第二部分液壓壓縮機與傳統(tǒng)壓縮機、液壓平推設(shè)備系統(tǒng)的比較
 

  天然氣子站工藝設(shè)備的核心部分是壓縮機。壓縮機主要分為三種類型：傳統(tǒng)機械式壓縮機、液壓平推式子站設(shè)備系統(tǒng)、液壓活塞式壓縮機。這三種設(shè)備在加氣子站中均能起到增壓作用，但是由于其工作原理及結(jié)構(gòu)形式的差異，它們在加氣站中工藝流程有較大的不同，給加氣站經(jīng)營方帶來的使用性、經(jīng)濟性有較大差異。其中，液壓活塞式壓縮機在國內(nèi)誕生較晚，目前使用數(shù)量較少，機械式壓縮機在子站中使用較早，使用量較多。但是由于液壓活塞式壓縮機是專門針對子站工況特點設(shè)計，其工藝流程的適應(yīng)性強，使用效能佳。

  一、傳統(tǒng)機械式子站壓縮機
  其傳動模式是：電機帶動曲軸旋轉(zhuǎn)，通過連桿、十字頭、活塞桿，帶動活塞在氣缸內(nèi)作往復(fù)運動，實現(xiàn)氣體的壓縮過程，實現(xiàn)增壓目的。如下圖：
 

  特點：
  （1）技術(shù)成熟。國內(nèi)外機械式壓縮機有上百年的發(fā)展歷史。
  （2）氣缸內(nèi)余隙較大，壓縮氣體溫度較高、壓縮效率較低。
  （3）泄漏量大。曲柄帶動活塞高速運轉(zhuǎn)，在氣缸設(shè)計中填料、活塞環(huán)是必要部件，且都有間隙，天然氣泄漏不可避免。其中，活塞環(huán)泄漏是內(nèi)泄漏，填料泄漏是外泄漏（目前，填料氣體收集成本相當(dāng)高，國內(nèi)外都沒有采用），而且泄漏率會越來越大。一般國內(nèi)暫新壓縮機的泄漏率約0.65%，其后在1%-3%；
  （4）能耗較大。選用電機功率較大（75kW或90kW），啟動電流也大。因此不能頻繁啟動。下圖是槽車壓力與軸功率和排氣溫度曲線。從圖線可以看出，槽車壓力在10MPa時，功率較大，其它壓力段的無功損耗較多，并且，為了保證電機在空負荷下啟動，在停機時要將氣缸及管線內(nèi)的氣體放空。

  （5）維護費用高。易損件多、互換性較差。由于來回高速摩擦，活塞環(huán)、支撐環(huán)、連桿瓦、填料等都是易損件。這種易損件各生產(chǎn)廠家都不能互換，買了這種設(shè)備，往往需依賴其提供配件。
  （6）噪聲大。機組振動大、運轉(zhuǎn)噪音高。在高速運轉(zhuǎn)過程中，各運動部件都有間隙（不然是不能運動的）。氣閥的高頻率啟閉，都會產(chǎn)生撞擊聲，裸機噪聲大多在90分貝以上。
  （7）其工藝流程中必需設(shè)置較大規(guī)格的儲氣裝置。

  二、液壓平推子站設(shè)備系統(tǒng)
  液壓平推設(shè)備系統(tǒng)工藝的CNG加氣子站，由專用槽車、液壓工作橇、售氣機等組成。其工作原理是：液壓工作橇提供高壓油，通過一系列控制閥逐次注入專用槽車的每只長管鋼瓶內(nèi)，將長管鋼瓶內(nèi)的天然氣以20MPa的恒定壓力推出來，從而通過售氣機給汽車加氣。如下圖：左邊是專用槽車，右邊是液壓工作撬。
 

  特點：
  （1）節(jié)能效果較好。選用電機功率一般為30kW或60kW。但液壓系工作壓力較高，不低于20MPa。
  （2）簡化加氣站流程。加氣站設(shè)備只需槽車和液壓工作撬系統(tǒng)、售氣機即可。占地面積小。單線加氣。由于沒有儲氣設(shè)備，不能多線加氣。
  （3）使用專用槽車，與普通槽車不能通用。
  （4）液壓油中含有專用添加劑，揮發(fā)量較大,購買成本較高。通常高壓天然氣與高壓油的相互滲透量還是較大的，如果不是與天然氣不相溶的專用液壓油，排出的天然氣含油量會很大，將直接影響下游設(shè)備和CNG汽車的正常運行。
  （5）槽車的每支鋼瓶內(nèi)天然氣通過液壓油推出以后總有一定的剩余量，在回油過程中通過放空口向大氣放散，造成損耗及環(huán)境污染。天然氣泄漏率在1%左右。
  （6）排氣壓力不超過20Mpa,容易造成下游供氣不足的情況。
  （7）排氣量恒定，適應(yīng)性較差。其排氣量由液壓油泵的排量決定，進多少油才能排多少氣。油泵的排量是恒定的，因而排出的氣體量也是恒定的，所以適應(yīng)加氣高低峰能力較差。
  （8）由于天然氣出口沒有冷卻，其排出的氣體溫度相對要高一些。
  （9）一次性投資成本高。

