1 前言
压缩天然气（CNG）作为汽车燃料，具有经济性、安全性、环保性等优点，已是各国公认的最现实最理想的汽车清洁燃料。大力推广天然气汽车，能显著地减少城市大气环境污染，环保效益十分显著，对促进天然气产业健康快速发展和能源结构多元化都有重要战略意义。
因此，在国家大力提倡绿色能源的背景下，积极挖掘天然气能源潜力，广泛应用于汽车领域，减少汽车对汽油的依赖，是我国能源接替战略的一个重要发展方向。
随着我国西气东输工程的投入使用，CNG技术在各地的应用更加广泛，不仅在天然气管网发达的四川、重庆等省市得到广泛应用。而且，在华东、中南、华北地区也从2006年起开始大面积启动，在西宁、新疆等高海帕高寒的西北地区现已建成部分加气站，但与市场的需求量来看，加气站能力已不能满足市场的需要，仍面临必须增加CNG站的数量及对原加气站的扩容。尤其对CNG站的关键核心设备天然气压缩机如何适应及满足高海帕、严寒、缺水、湿热等地区应用提出更高要求。因此，在设计压缩机时必须要有一个高的起点，在技术上应充分保证压缩机应能满足运行地域广泛、气象条件恶劣等工况的要求，满足持久、安全、可靠的运行。
本文依据近年来CNG站建设的实践经验，就高海帕高寒地区CNG压缩机冷却系统设计的方案对策，进行分析探讨，并提出优选方案，供同行参考商榷。
2 高海帕高寒地区工况特点
2.1 环境条件
年极端最高气温： 35.2℃
年极端最低气温： -28.2℃
最热月平均最高气温： 24.5℃
最冷月平均最低气温： -13℃
年平均相对湿度： 67％
年平均气压： 98.2kPa
2.2 工况特点
最热月平均最高气温不高，最冷月平均最低气温较低，且低于0℃ ，风沙扬尘较大。CNG压缩机具有运行地域极为广泛、气象条件差异极大的特点：严寒、高海拔、缺水、湿热等恶劣气候条件。
3 压缩机冷却部位和作用
天然气压缩机在运转期间，天然气经压缩后，不仅压力升高，而且气体温度升高，气缸和填料的工作表面温度也随之升高，机身润滑油温度也随之升高。因此，在压缩机运转时，需要进行级间、终级、气缸、填料、润滑油等的冷却。
3.1 级间冷却
经过压缩的天然气要使用级间冷却器进行级间冷却，以保证下一级压缩后温度不致于超过规定温度。压缩气体的级间冷却优劣直接影响到压缩机工作的可靠性与经济性。
终级冷却
终级压缩的天然气要使用终级冷却器进行终级冷却，以保证压缩机终级排出的天然气温度符合规定要求，即压缩天然气温度低于45℃或不高于环境温度15℃的要求；同时，可减小气体流动阻力损失或减小气体管道直径。经终级冷却器冷却后，使天然气温度降低，使气体中所含水分与油雾便于分离，以改善气体品质。
气缸和填料冷却
为使压缩机能正常运行，通过冷却带走气缸和填料的部分热量，减小摩擦磨损，因此，应对气缸进行冷却。
机身润滑油冷却
要使润滑油不致因温度过高引起润滑性能变化，同时，使传动机构各运动部位散热降温，润滑油也必须进行冷却，使油温保持在合适的范围内。
4 对冷却系统与设备的要求
依据高海帕高寒地区工况特点，对冷却系统与冷却设备的总体要求如下：
（1）必须满足热力设计中对各级间冷却与终级冷却的温度要求，即能释放所应导走的热量，满足压缩气体冷却的要求，压缩机终级气体排气温度低于45℃或不高于环境温度15℃的要求。
（2）满足润滑油冷却散热的要求。
（3）压缩机停机后，冷却介质防冻的要求。
（4）总传热系数高，使冷却器结构尺寸小、重量轻。
（5）流动阻力损失小。在气侧可减小压缩机所消耗的功，也可减少热交换器的热负荷。
（6）系统应简单可靠，便于清洗维修。
