Компресори за природен газ

Използването на природен газ като гориво в автомобилния и масовия транспорт създаде условия за възникването на изцяло нови приложения на компресорната техника. Редица проблеми в тези сектори, свързани с недостига на енергия и управлението на енергийните доставки, влошеното качество на атмосферния въздух и високите цени на енергоносителите, допринесоха за важността на природния газ като алтернатива на горивата, получени при преработката на суров петрол.

За да бъде използван като транспортно гориво, природният газ е необходимо да бъде компресиран, за да се увеличи енергийната му плътност на единица обем. За тази цел се използват компресорни уредби, които са базово оборудване в станциите за зареждане с компресиран природен газ (КПГ, compressed natural gas, CNG).

В тези приложения се използват предимно бутални компресори в многостъпално изпълнение (познати в англоезичната техническа литература като multi-stage reciprocating piston compressors). Мощността им в спирачни конски сили (brake horsepower, BHP) варира от порядъка на 25 до 250 BHP.

Базовата конструкция на CNG компресорите е подобен на тази на въздушните компресори за високо налягане, но са налице и някои съществени разлики, които ще разгледаме по-долу.

Смукателно и изпускателно налягане

Стойности на налягането в изпускателен режим на компресорната уредба от порядъка на 3600 до 5000 psig (pounds per square inch gauge - паунда на квадратен инч, измерени с уред в затворен съд, тръба или контейнер, без да се отчита атмосферното налягане), приблизително равни на 250 до 350 bar, изключват използването на бутални компресори с многостъпално сгъстяване.

Стойностите на налягането при компресиране (всмукване) зависят от условията в конкретната станция и работните налягания на локалния разпределителен газопровод. Смукателните налягания могат да варират в широки граници до около 1000 psig (или приблизително 70 bar). В повечето случаи доставчикът на газ осигурява специални технологии и системи за регулиране и измерване на налягането в газопровода, за да се гарантира постоянно налягане към компресора при сгъстяване на природния газ.

За да се оптимизира консумацията на енергия от компресорната техника, производителите на компресори за КПГ ги конфигурират спрямо приложението и достъпните смукателни налягания на мястото на инсталация. Общото съотношение между налягането на засмукване и налягането при изпускане определя броя на необходимите степени при многостъпалното сгъстяване на природния газ.

При едно и също съотношение на тези стойности газовите компресори генерират по-ниска температура на компресирания газ в сравнение с въздушните компресори. Това се дължи на по-ниското специфично топлинно съотношение на природния газ в сравнение с въздуха. По тази причина компресорите за природен газ с подобна на въздушните компресори технология могат да работят при по-високи съотношения на наляганията на всмукване и изпускане отколкото въздушните уредби.

Температурата на сгъстения газ за съответната степен на сгъстяване е един от ограничителните фактори, определящи максималното съотношение между смукателното и изпускателното налягане за този етап. Максималните допустими температури на изпускания газ са функция на приемливите работни температури на използваните уплътнители, включително бутални пръстени (сегменти), О-пръстени и гарнитури.

Осигуряването на по-ниски температури на компресирания газ е свързано с по-ниска мощност на компресора. За да се поддържат температурните стойности в допустимите граници, е необходимо да се конфигурират оптимален брой степени на компресия.

Има известно припокриване на диапазоните на налягането при засмукване. Някои компресори, като тези с маслено смазани или чугунени бутални пръстени, могат да работят при по-високи съотношения на налягането, отколкото компресорите, използващи несмазани бутални пръстени и такива от специални материали.

Уплътнения

Компресорите за КПГ са проектирани да елиминират или да свеждат до минимум газовите утечки в системата. Неконтролираното изтичане на газ може да е в резултат на утечки по тръбопроводната система на компресорната уредба, причинени от неизправности на статичните уплътнения.

Контролираното изтичане на газ е очаквано (допустимо) изпускане на газ от прътовите уплътнителни пакети и други уплътнения. С повишаването на изискванията в стандартите за индустриални емисии, все по-голямо внимание се обръща и на утечките при компресорната техника за сгъстен природен газ.

Херметични картери

Компресорните уредби с картери под налягане събират утечките на газ от уплътненията в херметизирания корпус на картера и ги връщат обратно в смукателната тръба. Така в атмосферата не се изпуска газ. Картерът е под налягане, равно на смукателното налягане в системата.

Специални въртящи се валови уплътнения предотвратяват изтичането на газ от механизма и разширенията на коляновия вал. Повечето херметични картери са подходящи за смукателни налягания до 250 psig (около 17 bar), но на пазара са достъпни и компресори с по-високи работни налягания на уплътненията.

