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1、-天然气汽车加气站用CNG压缩机-第 66 页天然气汽车加气站用CNG压缩机(续三)第6章CNG压缩机机组结构示例世界面对着原油仅可开采40余年，而天然气却能再采70年以上的现实。我国正面临实施西部大开发、西气东输战略，大力强化环境保护工程，积极开采使用蕴藏量丰富的陆海天然气，进口液化天然气，不远的将来还能实现天然气(进口)管路国际联网，蕴藏量甚丰的煤层气(油气田天然气的后续天然气)开发力度加大的大好形势。天然气汽车具有技术成熟、清洁、最安全和经济性好等显著的环保技术经济综合优势。在我国，压缩天然气汽车及其配套装置技术，较液化石油气汽车更成熟。天然气汽车时代确已到来!自1931年意大利北部建成
2、世界近代首座天然气汽车加气站和1988年在四川省建成首座国产装备天然气汽车加气站以来，国内外CNG压缩机品种、销量和技术进展渐趋活跃。时至今日，CNG压缩机已跃升为全球压缩机市场的最热卖点之一，尤以我国、东南亚和南美洲为最。CNG压缩机单机功率并不很大，然而在近年却高度富集了当代往复活塞式工艺流程用压缩机多项先进技术。客观上，CNG压缩机几乎成为全球工艺流程用往复活塞式压缩机中唯一能够形成批量生产的门类。随着石油的更加短缺，治理城市汽车尾气污染的紧迫，以及我国西气东输和后续工程分期实施，居民社区燃气能源的逐步普及，CNG压缩机在国内外必将有更大的发展。无疑，我国拥有颇为可观的CNG压缩机市场，
3、而CNG压缩机的制造和技术开发也正方兴未艾!CNG压缩机由卖方市场向买方市场的过渡已近完成。这就必然使国产CNG压缩机向品质更高、性能更佳、适用性更强等目标迈进的步伐大为加速。虽然起步甚晚却直逼世界先进水平的国产CNG压缩机，在新世纪之初奇葩争艳、异彩纷呈，自不同的角度逐步地将其综合技术水准升华至不亚于舶来品的程度。从而不但为国内NGV加气站的建设作出了新贡献，而且拥有了在我国加入WTO之后与国外著名品牌抗衡的不凡实力，同时踏入了国际市场，销往海外的国产CNG压缩机品牌和台数逐渐增多。在国内外CNG压缩机制造与运行实践的沃土上，本章方得以给出CNG压缩机/机组丰富的结构示例。61橇装、低噪声、
4、全风冷、2D4系列CNG压缩机组中国石油化工集团公司于2001年6月30日在湖北省潜江市江汉石油管理局主持了集团公司重大科技攻关项目压缩天然气汽车加气站装备省部级鉴定，中石化江汉第三机械厂(以下简称三机厂)研制的2D4系列CNG压缩机组，经专家会审鉴定通过。鉴定意见指出：2D4系列压缩机的各型排气量大，单机供气量为8000m3d10500Nm3d，并能适应宽广的天然气管网压力条件。经检测证实，其创新点为：(1）首创国产CNG压缩机组全风冷整体橇装结构，无需冷却水循环系统，扩大了运行地域，在水冷式压缩机难以应对的缺水、高寒地区，也能正常运行。(2)机组为对称平衡型，在国产CNG压缩机中实现了运动
5、件惯性力精确平衡、活塞组件精确直线性运动以及传动件承载面的低比压值设计。比功率指标先进，易损件寿命长。(3)机组自动化、数字化程度高，PLC自动化监控，实现了无人值守的加气站单台机组运行，降低了建站及运行成本。(4)全机组屏蔽噪声值符合城市CNG加气站建站要求。(5)机组本地化率95以上，性能价格比优于进口同类机型，具有良好的社会经济效益。鉴定委员会认为：该项目全面达到了开发合同和设计任务书的要求。2D4系列CNG压缩机组的图样、资料齐全完整，设计先进合理，诸样机运行状况良好，整体达到国内领先技术水平，可以替代进口同类机型，并具备了批量生产和推广的条件。2D4系列CNG压缩机组的代表性机型：2
6、D4-33-250型，开创了国产全风冷CNG压缩机组先河的该机组，2001年始最先服役于中国石油化工集团公司中原石油勘探局的河南省濮阳市中原油田二号加气站，后装机于成都市公交压缩天然气有限公司的石羊场、成仁路加气站等处，主机运行状况皆堪称优秀。如成仁路站之2D4机，自2002年2月8日至2004年5月1日累计运行13349小时45分钟，第IIII级各吸排气阀(PEEK阀片)和第级吸排气阀(金属阀片)的阀片、弹簧无一破损，第级各(金属)活塞环、(金属)导向环和第级(三、六瓣金属平面)填料从未更换。其间，仅因第I级活塞杆外协热处理硬度不够导致单边磨损而更换活塞杆和第I级填料、活塞环。2004年5月
