【壓縮機網】1、引言
目前，在我國天然氣行業，用于天然氣加氣站的壓縮機主要是曲柄連桿往復活塞壓縮機（以下簡稱機械壓縮機）。近年來先后出現了液壓平推子站加氣系統、往復液壓活塞子站壓縮機（以下簡稱液壓子站壓縮機），部分廠家正在研發往復液壓活塞標準站、母站壓縮機。其中液壓活塞子站壓縮機市場發展較為迅速，為準確把握未來市場動態，需要對機械壓縮機與液壓壓縮機進行對比分析。
2、原理及特點
2.1 機械壓縮機原理及特點
機械壓縮機工作原理簡單，電動機直接通過曲柄連桿機構進行活塞的往復直線運動實現天然氣的壓縮。
壓縮比的大小是判定所需功率的重要因素。進排氣壓力差越小，電機所需功率就越小，反之電機功率就越大。對于CNG天然氣壓縮機，可以根據進、排氣壓力的大小來合理地確定合適的壓力比，以確保壓縮機始終在最佳的工況下運行。壓縮機的容積流量由氣缸直徑、行程、轉速確定。機械壓縮機的能耗主要體現在壓縮氣體必須消耗的指示功、電機的效率、氣體流動損失、填料活塞環的摩擦功耗等。機械壓縮機有很多優點：適應范圍廣；排氣量調節靈活；壓力比可根據進排氣壓力差自我調節。
2.2液壓壓縮機原理及特點
液壓壓縮機每一行程開始時，一端由于壓縮終了后氣缸內存在帶壓氣體，帶壓氣體膨脹推動活塞對另一端氣體進行壓縮，此時油泵油壓僅為管路壓力損失壓力，平衡后油壓不斷升高推動活塞運動對另一端氣體進行壓縮，當氣缸內壓力達到排氣壓力時，氣體排出氣缸，氣體壓力及油壓保持不變直到換向位置，換向后重復開始下一行程，由此可以看出每一行程油壓總是從最低逐漸達到最大值后，保持到壓縮終了，故油泵電機電流是從最低逐漸達到最大值后，保持到壓縮終了。
對液壓壓縮機而言，進排氣壓力差越小，所需油壓越低，電機所需功率就越小，在排氣壓力一定的情況下，進氣壓力為最大時，電機所需功率為最??；進氣壓力為最小時，電機所需功率為最大。每個氣缸的容積流量等于所需液壓油油量。液壓壓縮機的能耗主要體現在推動活塞實現對氣體壓縮所必須的功耗、電機的效率、氣體流動損失、密封環摩擦功耗、液壓泵及液壓元件內泄漏功耗及液體流動損失。
因液壓原理及液壓件重量限制，液壓壓縮機僅適合小排量、小功率、較高進氣壓力。
3、機械壓縮機和液壓壓縮機在天然氣加氣站標準站中的使用分析
標準站壓縮機進氣壓力低（一般不大于1.0MPa），實際工作排氣壓力18～25MPa，容積流量大（一般大于1.5～5.0m3／min），壓縮級數多（一般為3～5級），如使用液壓壓縮機根據其原理可知其使用正好落在進排氣壓力差大區間工作，故所需電機功率大，且由于容積流量大，壓縮級數的增多，油泵的流量必然增大。進氣壓力0.3MPa，容積流量3.0m3／min為例，采用4級等壓比壓縮，油泵流量必須大于4.58m3／min，是75kW液壓子站壓縮機油泵最大流量0.36m3／min的12倍，雖然可采用配置2臺泵或3合泵（一臺低中壓大流量泵，一臺高壓小流量泵或2臺低中壓大流量泵，一臺高壓小流量泵）來降低成本和減小液壓元件外形尺寸及重量，但液壓元件會依然龐大，液壓系統復雜，成本大幅提高，能耗會明顯大于機械壓縮機，占地面積大大增加。
如上所述機械標準站壓縮機由于其始終處于高壓差狀態工作，且油泵流量大，液壓壓縮機不會具有優勢。
作者計算容積流量為1m3、進氣壓力為2～20MPa范圍內的天然氣，其進氣溫度為25℃，排氣壓力為20MPa，根據機械壓縮機和液壓壓縮機功耗的計算公式，當采用機械壓縮機時的平均功耗為16.8MJ，而采用液壓壓縮機工作時所消耗的功耗為20MJ，由此可見機械壓縮機的平均功耗較液壓壓縮機的功耗小19％。
