第二部分液壓壓縮機(jī)與傳統(tǒng)壓縮機(jī)、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(jī)。壓縮機(jī)主要分為三種類型：傳統(tǒng)機(jī)械式壓縮機(jī)、液壓平推式子站設(shè)備系統(tǒng)、液壓活塞式壓縮機(jī)。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?cè)诩託庹局泄に嚵鞒逃休^大的不同，給加氣站經(jīng)營(yíng)方帶來的使用性、經(jīng)濟(jì)性有較大差異。其中，液壓活塞式壓縮機(jī)在國內(nèi)誕生較晚，目前使用數(shù)量較少，機(jī)械式壓縮機(jī)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(jī)是專門針對(duì)子站工況特點(diǎn)設(shè)計(jì)，其工藝流程的適應(yīng)性強(qiáng)，使用效能佳。

  一、傳統(tǒng)機(jī)械式子站壓縮機(jī)
  其傳動(dòng)模式是：電機(jī)帶動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)，通過連桿、十字頭、活塞桿，帶動(dòng)活塞在氣缸內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)氣體的壓縮過程，實(shí)現(xiàn)增壓目的。如下圖：
 

  特點(diǎn)：
  （1）技術(shù)成熟。國內(nèi)外機(jī)械式壓縮機(jī)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(dòng)活塞高速運(yùn)轉(zhuǎn)，在氣缸設(shè)計(jì)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(huì)越來越大。一般國內(nèi)暫新壓縮機(jī)的泄漏率約0.65%，其后在1%-3%；
  （4）能耗較大。選用電機(jī)功率較大（75kW或90kW），啟動(dòng)電流也大。因此不能頻繁啟動(dòng)。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(shí)，功率較大，其它壓力段的無功損耗較多，并且，為了保證電機(jī)在空負(fù)荷下啟動(dòng)，在停機(jī)時(shí)要將氣缸及管線內(nèi)的氣體放空。

  （5）維護(hù)費(fèi)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(jī)組振動(dòng)大、運(yùn)轉(zhuǎn)噪音高。在高速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，各運(yùn)動(dòng)部件都有間隙（不然是不能運(yùn)動(dòng)的）。氣閥的高頻率啟閉，都會(huì)產(chǎn)生撞擊聲，裸機(jī)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(chǔ)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(jī)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(zhǎng)管鋼瓶?jī)?nèi)，將長(zhǎng)管鋼瓶?jī)?nèi)的天然氣以20MPa的恒定壓力推出來，從而通過售氣機(jī)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(diǎn)：
  （1）節(jié)能效果較好。選用電機(jī)功率一般為30kW或60kW。但液壓系工作壓力較高，不低于20MPa。
  （2）簡(jiǎn)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(jī)即可。占地面積小。單線加氣。由于沒有儲(chǔ)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(huì)很大，將直接影響下游設(shè)備和CNG汽車的正常運(yùn)行。
  （5）槽車的每支鋼瓶?jī)?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(jìn)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(duì)要高一些。
  （9）一次性投資成本高。

  三、立式液壓壓縮機(jī)（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(gè)腔，將下面氣缸分隔為C、D兩個(gè)腔，如上圖：
  工藝流程：
  ①液壓站輸出的高壓油進(jìn)入C腔，B腔的油回油箱（近似認(rèn)為回油箱的油壓力為0），活塞桿向下運(yùn)動(dòng)，槽車內(nèi)氣體進(jìn)入A腔（一級(jí)進(jìn)氣），而D腔的氣體則經(jīng)壓縮后流出（一級(jí)壓縮），進(jìn)入冷卻器，完成一級(jí)壓縮過程；當(dāng)活塞運(yùn)行到極點(diǎn)時(shí)，液壓站換向閥將會(huì)換向，輸出的高壓油進(jìn)入B腔，C腔的油回油箱，活塞桿向上運(yùn)動(dòng)，槽車內(nèi)氣體進(jìn)入D腔（一級(jí)進(jìn)氣），而A腔的氣體則經(jīng)壓縮后流出（一級(jí)壓縮），進(jìn)入冷卻器，完成一級(jí)壓縮過程。
  ②當(dāng)兩個(gè)這樣的氣缸串聯(lián)時(shí)，就構(gòu)成了兩級(jí)壓縮。
  特點(diǎn)：節(jié)能效果好。一般選用22kW雙電機(jī)，進(jìn)氣高時(shí)為單電機(jī)工作，低時(shí)為雙電機(jī)工作。下圖是槽車壓力各壓力點(diǎn)的排量與功率曲線：
 

  立式液壓壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。氣缸和油缸雙缸一體結(jié)構(gòu)，液壓油每運(yùn)行一個(gè)行程，都會(huì)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(jí)壓縮，要想兩級(jí)壓縮需用兩組氣缸；軸向尺寸相對(duì)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(jìn)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(shí)測(cè)噪聲不高于70分貝。
  （3）天然氣幾乎無泄露量。設(shè)計(jì)上回避了填料等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)幾乎沒有泄露點(diǎn)。
  （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(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，流程適應(yīng)性強(qiáng)，節(jié)能性好，泄露量小，運(yùn)行維護(hù)成本低，代表了子站壓縮機(jī)發(fā)展方向，是CNG加氣子站壓縮機(jī)首選設(shè)備，其次是機(jī)械式壓縮機(jī)，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(jī)（立式氣缸）與傳統(tǒng)壓縮機(jī)性能比較表：
 

  表2：液壓活塞壓縮機(jī)（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(jī)的比較

  在國內(nèi)CNG汽車加氣領(lǐng)域，子站壓縮機(jī)經(jīng)歷了傳統(tǒng)機(jī)械式壓縮機(jī)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(jī)。液壓活塞式子站壓縮機(jī)繼承吸取了前兩代壓縮機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服了前兩代壓縮機(jī)的不足，較好的解決了現(xiàn)階段子站運(yùn)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(jìn)和加快了CNG子站設(shè)備的技術(shù)進(jìn)步和更新?lián)Q代。液壓活塞式子站壓縮機(jī)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(jiǎn)單、運(yùn)轉(zhuǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)。液壓活塞式子站壓縮機(jī)在國內(nèi)的使用經(jīng)歷了從進(jìn)口到國產(chǎn)的發(fā)展過程，因具有上述優(yōu)點(diǎn)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(jī)的大量使用代表了子站壓縮機(jī)的發(fā)展方向）。
  目前，液壓活塞式子站壓縮機(jī)國內(nèi)有代表性的主要生產(chǎn)廠商有武漢齊達(dá)康環(huán)保科技有限公司（立式）和青島綠科汽車燃?xì)忾_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(jī)從結(jié)構(gòu)原理、工藝流程、特點(diǎn)三個(gè)方面進(jìn)行說明和比較。

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

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

  特點(diǎn)：
  1.氣缸和油缸雙缸一體結(jié)構(gòu)，液壓油每運(yùn)行一個(gè)行程，都會(huì)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(jí)壓縮，要想兩級(jí)壓縮就用兩組氣缸；
  3.軸向尺寸相對(duì)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(jìn)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(shí)，天然氣會(huì)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(jī)

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

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

  特點(diǎn)：
  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(jí)壓縮；
  3、由于一組氣缸滿足兩級(jí)壓縮，則其活塞桿的桿徑必須較大（根據(jù)壓縮機(jī)原理，如果活塞桿的桿徑較小，則相當(dāng)于一級(jí)雙作用壓縮，而不是兩級(jí)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(dá)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(zhǎng)，至少有三倍行程的長(zhǎng)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(jìn)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(shí)，天然氣會(huì)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(jī)綜合比較