7、8日夜，第级排气阀片工作逾13400小时后破损。再如西安市天然气总公司北二环路加气站之2D4机，单机(无备机)运行，自2003年3月至2004年5月12日累计运行8757小时29分钟，仅8000小时计划检修，一直无零件损坏。全国清洁燃料汽车专家组拟待该站气瓶组储气容积达3000Nm3时即将该站列为国家级示范站。三机厂具有自主知识产权、获得国家专利证书(外观专利号ZL013282506，实用新型专利号ZL01239761X)的2D4-33-250型CNG压缩机组，是针对CNG特定工况实施的全新设计，系国产首台橇装、无基础、低噪声、全风冷、对称平衡型、大排量CNG压缩机组。此四级压缩机，吸气压力0
8、3MPa、排气压力25MPa、转速980rmin、主电机功率160kW、风冷器用轴流式风扇电机功率75kW。经华中科技大学检测其各项技术经济指标优异：规定工况下空气介质时供气量11Nm3min(容积效率高达76)、无基础机组振动烈度18mms、噪声声功率级95dB(A)，比功率1357kW(Nm3min-1)，两列填料处的总漏气率仅为供气量的0.11360.1364，当第一级的吸气温度为3634时，各级中最高排气温度169(换算为天然气介质时为140)，压缩机本体质量1800Kg、外形尺寸27001200800mm；包括风冷器、主电机、PLC控制系统设备、隔声罩在内的机组质量14.82t(当橇
9、装内浇灌高强度混凝土时)，噪声声压级79dB(A)，1m。全风冷结构和气缸、传动机构润滑油电加热系统，使机组最适合在干旱、高寒地域运行，而配置隔声罩则便于将机组用在城市。该压缩机按美国石油学会标准API*618石油、化工和气体工业用往复压缩机实施设计其惯性力、惯性力矩完全平衡；各级级差式活塞均设有宽的金属导向环和径向调心机构；传动件承载面比压值甚低【如连杆小头衬套6.8MPa(数万台在役安全运行的L3.5-208型空压机为9.8MPa，中欧某压缩机名厂产3D80-2A1D65-1A1D85-1A三种机型为9.39.48.3MPa)，球铁十字头滑动面02775MPa(L35机为0.34MPa，1
10、D65-1A1D85-1A二机型为0.3550.384MPa)，十字头销座孔5.69MPa,连杆大头瓦5.51MPa(3D80-2A1D65-1A1D85-1A三种机型为9.229.979.27MPa)】；各级气阀阀隙、气缸气套、吸排气管处气流速度甚低；精心选配的奥地利Hoerbiger公司产中低压PEEK气阀和高压全金属气阀，其阀片升程均低，在1.6mm0.8mm之间。2D4-33-250型CNG压缩机与国外同类先进机型比较如表6-1，其传动件承载面比压值比较如表6-2，机组图如图3-6，工艺气流程图如图3-3，主机剖面图如图6-1。作为国产首台高吸气压力(达2.1MPa)的2D4-0.52
11、2-250型CNG压缩机组，平稳运行于成都市北郊青白江区四川博能燃气CNG加气站。该机为三级压缩、对称平衡型，排气压力为25MPa、供气量为630Nm3h，转速740rmin，轴功率78kW，主电机功率90kW，各级气体冷却器和传动机构润滑油泠却器皆由风扇吸风冷却，填料配用进口高新工程塑料元件。冷却用电机功率7.5kW。2D4-33-250型CNG压缩机的传动件承载面的极低比压值，可以其连杆组件(图6-2)、十字头组件(图6-3)为代表。图6-1 2D4-3/3-250型橇装全风冷CNG压缩机剖面图(中国石油化工集团公司江汉石油管理局第三机械厂制造)表6-1 2D4-3/3-250型CNG压缩
12、机与国外同类先进机型比较注：1)供气量标准状态：0.1013MPa(绝对压力)，0。2)华中科技大学压缩机实验室检测2D4CNG压缩机3)ZM公司数据为2000年书面数据4)覆有隔声罩的机组噪声声压级，2D4与德国C211*CNG压缩机皆为75dB(A)，1m。图6-2 2D4系列CNG压缩机连杆组件图表6-2压缩机传动件承载面比压值比较 MPa制造厂家压缩机型号连杆小头衬套连杆大头瓦球铁十字头滑动面球铁十字头销孔座 中石化三机厂2D4-3/3-2506.85.51 0.2775 5.69 国产(多厂)L3.5-20/89.84.410.34 13.2 瑞士苏尔寿公司3D80-2A9.39.2