4、機械壓縮機和液壓壓縮機在天然氣加氣站母站中的使用分析
母站壓縮機進氣壓力較低（一般不大于2.0MPa），實際工作排氣壓力3.0—20MPa，容積流量大（一般大于2.0m3／min），壓縮級數多（一般為3—5級），如使用液壓壓縮機根據其原理可知在拖車初始充氣時，氣瓶內壓力為泄氣后壓力（一般為3.0MPa），此時進氣壓力與排氣壓力的差值很小。充分利用液壓機的特點采用一級工作，此時油泵所需功率最小，能耗會明顯小于機械壓縮機（可像液壓子站壓縮機一樣配置雙泵或多泵，此時單臺開機以節能）。隨著充氣的不斷進行，氣瓶內壓力會逐漸升高，油泵所需功率亦會逐漸增大。當排氣壓力達到某一設定值時可實時切換到多級壓縮，當切換到3級及以上壓縮時（末級排氣壓力約為10MPa），液壓壓縮機能耗會大于機械壓縮機。隨著排氣壓力的繼續升高，能耗差值亦繼續加大。
母站壓縮機由于要求排氣量大，電機功率一般大于250kW，雖然可采用配置2臺泵或3臺泵以減小單臺電機功率，但電機總功率不會改變。此時由其工作原理決定的電流反復大幅度波動，對電網和電機的沖擊會達到不容忽視的程度。母站壓縮機的容積流量，壓縮級數特點同標準站壓縮機一樣，故其結構方面的理由分析同標準站壓縮機。
如上所述機械母站壓縮機只要在進氣壓力小于4.0MPa，液壓壓縮機不會有優勢，至于進氣壓力大于4.0MPa母站壓縮機，液壓壓縮機是否具有優勢應根據其實際進氣壓力和排氣量大小綜合評判。這一點，已通過我公司生產的“M型CNG汽車加氣站用天然氣壓縮機”系列產品在市場運用中得到了充分的驗證。
5、機械壓縮機和液壓壓縮機在天然氣加氣
站子站中的使用分析子站壓縮機進氣壓力較高（3.0～20MPa），實際工作排氣壓力18.25MPa，容積流量較?。ㄒ话阈∮?.5m3／min），壓縮級數少（一般為l～2級），如使用液壓壓縮機根據其原理可知在拖車初始泄氣時，氣瓶內壓力為充氣后壓力（—般Y吼20.0MPa）。此時進氣壓力與排氣壓力的差值很小，充分利用液壓機的特點采用一級工作，此時油泵所需功率最小，能耗會明顯小于機械壓縮機（液壓子站壓縮機一般配置雙泵，此時單臺開機以節能，同時氣量亦可保證。機械壓縮機的能耗高主要在于電機負荷非常小，氣體流動損失、摩擦功耗稍大），隨著泄氣的不斷進行，氣瓶內壓力會逐漸降低，油泵所需功率亦會逐漸增大。當進氣壓力達到某一設定值時可實時切換到2級壓縮，當進氣壓力降低到某一值（一般約為8MPa左右），液壓壓縮機能耗與機械壓縮機基本一致。隨著進氣壓力的繼續降低，兩者的能耗差值出現并逐漸加大。
根據2012年及本年度調研情況，對液壓子站壓縮機與機械子站壓縮機對比分析如下：
(1) 液壓子站壓縮機平均排氣量大于定頻機械壓縮機，小于變頻機械式壓縮機(電機總功率75kW調研結果液壓子站壓縮機實際平均排氣量約1400Nm3／h，最低進氣壓力3.5MPa；定頻機械子站壓縮機理論平均排氣量1200Nm3／h最低進氣壓力3MPa；變頻機械子站壓縮機實際平均排氣量大于1 800Nm3／h最低進氣壓力3MPa)。
(2) 變頻機械壓縮機能耗低于液壓子站壓縮機；根據電機總功率75kW調研結果液壓子站壓縮機其純站電耗成本0.06元／Nm3（運行3800多小時平均整站電耗成本，最低進氣壓力3.5MPa），另一變頻機械壓縮機和液壓子站壓縮機各一臺加氣站其整站電耗成本約0.05元/Nm3多一點，另一定頻機械壓縮機加氣站其電耗成本約0.065元／Nm3（是否整站電耗不詳）。