Херметичните картери са част от конструкцията предимно на буталните компресори с чашковидни уплътнения. При буталата с чашковидна форма линейният водач и буталото са един неразделен елемент. Без линейно движещ се бутален прът и уплътнения утечките от буталните уплътнения се вливат в картера.

За да се поддържа изтеклият газ при налягане, равно на смукателното, картерът е необходимо да бъде проектиран като херметичен съд с плътни заоблени стени и вътрешни или външни структурни ребра.

Някои херметични компресори с картери използват свободноносещ (конзолен) вал с цел елиминирането на нуждата от валово уплътнение. Други компоненти на уредбата, включително масленосмазващи системи, статични уплътнения, уплътнения на капака на компресора и други, е необходимо да бъдат проектирани така, че да издържат на по-високи налягания.

Атмосферни (нехерметизирани) картери

Компресорите с нехерметизирани картери обикновено разполагат с двойно действащи цилиндри и плъзгачи. Плъзгачите позволяват в конструкцията да се използва бутален прът, който се движи по линейно направление и компресира природния газ както към главата, така и към края на коляновия вал. Буталният прът е неподвижно уплътнен с помощта на серии прътови уплътнителни пакети. Уплътнителните пакети са асемблирани в кутия с механизъм за вентилиране на газовите утечки и изпускателна тръба за отвеждането им извън системата.

Утечките от новите прътови уплътнения обикновено са пренебрежимо малки и обикновено под 0,1% от общия масов разход в цилиндъра. Повечето компресори от този тип вентилират изтеклия газ при източника, вместо да му позволяват да се влее в картера. Картерът работи при налягане, равно на атмосферното, елиминирайки нуждата от специални валови уплътнения, гарнитури и системи за смазване за повишено налягане.

Атмосферните картери са най-подходящи за големи компресори, където проектирането им в херметично изпълнение е трудно. Компресорите с атмосферни картери, използващи прътови уплътнения, позволяват работа при високи смукателни налягания отвъд практично допустимите при херметичните компресори. В допълнение, при атмосферните картери поддръжката е по-лесна, тъй като не се налага разхерметизиране на картера за инспекция.

Възстановяване на изпуснатия при понижаване на налягането газ

Подобно на въздушните компресори, компресорните уредби за природен газ изискват изпускане на налягането в системата при стартиране. Това налага при изключване на уредбата газът, намиращ се в компресора и тръбопровода на системата, да бъде отстранен.

За разлика от въздушните компресори обаче, при които въздухът от обезвъздушаването на системата може да бъде изхвърлен в атмосферата, компресорите за природен газ е необходимо да разполагат със събирателен резервоар. Резервоарът трябва да е адекватно оразмерен, за да позволи на компресора да изпусне налягането и да достигне стойност, достатъчно ниска за стартиране на уредбата.

При изпускане на налягането от компресорната система може да се наложи изпускателните клапани да работят при скорост на потока, равна на тази на звука (sonic flow), или при ограничена скорост на потока (choked flow). Звуковата скорост на потока причинява бързо износване на гнездата и уплътненията на някои вентили.

За ограничаване на деструктивните ефекти на този тип потоци върху компонентите на системата могат да се използват линейни калибрирани изпускателни отвори, високоиздръжливи на износване материали за изработка на гнездата и уплътненията на клапаните, както и специален дизайн на вентилите, който предпазва компонентите им и уплътненията от директен контакт с потока.

Смазване

Компресорите за природен газ със смазване изискват използване на смазочна течност за буталните пръстени, прътовите уплътнителни пакети и клапаните. При компресорните системи без смазване за изработката на тези компоненти се използват специални материали, елиминиращи нуждата от допълнително смазване с масло.

В техническата практика, касаеща този сегмент на компресорната техника, отдавна съществува дебат за предимствата и ползите на всеки от двата типа компресори за природен газ. Поддръжниците на уредбите без смазване твърдят, че при тях се постига най-високо качество на компресирания газ. Защитниците на компресорите със смазване са на мнение, че могат да постигнат подобно качество на сгъстения газ, поддържайки системата с добре проектирани смазочни и филтриращи системи.

Разход на смазочно масло, не по-голям от 0,5 lb/mmscf (million standard cubic feet - паунда на милион стандартни кубични фута, широко използвана в САЩ мярка за обем на газ) в изпускателен режим, е актуалният стандарт в индустрията. Той може да бъде покрит посредством използването на компресори без смазване или на такива със смазване и филтрираща система.