13、2 1D65-1A9.4 9.97 0.355 1D85-1A8.3 9.27 0.384 注：1)L3.5-20/8型即4L-20/8，数万台在役安全运行。 2)苏尔寿公司三个机型皆为迷宫活塞式，有高的运行可靠性声誉。图6-3 2D4系列CNG压缩机十字头组件图中石化集团江汉三机厂的CNG压缩机设计策划要点是：(1)确保安全性，严格控制各级排气温度和填料工作状态。(2)全风冷橇装机组化，全天候运行于各种地域条件。(3)优选压缩机结构型式和结构参数，合理配用天然气发动机。(4)无高压填料，并确保活塞活塞杆组件运动的精确直线性，使压缩机供气量稳定、不衰减，填料、活塞环长寿。(5)传动件设计力学处
14、理优化，并采用反向润滑系统，确保运行可靠。(6)承载面比压值极低的传动件，其材质又经优选，磨损极小，保证长寿工作。(7)优选气阀，气路系统又为极低流速设计，确保加气站运行节能。(8)实施惯性力精确平衡，相对两列往复运动质量差控制到10克级，又采取降噪声、整机起吊、油系统加热、气缸极小注油量等人性化设计，操作者工作条件良好。(9)机组各系统的配置周全、精良，确保压缩机组性能优异，可无备机，智能化自动控制装备允许无人值守。6.2机身承受内气压的橇装风冷CNG压缩机组自1931年意大利建成近代首座天然气汽车加气站以来，作为站的关键动力设备的CNG压缩机之外泄漏气，一直是困扰人们的难题。它不仅造成能源
15、浪费和二次污染、温室效应，某种程度上还是安全隐患。近年，对环保极为重视的欧洲国家，率先实现了CNG压缩机的技术飞跃推出了无泄漏CNG压缩机。迄今为止，美国和日本尚无此类产品。无泄漏CNG压缩机皆为机身(曲轴箱)承受吸气压力、曲轴的轴伸处配有机械密封者。笔者以为，德国茨维考机械和设备制造有限公司(ZM)于1997年研发之C200系列CNG压缩机，由于汲取了数百台用于独联体国家的老产品制造和使用经验而更胜一筹。其2003年6月推出之新系列则更代表了当今国际天然气汽车加气站用CNG压缩机技术的新进展。ZM公司2003*CNG压缩机系列(参看表6-3、表6-4及图3-5)之特色，笔者以为核心是：1将该
16、公司风冷CNG压缩机的最大气缸直径由原来已是全球之冠的250mm更增至300mm。2十分注意拓展极低吸气压力机型，如吸气表压力为0001MPa、002MPa的若干机型。3着力研发小功率、小供气量机型，且适应广泛的多种吸气压力，主要由行程为85mm的C208系列构成。笔者剖析、归纳其结构特色有6(参看图3-4、图3-5、图6-4)：1整机结构保证无CNG外泄。填料处的微量漏气，被机身贮留、密封并返回第级气缸吸气口。机身承受内气压高达全球之最的24MPa(表压)，适应绝大多数CNG加气站进气管线气压条件。球墨铸铁制机身设计压力4MPa，进行6MPa水压试验，还作渗透性极强的氦气介质气密性试验。机身
17、与曲轴两端配合处特设长寿命的专用机械密封。2活塞活塞杆组件的导向、支承状态优良，确保其运动的精确直线性和活塞环、填料的气密性。图6-4 ZM公司CNG压缩机的连杆、十字头及中压/高压活塞组件表6-32003德国茨维考机械和设备制造有限公司(ZM)C211系列CNG压缩机参数注：供气量标准状态：绝对压力0.1013MPa、温度0D双作用表6-42003德国茨维考机械和设备制造有限公司(ZM)C208系列CNG压缩机参数注：供气量标准状态：*绝对压力0.1013MPa、温度0 D双作用组合式的各级活塞体上皆设置几何位置恰当、比压值低的PTFE导向环(开有对称斜向卸荷槽)。自润滑高性能各级PEEKP
18、TFE活塞环和气缸极少注油润滑条件相配合，遂获优良的减磨、密封工作条件。在压缩机外输极低含油量高压CNG的同时，导向环、活塞坏寿命有保障。3传动件承载面的低比压值，尤其是十字头销、十字头滑动面的甚低比压值之负荷实际和最高润滑油压条件相配合，使传动件工作面温升低、零件热膨胀小、磨损率甚低、更换期甚长，还使活塞组件运动直线性的绝对精确度高且其保持性优良。4刚性上乘的机身，“反向”的传动机构压力润滑系统和单独制造的强刚性、全圆筒形十字头滑导，是传动机构可靠运行的重要保证。5传动机构“反向润滑”使曲轴无需钻削油孔，遂彻底摆脱了油孔产生的严重应力集中之阴影，曲轴强度高、刚性好、加工易。和飞轮间采用胀紧套