(3) 液壓子站壓縮機噪聲?。〒Q向沖擊聲除外）。
(4) 液壓子站壓縮機生產成本低、維護方便，更換小件便利；大修一般僅為更換機械等運動部件的密封件（本次調研用戶液壓子站已運行3800多小時僅更換2根溢流閥彈簧）。
(5) 液壓子站壓縮機活塞一端封氣，一端封油，而無刮油機構，故存在壓縮氣體含油量大風險。
(6) 液壓子站壓縮機外泄漏小，正常工作時由于其沒有往復壓縮機的填料、機械環，因此沒有從填料、活塞環處氣體泄漏；但如果活塞密封環泄漏，會馬上產生油氣竄通，機組無法工作而停產。
(7) 液壓子站壓縮機對基礎要求不高。
(8) 液壓式壓縮機液壓系統對雜質的敏感高，雜質會引發液壓件的快速磨損和失效，功耗增大，產氣量下降，更換油泵、液壓元件成本高。
(9) 液壓子站壓縮機電流反復大幅度波動，對電網、電機有沖擊。
液壓壓縮機的每一行程，電機電流變動范圍遠遠超出小于66％的波動要求，破壞了電網和電機的正常運行。電機負荷在低于70％時電機效率、功率因素嚴重下降，功耗增加，且每一行程存在電機能力未能充分利用，排氣量較小。變頻機械壓縮機由于能自動通過轉速調節，使壓縮機始終保持在滿功率狀態下工作，電機效率、功率因素均處于最佳狀態，功耗最低，平均排氣量大。
6、結論
如上所述，從功耗、壓縮機的運行安全性等方面分析，機械子站壓縮機如與液壓子站壓縮機競爭，應推薦采用變頻機組，特別是90 kW，同時應通過改進或提高制造精度進一步達到減小占地面積、減小振動和噪聲、降低生產成本，以加大機械子站壓縮機競爭優勢。
參考文獻
[1] 劉純華. 液壓活塞式壓縮機液壓系統的動態性能分析及優化改進[D]. 廣東海洋大學,2016.
目前，在我國天然氣行業，用于天然氣加氣站的壓縮機主要是曲柄連桿往復活塞壓縮機（以下簡稱機械壓縮機）。近年來先后出現了液壓平推子站加氣系統、往復液壓活塞子站壓縮機（以下簡稱液壓子站壓縮機），部分廠家正在研發往復液壓活塞標準站、母站壓縮機。其中液壓活塞子站壓縮機市場發展較為迅速，為準確把握未來市場動態，需要對機械壓縮機與液壓壓縮機進行對比分析。
2、原理及特點
2.1 機械壓縮機原理及特點
機械壓縮機工作原理簡單，電動機直接通過曲柄連桿機構進行活塞的往復直線運動實現天然氣的壓縮。
壓縮比的大小是判定所需功率的重要因素。進排氣壓力差越小，電機所需功率就越小，反之電機功率就越大。對于CNG天然氣壓縮機，可以根據進、排氣壓力的大小來合理地確定合適的壓力比，以確保壓縮機始終在最佳的工況下運行。壓縮機的容積流量由氣缸直徑、行程、轉速確定。機械壓縮機的能耗主要體現在壓縮氣體必須消耗的指示功、電機的效率、氣體流動損失、填料活塞環的摩擦功耗等。機械壓縮機有很多優點：適應范圍廣；排氣量調節靈活；壓力比可根據進排氣壓力差自我調節。
2.2液壓壓縮機原理及特點
液壓壓縮機每一行程開始時，一端由于壓縮終了后氣缸內存在帶壓氣體，帶壓氣體膨脹推動活塞對另一端氣體進行壓縮，此時油泵油壓僅為管路壓力損失壓力，平衡后油壓不斷升高推動活塞運動對另一端氣體進行壓縮，當氣缸內壓力達到排氣壓力時，氣體排出氣缸，氣體壓力及油壓保持不變直到換向位置，換向后重復開始下一行程，由此可以看出每一行程油壓總是從最低逐漸達到最大值后，保持到壓縮終了，故油泵電機電流是從最低逐漸達到最大值后，保持到壓縮終了。