Бутални пръстени и уплътнения

Изключително високите налягания на природния газ в последните степени на сгъстяване при многостъпалните бутални компресори създават сериозни предизвикателства при проектирането на този тип оборудване. С нарастването на броя степени на компресия и на постигнатото налягане на газа се ускоряват и темповете на износване на буталните пръстени.

Големите разлики в налягането между съдовете, отделяни от буталните пръстени, могат да доведат до изтласкване на уплътнителния пръстен в пространството между буталото и цилиндъра. Свеждането до минимум на обема на хлабините намалява риска от изскачане на уплътнението, но увеличава възможността за контакт между буталото и стената на цилиндъра с износването на лентите, обтягащи и позициониращи буталото.

Екстремните налягания допринасят и за високи работни скорости на налягането (pressure velocity, PV - продукт на повърхностното налягане и скоростта) при буталните пръстени. В резултат са налице високи темпове на износване на буталата и цилиндрите.

Високите PV скорости са причина за генериране и на високи повърхностни контактни температури при пръстените. Тези температури могат да са по-високи и от температурата на компресирания природен газ, което води до бавна пластична деформация и изтласкване на уплътнителния пръстен извън глъбината. Друг, по-слабо изучен фактор, свързан с износването на буталните пръстени, е явната загуба на вискозитет на маслото при високи работни налягания.

Статичното уплътняване при високо налягане, когато О-пръстените са изработени от порьозни материали, може да доведе до повреда на уплътненията при бърза декомпресия. Порьозните материали позволяват на природния газ под високо налягане да навлиза в уплътнението. Ако О-пръстенът работи при високо налягане за по-дълъг период от време и компресорът рязко се изключи и декомпресира, газът, навлязъл в уплътнението, бързо ще се разшири.

Това разширение в повечето случаи води до повреда в О-пръстена, причинена от получаването на мехурчета и разкъсвания в материала на уплътнението при напускането на газа. Високите работни температури и налягания, в комбинация с наличието на смазочни масла, влошават проблема. Уплътнителните материали с по-висока твърдост се явяват по-подходящо решение поради по-малката им порьозност. Ако приложението позволява, е препоръчително използването на метални гарнитури.

Други конструктивни съображения

Адекватното охлаждане на компресирания газ е ключово за безпроблемната работа на станциите за зареждане с КПГ, при които има голямо търсене. С колкото по-ниска температура е природният газ при навлизането му в резервоарите за съхранение или в резервоара на превозното средство, толкова по-плътно е горивото, което оптимизира капацитета на съхранение на КПГ.

Крайните температури на компресирания газ е препоръчително да бъдат не по-високи от 20-30o над температурата на околната среда. Допълнителното охлаждане на сгъстения природен газ може значително и излишно да оскъпи обработката му.

Компресорните уредби, използвани в приложения за бързо зареждане на резервоари за дадено време, работят с големи разлики в налягането на изпускане. Някои компресори могат да работят само над дадено минимално изпускателно налягане. Това минимално налягане е от съществено значение за правилната работа на буталните пръстени.

Без достатъчно обратно налягане пръстените няма да се наместват правилно спрямо стените на цилиндрите, а при някои компресори със смазване потреблението на масло ще се увеличи значително поради навлизането му в цилиндъра на компресора. За да бъде разрешен този проблем, при изпускателния клапан на системата може да бъде инсталиран регулатор на обратно налягане, който да бъде настроен съгласно изискванията на производителя по отношение на минималното изпускателно налягане на компресора.

Природният газ, в качеството си на леснозапалим флуид, изисква всички електрически съоръжения и окабеляване да бъдат разполагани в рамките на определено минимално разстояние от компресорите, а оборудването, работещо с газ, да бъде взривобезопасно. Взривозащитените корпуси за електрооборудване и съединителните кутии са проектирани да издържат на вътрешни експлозии без разпространение на пламъка извън корпуса. Те са метални и с дебели стени, което ги прави скъпи, тежки и трудни за достъп.

Някои алтернативи на взривобезопасното оборудване включват: конвенционални прибори за контактно затваряне с искробезопасни електрически схеми; стандартни корпуси за електрооборудване със системи за прочистване на въздуха и блокировки за изключване; газонепроницаеми електрически помещения в опасната зона, оборудвани със системи за детекция на газ; отдалечено инсталиране на електрическото оборудване извън опасната зона и др.