19、实现传动，又使曲轴免开键槽。在将16枚螺钉对称、交叉、逐渐、多次旋紧后，楔形断面的张力环即完成了曲轴和飞轮间的径向胀紧联接，能有效地实施传动。胀紧联接是由以锥面相互贴合，并挤紧在轴、毂之间的弹性钢环组成的联接。在轴向压紧力的作用下，轴、毂孔和锥面胀套相互抵紧，内弹性环的内径减小以箍紧轴，外弹性环的外径增大而撑紧毂孔，并在内、外弹性环的接触面间产生径向压力。由径向压力产生的摩擦力矩和摩擦力，用以传递力矩和轴向力。弹性环的常用材料有65Mn、55Cr2、60Cr2等钢。胀套锥面的锥角愈小，配合面的压力愈大，承载能力愈强。但锥角过小则不便于拆卸，一般取为12517。6结构参数先进、合理，刮油环紧邻填
20、料设置，主机结构极其紧凑。气体及润滑油用风冷器、冷却风扇顶置于压缩机主电动机上部的空间，不需单独占据安装面积。故而橇装CNG压缩机组的占地面积远远小于相同气量、压力参数的其它CNG压缩机。ZM公司制造之C211316型，系两列对称平衡型机，各级冷却器为风冷式(置于机组隔声罩之顶部)，由两台并联的轴流式风扇向上鼓风冷却，各级气缸自然冷却，各级冷却器设后分离器。行程110mm，以980rmin或1470rmin的转速运行，活塞平均速为3.953ms或5.39ms。排气压力为25MPa，吸气表压力范围为03MPa085MPa，三级压缩。当吸气压力03MPa时，转速980rmin、供气量5.716Nm
21、3min、轴功率72kW；转速1470rmin、供气量8.433Nm3min、轴功率109kW。当吸气压力085MPa时，转速980rmin、供气量16.166Nm3min、轴功率152kW；转速1470rmin、供气量23.75Nm3min、轴功率222kW。级在列中的布置：自飞轮端看，左列为双作用的第级，缸径155mm；右列为第级一平衡容积一第级如此之级差式结构，向轴行程的第级缸径为11Omm，向盖行程的第级缸径为45mm。该机以高运行可靠性为谋画前提，实现了高度紧凑的结构设计，将机身承受内气压、杜绝气体外泄漏和气缸极少油(压缩机油DIN*51506)润滑、改善供气品质，这两项设计策划的核
22、心意图巧妙地融合为一体。配有专用机械密封的机身，承受内气压(表压)可达2.4MPa。这就彻底剔除了机身不承受内气压的CNG压缩机固有之瑕疵微量天然气外泄漏入大气。C211316型CNG压缩机填料泄漏气皆在被机身贮留、密封后，返回第级吸气口。组合式的各级活塞体上均设置开有对称斜向卸荷槽的PTFE导向环，各级活塞环材质为PTFE或PEEK。高性能自润滑元件的采用，再辅以极少油润滑的优良减磨、密封工作条件，压缩机在外输极低含油量高压CNG的同时，工程塑料制导向环或活塞环的使用寿命当获保障。锻钢曲轴既不钻润滑用油孔，也不铣传动用键槽。免钻油孔，是因其传动机构润滑油路设计为“反向润滑”，压力油首先注入单
23、铸之十字头滑导处，以确保十字头销的润滑条件优良。不铣键槽，是因为曲轴和飞轮之间由若干枚螺钉通过“弹性环”实现胀紧传动。锻钢连杆大头剖分，由栽入连杆杆身的双头螺柱和连杆螺母锁紧连杆大头盖。全浮动十字头销的大直径抉择，有效地降低了比压值，不仅利于油的可靠润滑，还控制了小的磨损量。“反向润滑”油路同大直径全浮式十字头销相得盖彰，剜除了“病根”，使该机十字头销不再是往复活塞式压缩机传动部件的最薄弱环节。传统设计中，十字头销直径值被拘泥于不大的尺寸，故其比压值较高；而十字头销又恰恰是“正向润滑”油路的终端强弩之末该处油压值甚低。传统设计里这般弱弱结合，十字头销处润滑不足、衬套“镀铜”甚至烧研以及磨损量大
24、等不良状况的屡见不鲜，就不足为怪了。大直径十字头外圆柱面挂有巴氏合金减磨并开有十字形油槽。油槽边缘和十字头外圆柱面轮廓之间务须有恰当的距离，以控制自油槽外溢润滑十字头的油量，以保证初始注入十字头滑导的压力油在油槽内有足够的压力，满足油路设计之需。两列十字头滑导的压力油注入点均为上方，便于将可能存在的粉屑状污物顺油路向下冲刷。大直径十字头之比压值自然趋低，对于十字头强度和减轻磨损都有利。每一列的十字头滑导，仅以两枚斜向螺钉在十字头法向力铅垂面内透过机身壁锁定。当然，十字头滑导和机身之间存在配合圆柱面及定位凸台。单独铸造并可精密机械加工的十字头滑导，进一步改善了十字头的润滑条件，更与各级活塞的导向