  三、立式液壓壓縮機（立式氣缸）
  結(jié)構(gòu)原理：工字形活塞桿將上面氣缸分隔為A、B兩個腔，將下面氣缸分隔為C、D兩個腔，如上圖：
  工藝流程：
  ①液壓站輸出的高壓油進入C腔，B腔的油回油箱（近似認為回油箱的油壓力為0），活塞桿向下運動，槽車內(nèi)氣體進入A腔（一級進氣），而D腔的氣體則經(jīng)壓縮后流出（一級壓縮），進入冷卻器，完成一級壓縮過程；當(dāng)活塞運行到極點時，液壓站換向閥將會換向，輸出的高壓油進入B腔，C腔的油回油箱，活塞桿向上運動，槽車內(nèi)氣體進入D腔（一級進氣），而A腔的氣體則經(jīng)壓縮后流出（一級壓縮），進入冷卻器，完成一級壓縮過程。
  ②當(dāng)兩個這樣的氣缸串聯(lián)時，就構(gòu)成了兩級壓縮。
  特點：節(jié)能效果好。一般選用22kW雙電機，進氣高時為單電機工作，低時為雙電機工作。下圖是槽車壓力各壓力點的排量與功率曲線：
 

  立式液壓壓縮機結(jié)構(gòu)簡單。氣缸和油缸雙缸一體結(jié)構(gòu)，液壓油每運行一個行程，都會將氣缸壁冷卻一次，因此氣體和氣缸壁的溫度較低，不需水套缸冷卻；一組氣缸只有一級壓縮，要想兩級壓縮需用兩組氣缸；軸向尺寸相對較短（僅大于兩倍行程），可以立式安裝；各支承環(huán)和液壓活塞環(huán)不存在偏磨現(xiàn)象。
  （1）油泵工作壓力較低。經(jīng)過受力分析，所需油壓=（排氣壓力-進氣壓力）/2；額定壓力為31MPa的油泵工作范圍始終在16MPa以下。
  （2）噪聲低。實測噪聲不高于70分貝。
  （3）天然氣幾乎無泄露量。設(shè)計上回避了填料等結(jié)構(gòu)設(shè)計，系統(tǒng)幾乎沒有泄露點。
  （4）耗油量極小。油附著在缸壁上形成極薄高分子油膜，使輸出氣體內(nèi)含極少量油。
  （5）易損件少。只有活塞環(huán)、O形圈等少量易損件。

  綜上所述，液壓活塞式壓縮機結(jié)構(gòu)簡單，流程適應(yīng)性強，節(jié)能性好，泄露量小，運行維護成本低，代表了子站壓縮機發(fā)展方向，是CNG加氣子站壓縮機首選設(shè)備，其次是機械式壓縮機，再次是液壓平推子站設(shè)備系統(tǒng)。其具體比較見表1、表2。

  表1：液壓活塞壓縮機（立式氣缸）與傳統(tǒng)壓縮機性能比較表：
 

  表2：液壓活塞壓縮機（立式氣缸）與液壓平推系統(tǒng)性能比較表：

第三部分立式與臥式液壓活塞式壓縮機的比較

  在國內(nèi)CNG汽車加氣領(lǐng)域，子站壓縮機經(jīng)歷了傳統(tǒng)機械式壓縮機和液壓平推子站系統(tǒng)后，出現(xiàn)了最新一代產(chǎn)品——液壓活塞式子站壓縮機。液壓活塞式子站壓縮機繼承吸取了前兩代壓縮機的優(yōu)點，同時克服了前兩代壓縮機的不足，較好的解決了現(xiàn)階段子站運行過程中存在的能耗過高、噪聲過大、泄露較大、油氣直接接觸、液壓油揮發(fā)量大等問題，促進和加快了CNG子站設(shè)備的技術(shù)進步和更新?lián)Q代。液壓活塞式子站壓縮機充分利用了槽車內(nèi)天然氣壓力能，具有節(jié)能環(huán)保、占地少、投資省、建站流程簡單、運轉(zhuǎn)成本低等優(yōu)點。液壓活塞式子站壓縮機在國內(nèi)的使用經(jīng)歷了從進口到國產(chǎn)的發(fā)展過程，因具有上述優(yōu)點在國內(nèi)CNG子站中得到了越來越多的使用（液壓活塞式子站壓縮機的大量使用代表了子站壓縮機的發(fā)展方向）。
  目前，液壓活塞式子站壓縮機國內(nèi)有代表性的主要生產(chǎn)廠商有武漢齊達康環(huán)?？萍加邢薰荆⑹剑┖颓鄭u綠科汽車燃氣開發(fā)有限公司等（臥式）。現(xiàn)將立式與臥式兩種液壓活塞式子站壓縮機從結(jié)構(gòu)原理、工藝流程、特點三個方面進行說明和比較。