對液壓壓縮機而言，進排氣壓力差越小，所需油壓越低，電機所需功率就越小，在排氣壓力一定的情況下，進氣壓力為最大時，電機所需功率為最??；進氣壓力為最小時，電機所需功率為最大。每個氣缸的容積流量等于所需液壓油油量。液壓壓縮機的能耗主要體現在推動活塞實現對氣體壓縮所必須的功耗、電機的效率、氣體流動損失、密封環摩擦功耗、液壓泵及液壓元件內泄漏功耗及液體流動損失。
因液壓原理及液壓件重量限制，液壓壓縮機僅適合小排量、小功率、較高進氣壓力。
3、機械壓縮機和液壓壓縮機在天然氣加氣站標準站中的使用分析
標準站壓縮機進氣壓力低（一般不大于1.0MPa），實際工作排氣壓力18～25MPa，容積流量大（一般大于1.5～5.0m3／min），壓縮級數多（一般為3～5級），如使用液壓壓縮機根據其原理可知其使用正好落在進排氣壓力差大區間工作，故所需電機功率大，且由于容積流量大，壓縮級數的增多，油泵的流量必然增大。進氣壓力0.3MPa，容積流量3.0m3／min為例，采用4級等壓比壓縮，油泵流量必須大于4.58m3／min，是75kW液壓子站壓縮機油泵最大流量0.36m3／min的12倍，雖然可采用配置2臺泵或3合泵（一臺低中壓大流量泵，一臺高壓小流量泵或2臺低中壓大流量泵，一臺高壓小流量泵）來降低成本和減小液壓元件外形尺寸及重量，但液壓元件會依然龐大，液壓系統復雜，成本大幅提高，能耗會明顯大于機械壓縮機，占地面積大大增加。
如上所述機械標準站壓縮機由于其始終處于高壓差狀態工作，且油泵流量大，液壓壓縮機不會具有優勢。
作者計算容積流量為1m3、進氣壓力為2～20MPa范圍內的天然氣，其進氣溫度為25℃，排氣壓力為20MPa，根據機械壓縮機和液壓壓縮機功耗的計算公式，當采用機械壓縮機時的平均功耗為16.8MJ，而采用液壓壓縮機工作時所消耗的功耗為20MJ，由此可見機械壓縮機的平均功耗較液壓壓縮機的功耗小19％。
4、機械壓縮機和液壓壓縮機在天然氣加氣站母站中的使用分析
母站壓縮機進氣壓力較低（一般不大于2.0MPa），實際工作排氣壓力3.0—20MPa，容積流量大（一般大于2.0m3／min），壓縮級數多（一般為3—5級），如使用液壓壓縮機根據其原理可知在拖車初始充氣時，氣瓶內壓力為泄氣后壓力（一般為3.0MPa），此時進氣壓力與排氣壓力的差值很小。充分利用液壓機的特點采用一級工作，此時油泵所需功率最小，能耗會明顯小于機械壓縮機（可像液壓子站壓縮機一樣配置雙泵或多泵，此時單臺開機以節能）。隨著充氣的不斷進行，氣瓶內壓力會逐漸升高，油泵所需功率亦會逐漸增大。當排氣壓力達到某一設定值時可實時切換到多級壓縮，當切換到3級及以上壓縮時（末級排氣壓力約為10MPa），液壓壓縮機能耗會大于機械壓縮機。隨著排氣壓力的繼續升高，能耗差值亦繼續加大。
母站壓縮機由于要求排氣量大，電機功率一般大于250kW，雖然可采用配置2臺泵或3臺泵以減小單臺電機功率，但電機總功率不會改變。此時由其工作原理決定的電流反復大幅度波動，對電網和電機的沖擊會達到不容忽視的程度。母站壓縮機的容積流量，壓縮級數特點同標準站壓縮機一樣，故其結構方面的理由分析同標準站壓縮機。
如上所述機械母站壓縮機只要在進氣壓力小于4.0MPa，液壓壓縮機不會有優勢，至于進氣壓力大于4.0MPa母站壓縮機，液壓壓縮機是否具有優勢應根據其實際進氣壓力和排氣量大小綜合評判。這一點，已通過我公司生產的“M型CNG汽車加氣站用天然氣壓縮機”系列產品在市場運用中得到了充分的驗證。
5、機械壓縮機和液壓壓縮機在天然氣加氣