25、环一道，为各级活塞活塞杆组件运动的精确直线性提供了保障。受相对列连杆大头运动的干涉，十字头滑导为非整圆筒形，即必须沿铅垂面局部削去之。可承受内气压(表压)达2.4MPa的气密性机身，刚性甚佳，并拥有大容量的贮油池，还在非动力输入侧开有两处装、拆十字头销的圆形孔(十字头滑导的相应部位亦开圆形孔)。与机身配合的两只主轴承座完全通用。曲轴两端的专用机械密封处，和十字头滑导一样，也是传动机构压力润滑油的最先注入点。与机械密封紧邻的两只滚动主轴承，不间断地获得来自机械密封的压力油，其润滑和冷却，当获确保。可否将曲轴非动力输入端轴头封闭在机身盲法兰之内，从而省去一套专用机械密封呢?笔者以为，若如此则得不偿
26、失。因为由此节约了一套专用机械密封，却无可避免地招致了曲轴和机身承受沿曲轴中心线方向的、达10kN的附加轴向力，而为处理此附加力产生的不良后果必将付出巨大代价。不容忽视的是，由于机身内气压的存在，向两副专用机械密封和两处十字头滑导同时注油(压缩机油)的传动机构润滑油泵工作压力，必须高于机身内气压值。亦即油泵属循环油泵。第级和第级的铸造气缸毛坯通用。第级气缸镶有干式气缸套。第级气缸的堵头式气缸盖所处位置，在第级气缸中成为锻钢制第级气缸的插入配合处。级缸亦镶有干式气缸套。各级气阀均为单独的吸、排气阀组件，不采用高压级同心组合气阀。各级气阀的安装、工作位置，和气缸中气体流动方向完全一致，即：各级气缸
27、均为上方吸气、下方排气，各级吸气阀，皆置于气缸上部，各级排气阀则皆置于气缸下部，这也完全符合API*618标准的要求。活塞杆活塞杆套管组合结构，既用于双作用的级列，也用于级差式的平级列。活塞组件因之获结构简化、尺寸紧凑之益。该压缩机整体结构极其紧凑，也部分受惠于活塞杆活塞杆套管组合结构。覆有隔声罩的机组噪声声压级为75db(A)，1m。如有要求，可达65db(A)，1m。C211-316型CNG压缩机的零部件装拆，确有欠方便之问题。但不妨注意前已提及的，该机设计以高运行可靠性为前提。6.3对称平衡型、气缸不注油、DW系列橇装CNG压缩机组2002年4月24日，江苏省经济贸易委员会主持了无锡压缩
28、机股份有限公司DW系列CNG汽车加气站压缩机组评审会，专家委员会对该产品评审意见如下：(1)采用对称平衡型，结构合理，动力平衡性优，振动小，合理的转速与行程匹配，橇装整体布置占地面积小，安装、维护方便。采用无油润滑结构，减少油污染。(2)单机容量大，效率高，适应吸气压力范围宽(02MPa0.5MPa)。(3)主机结构设计的主要特征是传动件承载面比压值低、气缸设有高精度并经氮化处理的气缸套、活塞杆表面处理技术及杆内深孔通油冷却等，从而有效地保证使用可靠性，提高了易损件的寿命。气阀及密封元件的设计、选材拥有专用技术。采用的PEEK气阀及组合式填料技术，降低了噪声，提高密封性能。(4)采用了先进、可
29、靠的PCS(工控机+PLC)仪表计算机控制系统。该系统功能除对压缩机运行全面进行监控外，还具有数据采集、数据保存、少人操作、远程传输、故障诊断等功能，并具备采集点易扩充、控制多台、系统运行安全性等特点，且操作、维护简便，处于国内领先水平。(5)机组系统配管及综合辅助配置实施了优化设计，配置的辅助油站系统具有强制润滑措施。与会专家及代表一致认为：该样机的研制及工厂负荷试验是成功的。产品体现了绿色设计，主要技术性能适应CNG汽车加气站用，其技术水准处于国内同类产品领先水平，与国际同类产品水平保持同步。压缩机基础件采用对称平衡型、往复活塞式、整机为二列四级压缩，气缸分别为平及平列级差式气缸，作水平布
30、置，并分布在曲轴两侧，相对两列气缸的曲柄错角为180。整个压缩机与辅助设备及各工艺管线共同组成橇装型机组，结构布置紧凑，该压缩机的惯性力(一阶与二阶惯性力)可完全平衡，惯性力矩也小接近零，压缩机的转速可相对提高。主机运行平稳，振动小、噪声低，且安装、管理和维修方便。由于相对两列的活塞力方向相反，能相互抵消，改善了主轴颈的受力与磨损。对中、大容量、高压多级的CNG或其他易燃易爆的介质的工艺流程用压缩机，采用对称平衡型是理想的结构型式。采用气缸、填料无油润滑设计结构，可最大限度的降低气体在气缸内的污染，简化CNG加气站的工艺操作，降低运行成本，为获得优质CNG气体提供了保障。机身采用卧式箱形、上端