5 设备设计对策
鉴于高海帕高寒地区工况特点及对设备的要求，压缩机的冷却方式有全风冷式、循环水冷式和水风混合冷却式等三种设计方案对策。
5.1 采用风冷式冷却系统方案
压缩天然气采用空冷却器强制风冷却，气缸与填料水套和润滑油采用闭式循环水（环境温度低于0℃是采用防冻液）冷却，适用于高寒地区及特别缺水地区。
（1）气体的冷却
根据气体流动传热原理，使增压后的高温天然气在不锈钢翅片管做成的换热器内流动，风机产生的冷却空气则垂直于换热管束流过，使换热器热量快速传递，将天然气的热量带走，达到风冷却器强制冷却的目的。
天然气空冷却器采用高翅片以达到高效换热效果，按照使用当地的环境条件设计，保证可以在复杂的气候条件下有效地工作，使出口处的天然气温度不高于45℃或不比环境温度高15℃。天然气气路系统流程见图1。
（2）气缸和填料水套的冷却
普通全风冷式压缩机的气缸不设置散热翅片而采用自然冷却，机身润滑油则采用翅片管冷却器由风扇强制冷却。
但为保证气缸和填料水套的热量能有效带走，减小摩擦磨损，有效延长寿命，本文作者推荐压缩机主机各级气缸和填料应设置冷却水套，在空冷却器的下部设计相应传热面积的翅片管冷却器，通过空冷却器、水泵、管道等组成闭式循环水冷却系统对其进行循环冷却。
冷却循环液自各级气缸进水口通过进水汇管连接在风冷器循环水泵出口上，各级气缸冷却水排水口口汇于排水总管后回到风冷器中冷却，冷却水流量通过排水总管上的截止阀进行控制。因冷却气缸而升温的水，再通过空冷却器释放热量。在环境温度低于0℃时，采用防冻液替代冷却水。气缸填料和润滑油冷却水路系统流程见图2。
压缩机运转时，要使润滑油不致因温度过高引起润滑性能变化，同时，使运动部位散热降温，润滑油也必须进行冷却。
压缩机机身润滑油的冷却一般采用专门的列管式冷却器进行冷却。冷却循环液自机身油池冷却器进水口通过进水汇管连接在风冷器循环水泵出口上，机身油池排水口汇于排水总管后回到风冷器中冷却，冷却水流量通过排水总管上的截止阀进行控制。
5.2 采用水冷式冷却系统方案
压缩天然气、气缸与填料水套和润滑油采用开式循环水冷却。开式系统是指在环境空气中爆气降温的冷却水循环系统。冷却循环水因冷却气体、气缸与填料水套和润滑油而升温后，再送至玻璃钢水冷却塔、水池进行冷却，然后再通过水泵进行循环使用。
由于此种开式系统中的冷却循环水必须在环境空气中爆气降温，不仅水质不容易控制，而且还需定期补充水，并且冷却塔与管道配置及水泵要增加一次性投资，水泵与冷却塔中的风扇也要消耗一定电能。
在高寒地区使用采用水冷式冷却系统方案还应注意解决的问题及应采取的对策如下：
（1）在冬天使用的防冻问题及设计冷却系统的对策。
在室内地下设置水容积10m3以上的水池，水泵及管道等设置在室内，水池上的屋顶放置玻璃钢冷却塔。当压缩机在正常工作时，冷却水因冷却气体而升温后由玻璃钢冷却塔散热。当压缩机在停止工作时，冷却水即汇集在水池内，由于水池设置在室内，加之高寒地区的室内均设有暖气，因此，无须放掉冷却器、气缸水套等水路系统内的余水也不致冻裂设备。
（2）选择合理的换热器结构型式，提高冷却器换热效果，使冷却器结构尺寸小、重量轻。
应根据压力温度等技术参数选择合理的换热器结构型式，选择新型高效的换热元件。建议采用不锈钢材质的三维内肋管作为换热管，不仅可提高换热面积，同时，可将气体由层流变为紊流，提高传热系数。
（3）避免腐蚀结垢及便于清洗问题。