站子站中的使用分析子站壓縮機進氣壓力較高（3.0～20MPa），實際工作排氣壓力18.25MPa，容積流量較?。ㄒ话阈∮?.5m3／min），壓縮級數少（一般為l～2級），如使用液壓壓縮機根據其原理可知在拖車初始泄氣時，氣瓶內壓力為充氣后壓力（—般Y吼20.0MPa）。此時進氣壓力與排氣壓力的差值很小，充分利用液壓機的特點采用一級工作，此時油泵所需功率最小，能耗會明顯小于機械壓縮機（液壓子站壓縮機一般配置雙泵，此時單臺開機以節能，同時氣量亦可保證。機械壓縮機的能耗高主要在于電機負荷非常小，氣體流動損失、摩擦功耗稍大），隨著泄氣的不斷進行，氣瓶內壓力會逐漸降低，油泵所需功率亦會逐漸增大。當進氣壓力達到某一設定值時可實時切換到2級壓縮，當進氣壓力降低到某一值（一般約為8MPa左右），液壓壓縮機能耗與機械壓縮機基本一致。隨著進氣壓力的繼續降低，兩者的能耗差值出現并逐漸加大。
根據2012年及本年度調研情況，對液壓子站壓縮機與機械子站壓縮機對比分析如下：
(1) 液壓子站壓縮機平均排氣量大于定頻機械壓縮機，小于變頻機械式壓縮機(電機總功率75kW調研結果液壓子站壓縮機實際平均排氣量約1400Nm3／h，最低進氣壓力3.5MPa；定頻機械子站壓縮機理論平均排氣量1200Nm3／h最低進氣壓力3MPa；變頻機械子站壓縮機實際平均排氣量大于1 800Nm3／h最低進氣壓力3MPa)。
(2) 變頻機械壓縮機能耗低于液壓子站壓縮機；根據電機總功率75kW調研結果液壓子站壓縮機其純站電耗成本0.06元／Nm3（運行3800多小時平均整站電耗成本，最低進氣壓力3.5MPa），另一變頻機械壓縮機和液壓子站壓縮機各一臺加氣站其整站電耗成本約0.05元/Nm3多一點，另一定頻機械壓縮機加氣站其電耗成本約0.065元／Nm3（是否整站電耗不詳）。
(3) 液壓子站壓縮機噪聲?。〒Q向沖擊聲除外）。
(4) 液壓子站壓縮機生產成本低、維護方便，更換小件便利；大修一般僅為更換機械等運動部件的密封件（本次調研用戶液壓子站已運行3800多小時僅更換2根溢流閥彈簧）。
(5) 液壓子站壓縮機活塞一端封氣，一端封油，而無刮油機構，故存在壓縮氣體含油量大風險。
(6) 液壓子站壓縮機外泄漏小，正常工作時由于其沒有往復壓縮機的填料、機械環，因此沒有從填料、活塞環處氣體泄漏；但如果活塞密封環泄漏，會馬上產生油氣竄通，機組無法工作而停產。
(7) 液壓子站壓縮機對基礎要求不高。
(8) 液壓式壓縮機液壓系統對雜質的敏感高，雜質會引發液壓件的快速磨損和失效，功耗增大，產氣量下降，更換油泵、液壓元件成本高。
(9) 液壓子站壓縮機電流反復大幅度波動，對電網、電機有沖擊。
液壓壓縮機的每一行程，電機電流變動范圍遠遠超出小于66％的波動要求，破壞了電網和電機的正常運行。電機負荷在低于70％時電機效率、功率因素嚴重下降，功耗增加，且每一行程存在電機能力未能充分利用，排氣量較小。變頻機械壓縮機由于能自動通過轉速調節，使壓縮機始終保持在滿功率狀態下工作，電機效率、功率因素均處于最佳狀態，功耗最低，平均排氣量大。
6、結論
如上所述，從功耗、壓縮機的運行安全性等方面分析，機械子站壓縮機如與液壓子站壓縮機競爭，應推薦采用變頻機組，特別是90 kW，同時應通過改進或提高制造精度進一步達到減小占地面積、減小振動和噪聲、降低生產成本，以加大機械子站壓縮機競爭優勢。
參考文獻
[1] 劉純華. 液壓活塞式壓縮機液壓系統的動態性能分析及優化改進[D]. 廣東海洋大學,2016.
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