31、开口的匣式结构，与滑道接筒铸成一体，具有较高的刚性，并镶有十字头筒体滑道，可提高滑道加工精度与几何公差，保证十字头运动的均衡性。机身两端的主轴承采用水平剖分的滑动轴承，导热性能好，承载能力大，噪声低。曲轴为双拐整体式，采用优质碳素钢锻制。主轴颈与曲柄销直径与机座能承受的最大负载相匹配。过渡圆角处均采用高精度的磨削加工，能保证足够的强度和刚度。连杆是传递活塞推力及将旋转运动转为往复运动的机件，采用优质碳素钢锻制。为降低作用在十字头滑板的压力，采用了较合理的连杆比。连杆大头轴承采用可更换的精密镗削薄壁轴承，小头采用磷青铜衬套。结构设计采用低比压设计，可有效保证十字头或销工作的可靠性。连杆螺栓为滚制
32、螺纹。十字头采用铸钢铸造，滑履外圆采用巴氏合金层。十字头销采用优质合金钢，表面经渗碳淬火处理，有优良的耐磨性。十字头与活塞杆采用经滚压的螺纹连接，结构简单，使用可靠。气缸部件：一、二级气缸为轴侧单作用气缸，并设有平衡容积腔，采用HT*300高强度灰铸铁材质铸造成形。三、四级高压缸为盖侧单作用气缸，采用优质碳素钢锻造经车削成形。各级气缸均设采用气体软氮化的处理，材质为高强度球墨铸铁材质的干式缸套，工作表面有良好的耐磨性。经长期运转导致缸套磨损超限后，可更换缸套，不必报废气缸。整个气缸组合具有足够强度。气缸采用水冷、无油润滑设计，不必注油润滑。但对三、四级高压缸仍保留设有注油接口，以供用户必要时少
33、油润滑使用。本机各级气缸的压力比分配与缸径的选择，除已考虑各列活塞力的均衡性和运动机构利用系数，同时满足适应一定范围的吸气压力区间，以适应压缩机所在地管网压力的适量变化。各级排气温度设计在135以内。活塞部件：活塞由一、三及二、四级组成级差式活塞，低压级活塞由HT*250灰铸铁铸成，加工后表面经镀层处理，高压级活塞由不锈钢锻制磨削加工而成。级差活塞连接均采用双球面调心结构，可使活塞获得空间几何位置的微量补偿，达到自如运动并保持直线性要求。同时，各级活塞前后端均设置采用低比压值设计的导向环，可有效保证无油润滑条件下活塞部件中活塞环和填料密封的工作可靠性。各列活塞杆依照API*618标准选材，采用
34、38CrMoAlA或42CrMo材质，同时与填料对磨的表面，采用辉光离子氮化或表面金属喷涂合金(碳化钨)处理，以提高表面硬度。若气体介质含硫量较高，则活塞杆材料采用17-4PH。填料、活塞环、导向环等无油润滑密封元件的寿命是衡量可靠性的重要方面，除采用特定的结构设计外，重视了密封元件的材质的选用。对其材质配方采用了列入部级科研攻关项目的研制成果，并多年来已成熟使用于高压差工况下活塞填料密封的填充CRFE(填充碳纤维)材质。该材质有良好的耐磨性及与对磨件的匹配性。除材质保证外，同时制定有严格的无油润滑密封元件坯料内控标准和压制工艺，从配方、成型、加工等各环节实行质量监控。为保证填料工作的冷却条件
35、，防止对磨温度升高导致“冷流”使密封失效，除填料夹套外通水冷却外，采取的主要结构是活塞杆内加工有深孔，配有导管，通入冷却油循环冷却，该结构是相当成熟的，能有效保证填料的可靠工作。一、二级气阀采用网状双联环阀，三、四级气阀采用特宽通道环状阀。为适应CNG压缩机在苛刻工况及无油润滑条件下正常运行，除气阀阀座、升程限制器材质采用不锈钢外，一、二级阀片均采用Peek(聚醚醚酮)材质。Peek气阀可获得较合理的阀片升程，低的阀隙流速和低的气流及撞击噪声，有良好的使用寿命和工作可靠性。气阀弹簧采用17-7PH不锈钢丝。气阀除特别注重弹簧的结构设计和材料的选材外，另一方面重视了缸体气流通道的形状设计和气阀的
36、配置方式。总体结构上，选择了合理的转速，为力求降低因CNG气体净化较差而造成的影响，选择了较低的阀道流速。同时，三、四级高压级气阀都采用了单独的吸、排气阀配置，而非同目前国内外许多CNG压缩机的高压级采用的同心组合阀带来的阀隙流速高、流损大、高温排气对吸气的加热、导致不利于控制高压级排气温度等弊端。DW系列橇装CNG压缩机组之主要技术参数见表6-5，主要零件材料见表6-6，典型品种DW2.62(4250)X型之总剖面图如图3-8、总布置图如图3-7。冷却系统采用循环水冷却，并采用闭式循环方式。机组内冷却水管线采用了串、并联组合，阀类采用钢阀。一至四级气体冷却器均采用管壳式，采用管程走气，壳程走