  一、立式液壓壓縮機
  結(jié)構(gòu)原理：工字形活塞桿將上面氣缸分隔為A、B兩個腔，將下面氣缸分隔為C、D兩個腔，如下圖：

  工藝流程：
  1、液壓站輸出的高壓油進入C腔，B腔的油回油箱（近似認為回油箱的油壓力為0），活塞桿向下運動，槽車內(nèi)氣體進入A腔（一級進氣），而D腔的氣體則經(jīng)壓縮后流出（一級壓縮），進入冷卻器，完成一級壓縮過程；當(dāng)活塞運行到極點時，液壓站換向閥將會換向，輸出的高壓油進入B腔，C腔的油回油箱，活塞桿向上運動，槽車內(nèi)氣體進入D腔（一級進氣），而A腔的氣體則經(jīng)壓縮后流出（一級壓縮），進入冷卻器，完成一級壓縮過程。
  2、當(dāng)兩個這樣的氣缸串聯(lián)時，就構(gòu)成了兩級壓縮。

  特點：
  1.氣缸和油缸雙缸一體結(jié)構(gòu)，液壓油每運行一個行程，都會將氣缸壁冷卻一次，因此氣體和氣缸壁的溫度較低，不需水套缸冷卻；
  2.一組氣缸只有一級壓縮，要想兩級壓縮就用兩組氣缸；
  3.軸向尺寸相對較短，大于兩倍行程，可以立式安裝；
  4.各支承環(huán)和液壓活塞環(huán)不存在偏磨現(xiàn)象；
  5.油附著在缸壁上形成極薄油膜，使輸出氣體內(nèi)含極少量油；
  6.經(jīng)過受力分析，所需油壓=（排氣壓力-進氣壓力）/2；額定壓力為31MPa的油泵工作范圍始終在16MPa以下；
  7.當(dāng)密封件損壞時，天然氣會向液壓油中泄漏（受力分析可知：A腔氣壓總是大于B腔油壓、D腔氣壓總是大于C腔油壓），導(dǎo)致油泵聲音異常，易診斷。

  二、臥式液壓壓縮機

  結(jié)構(gòu)原理：中間一個油缸帶動兩邊的兩個氣缸，每個氣缸分為兩級壓縮。如下圖。

  工藝流程：
  1、活塞桿向右運動時，槽車內(nèi)氣體由A進入左邊氣缸的一級腔（一級進氣），而右邊一級腔的氣體則壓縮后經(jīng)B流出，進入冷卻器，完成一級壓縮過程；同時，冷卻后的氣體由G進入二級腔（二級進氣），左邊氣缸二級腔內(nèi)的氣體則壓縮后經(jīng)D流入二級冷卻器，然后排出。
  2、相反，活塞桿向左運動時，槽車內(nèi)氣體由E進入右邊氣缸的一級腔（一級進氣），而左邊一級腔的氣體則壓縮后經(jīng)F流出，進入冷卻器，完成一級壓縮過程；同時，冷卻后的氣體由C進入二級腔（二級進氣），右邊氣缸二級腔內(nèi)的氣體則壓縮后經(jīng)H流入二級冷卻器，然后排出。

  特點：
  1、氣體與液壓油是分開的，液壓油只能通過活塞桿上形成的油膜與氣體相溶，氣體含油量低；
  2、一組氣缸可滿足兩級壓縮；
  3、由于一組氣缸滿足兩級壓縮，則其活塞桿的桿徑必須較大（根據(jù)壓縮機原理，如果活塞桿的桿徑較小，則相當(dāng)于一級雙作用壓縮，而不是兩級壓縮），因此活塞桿的重量較大，各支承環(huán)和液壓活塞環(huán)存在偏磨現(xiàn)象；
  4、氣體溫度較高，最高可達160℃。氣缸散熱較差，為保證壓縮效率和密封件壽命，需要增加水套缸，用水冷卻氣缸，使出口氣體溫度保持在135℃以下；
  5、軸線尺寸長，至少有三倍行程的長度，臥式安裝較為合理；
  6、經(jīng)過受力分析，所需油壓=排氣壓力-進氣壓力，額定壓力為31MPa的油泵工作范圍始終在27MPa以上；
  7、當(dāng)密封件損壞時，天然氣會向空氣中泄漏，不易察覺和診斷。

  三、立式和臥式液壓活塞壓縮機綜合比較