 pI P2 Ⅳn 卵(MPa) (℃) (MPa) (℃) ，n (%) (kW)1 1.18 26 1.69 92 1.2818 1o6.5101 0.37242 1.18 26 1.79 92 1.2834 124.3754 0.43683 1.18 26 189 92 1.2861 141.5174 O.50o84 1.18 26 1.99 92 1.2888 157.9956 0.56325 1.18 26 2.O9 92 1.29l6 173.8732 0.62446 1.18 26 2.19 92 1.2943 189.2046 0.68447 1.18 26 2.29 92 1.2974 204.O48l 0.74398 1.18 26 2.39 92 1.2998 218.41 19 0.80139 1.18 26 2.49 92 1.3023 232.3524 0.8579lO 1.18 26 2.59 92 1.3025 245.7701 0.907911 1.18 26 2.69 92 1.3059 259.oo16 O.9649气压力时，当排气压力增加时，多变指数增加，压缩机指示功率增加，机组效率也随着提高。

由以上分析得知：压缩机组确定后，井站压缩天然气组分-定的情况下，可以通过改善机组冷却条件可调节排气压力和排气温度，以及冷却水循环速率等措施改变压缩机运行工况，选择合适的气体多变指数，减少压缩机组能耗消耗，提高机组利用效率。

5 结论通过对压缩天然气多变指数的具体计算对压缩机设计、分析及气体力计算等都是-个必要的过程，其计算更加接近真实，分析更加准确，对提高压缩机设计技术水平具有重要意义。多变指数标识着压缩机组能耗效率，反映着压缩机组的冷却效果和天然气压缩过程的变化规律。压缩机的转速越高，压缩及膨胀过程时间越短暂，气体与缸壁之间热交换越趋于稳定，经历较长时间的工作之后机组工作状态越接近于绝热过程。在压缩天然气组分相同时，气体多变指数与工作温度和压力都有关系，通过改变冷却方式及排气阀压力等改变排气温度和压力，以提高机组能耗效率。