37、水，所有换热管均用高效不锈钢换热管。对含有重碳高组份的烃类易液化的天然气，为防凝析，冷却水进入气缸的温度可控制高于进气温度5-8。表6-5DW系列CNG压缩机组主要技术参数表6-6DW系列CNG压缩机主要零件材料(按API*618标准)6.4紧凑级差式气缸、曲轴箱承受内气压的CNG压缩机本机(图3-15)具有鲜明的结构特色，压缩机为风冷、两列对称平衡型、曲轴箱承受内气压(等于吸气压力)、4级压缩者，最高排气压力275MPa。由于采取了倒级差级差式活塞、免除了十字头、不用活塞杆填料密封而仅以活塞环实施各级压缩容积的密封，遂使得整机结构极为紧凑，外形尺寸(长宽高)小到1400810598mm，质量
38、轻至545kg，主轴承中心线高度仅2794mm，制造成本降低。压缩机的行程为8255mm转速1475rmin，活塞平均速度达40587ms，压缩活塞力4413kN、拉伸活塞力39227kN、曲轴箱传递功率110kW，由电动机直联驱动。曲轴箱承受内气压高，当无CNG外泄漏入环境大气。包括顶部盲法兰盘配合孔在内，曲轴箱上开的都是受力状况优良的圆形孔。曲轴箱油池容量15L。曲轴曲轴箱间的机械密封，被供以高品质的润滑冷却油。主轴承是双列球面滚子轴承。牌号为100703的球墨铸铁曲轴，其曲柄销直径888mm。兼起十字头作用的倒级差级差式活塞的硕大支承面长度为行程值的2.5倍。活塞环处均获得压力油润滑。配
39、用Hoerbiger气阀。不仅气缸具有散热翅片，而且夹在曲轴箱、气缸之间，支承倒级差级差式活塞的“滑导”定位固结法兰亦铸有散热翅片。曲轴的非动力输入端外伸轴头，驱动冷却用轴流式风扇及传动机构循环润滑油泵。第级气缸镶有干式气缸套。级在列中的布置状况是：级差式的左列(高压列)自盖侧至轴侧为平，倒级差式的右列(低压列)自轴侧至盖侧为。当然，曲轴箱内气压对两列活塞在向盖行程和向轴行程时，均产生作用力。笔者经估算后认为：若高压列的平衡容积联通第级吸气压力，将使该列内、外止点气体力几近相等，可获上佳之运动机构利用系数。但若气密措施失当，则将导致自第级及第级向平衡容积漏气过多。压缩机的级在列中的配置方式，能
40、以活塞力稍小的传动机构提供相同的气量、压力参数；但其功率值难以超过110kW。两列活塞长的支承面和“滑导”配合部位，不仅承受传动机构的法向侧压力，同时还因为其间不能不设有活塞环而增大了载荷活塞环的自弹力及由密封气体压力产生的张力。因此，“滑导”内孔的较快磨损将难以避免。自各压缩级泄漏入曲轴箱的气体，虽然因为曲轴箱与第级吸气管联通而不致于进入环境大气造成温室效应二次污染和能源浪费，但是从压缩机设计角度看，这已经是外泄漏了。亦即这降低了压缩机气缸工作容积的利用程度。“滑导”处活塞环的密封周缘长度，显然大大超过采用活塞杆填料结构的密封周缘长度，故可断言其相对泄漏量大。6.5水冷、对称平衡型CNG压缩
41、机组本对称平衡型CNG压缩机组，采用了循环水冷却系统，其各级气缸、各级冷却器、传动机构润滑油冷却器皆由循环水冷却，且气缸为无油润滑者，在最末级冷却器之后还设置高压滤油器。压缩机转速为880rmin(电源频率60Hz)或980rmin(电频50Hz)，压缩级数为4，吸气压力为015MPa，排气压力为25MPa，吸气温度25，末级冷却器后气温50。干气组份(mo1)：CH4880，C2H660，C3H840，C4H1020。电动机直联驱动，排气量调节为0、100，适应环境温度-3040。A型，行程100mm，转速880rmin，活塞平均速度293ms，供气量416Nm3min，轴功率67kW，电动
42、机功率75kW，机身油池容量17L，机组质量10t、外尺寸45m25m32m，散热器(空气一热水)风扇电动机功率22kW(6极)，隔声罩排风扇电动机功率05kW(4极)，循环冷却水泵电动机功率15kW(2极)。A型压缩机剖视图如图3-12。B型，行程120mm，转速880rmin，活塞平均速度352ms，供气量833Nm3min，轴功率125kW，电动机功率150kW，机身油池容量30L，机组质量13t，外形尺寸52m42m595m，散热器(空气热水)风扇电动机功率37kW(10极)，隔声罩排风扇电动机功率04kW(4极)，循环冷却水泵电动机功率2.2kW（4极）。机组布置如图3-11，而双机
43、组布置则如图3-13。机组噪声声压级75dB（A），1m。A型CNG压缩机为2列对称平衡型。动力输入远端列，盖侧为第级、轴侧为第级，平衡容积居中；近端列轴侧为第级、盖侧为第级，平衡容积居中。机身镶有单独铸制的十字头滑导，并以中间接筒和两端的气缸组件相联结。右侧的平列之十字头，异于左侧的平列之十字头，是特意加重以平衡相对两列的往复惯性力用的。斜剖分的连杆大头，以两枚连杆螺钉旋紧入连杆体，联接了连杆大头盖。斜剖分结构，方便了连杆的装拆。机身的动力输入端设置一套机械密封封油。两列的级差式活塞，分别以小直径的钢制活塞体上的阴螺纹，和低压、大直径活塞端部露出的主活塞杆阳螺纹相联接，方才完成组装。各级活塞
44、体皆设有导向环。第、级活塞均取一道活塞环槽内共置两道活塞环的结构，级为4槽、8环，级为6槽、12环。第、级活塞都是组合式的，分别设有9道和12道活塞环。各级活塞环、导向环均由非金属自润滑材料制成。第、级气缸为铸制；第、级气缸为锻造，并设有由钢板兜成之冷却水套。第级气缸都镶有干式气缸套。十字头滑导下方的机身底平面与底座相固结，是支承压缩机的主要部位。第、级气缸端部设有支承于底座的摆动支承。活塞杆以螺纹与十字头联接。近十字头处的刮油器之功能得到强化，设有两处回油孔。采用了低噪声的PEEK阀片。第级虽取同心组合气阀结构，但仍使该级气缸为上方吸气、下方排气，与级气缸气流方向完全一致。第级冷却器被架在压
45、缩机主电动机的上方、机组隔声罩之内。将循环水冷却的散热器和轴流式风扇，及隔声罩排风扇皆置于罩之顶部。6.6橇座含高压储气瓶组的对称平衡型CNG压缩机组（图3-9）(1)最主要的结构特色其一，各级冷却器为风冷式，各级气缸为自然冷却。此种冷却方式无需冷却水，节省了宝贵的水资源，既便于压缩机在无(缺)水地区、寒冷冰冻地域运行，又无水垢积结恶化冷却效果之虞，更使得气缸结构大为简化，降低了气缸造价。当然，冷却器组件(含冷却用风扇)之成本比水冷式冷却器会有所增大。其二，在外止点活塞力较小、内止点活塞力较大的列，采用活塞杆活塞杆套管组合结构，从而大大简化了活塞组件中零件间的联结与定位，活塞组件及相关组件(如
46、气缸)制造成本皆得以降低。活塞杆活塞杆套管组合结构这种新颖设计，直至近几年始见于德国、美国个别CNG压缩机制造公司的产品中。该结构完整适合于双作用活塞，但当被级差式活塞所用时，其简化机构和减少零件种类与数量的作用更强劲，制造方经济性更佳，使用方拆装零件更方便。(2)低压列新颖的活塞杆活塞杆套管组合结构设计1.I级压阀罩螺纹销柱 2.I级阀销接头 3.I级阀转销 4.I级排气阀(1只) 5.I级阀座垫圈6.I级缸盖O型圈 7.I级缸盖螺栓 8.I级气缸盖 9.I级吸气阀(1只) 10.I级气缸体 11.I级压阀罩O形圈 12.I级压阀罩 13.I级压阀罩螺栓 14.活塞杆螺母螺栓 15.I级活塞
47、杆螺母 16.I级活塞 17.I级活塞环(3道) 18.碗形垫圈 19.前部活塞杆套管 20.I-II级活塞杆 21.I-II级气缸体O形圈 22.气缸螺栓螺母(4只) 23.I-II级气缸螺栓(4枚) 24.II级气缸体 25.II级压阀罩螺栓 26.II级压阀罩O形圈 27.II级压阀罩 28.II级吸气阀(1只) 29.II级缸盖定位销 30.后部活塞杆套管 31.活塞杆平衡块 32.II级气缸螺栓 33.气缸螺栓螺母 34.II级气缸体O形圈 35.II级气缸盖 36.II级缸盖O形圈 37.II级阀销接头 38.II级压阀罩螺纹销柱39.II级阀转销 40.II级排气阀(1只) 41.II级阀座垫圈 42.II级活塞 43.II级活塞环(3道) 44.活塞平衡块 45.螺栓(8枚，活塞平衡块用)图6-5CNG压缩机低压列(I平II)剖视图众所周知，活塞杆允许承受的拉伸应力值较高，而允许承受的压缩应力值因顾及其压杆稳定性而取的较低。图6-5所示之低压列(第级平衡容积第级)配置了特殊的级差式