循环冷却水一般虽采用了电子除垢器或钠离子交换软化法进行处理，但效果不佳。循环冷却水的水质受各种因素的综合影响，浊度较高（有时高达600×10-6）、悬浮物含量高、硬度较高，甚至含油，菌藻滋生严重，水质较差。冷却水的循环使用，对换热器带来腐蚀、结垢和粘泥问题，尤其是管间环隙结垢相当严重，甚至被堵死，冷却效果极差，对压缩机的安全、稳定、长期运行构成较大危害。冷却芯子一旦结垢，采用抽出人工清除的办法极难清除。目前，正逐步推广循环水流再线清洗与化学循环水流停机清洗相结合的先进可行的除垢新工艺。因此，冷却芯子应便于抽出清洗，换热管要求采用不锈钢材质，以便于进行定期化学清洗除垢而不致化学腐蚀。
5.3 采用混冷式冷却系统方案
将玻璃钢冷却塔及水池这种开式冷却循环系统改为水循环风冷却器闭式循环系统，即各级排气、气缸填料水套、机身润滑油等的冷却采用闭式循环水冷却。循环水的热量通过翅片管式风冷却器进行强制换热冷却，循环水始终处于密闭系统内。
在闭式系统中，使冷却循环水在冷热交换时不和环境空气接触，使用含防冻液的软化水的闭式系统，在防止水垢、腐蚀等方面，有着强的综合优势。
（1）由于采用风扇吸风式强制冷却，换热效果好，在满足冷却循环水量需要情况下，实际所需要的水量不大，可设计成一定容积的水箱。因此，可在水箱内加注蒸馏水或纯净水，完全避免了冷却水本身水质差及蒸发浓缩等造成的腐蚀、结垢等一系列问题。特别是可以在水箱内改加注防冻冷却液，以适应冬季高寒的北方地区及沙漠缺水地区。
（2）对循环水进行强制冷却的空冷却器为低压设备，翅片换热管可采用铝材或铜材制造，传热效果比钢材更佳，制造难度和成本相对较低。
6 冷却方案特点比较
从上述高海帕高寒地区压缩机的冷却方式设计方案中，可以看出，风冷式、水冷式和水风混冷式等三种方案，各有特点。若换热器承担的热负荷相同、被冷却的压缩气体的降温相同的情况下，三种方案比较如下。
6.1 冷却效果方面
水冷式效果最好，水风混冷式效果其次，风冷式效果较差。开式循环水冷系统中，冷却水通过玻璃钢冷却塔喷撒，冷却水在环境空气中爆气降温彻底。压缩天然气经过水冷却器后出口处的天然气温度，一般不高于环境温度10℃。采用风冷式时，出口处的天然气温度一般比环境温度高10～15℃。
6.2 冷却器体积方面
水冷式体积最小，风冷式体积较大。空气的比热仅为水的1/4，则所需的空气量将为水的4倍，再由于为提高空气侧表面的换热系数，空冷器一般采用高翅片管作换热元件，因此，相对于水冷却器，风冷却器体积就大得多。
6.3 资源配置与经济性方面
在吸排气压力、排气量相同的情况下，混冷式CNG压缩机的制造成本高于风冷式，风冷式CNG压缩机的制造成本高于水冷式。但就加气站成套设备和占地费用进行比较，由于循环水冷式压缩机需配置循环水泵、玻璃钢冷却塔及盛水池、电子除垢器、水管路、水阀等，混冷式压缩机也需配置循环水泵、风冷器、水管路、水阀等，这些都会增加辅助设备费用和增加占地费用。可见不同冷却方式的天然气加气站，其建站总费用相差不大，甚至全风冷式CNG压缩机可能更为经济。
6.4 运行与维护方面
全风冷式CNG压缩机无需增添一整套的管道、泵、水处理辅助设备，空气可免费取得；由于水冷式系统存在腐蚀、结垢、清洗等一系列问题，风冷系统的维护费用一般为水冷系统的20%-30%，加上目前世界水资源供应形势日趋严峻，故风冷的优越性亦愈来愈突出。
6.5 振动与噪声方面
采用同样的成橇方式，水冷式压缩机的振动远小于全风冷式CNG压缩机。
在无特殊降声措施如设置隔声罩，全风冷式CNG压缩机的噪声远高于水冷式。
7 结论
综上分析讨论，兹得出如下结论：
（1）风冷式CNG压缩机具有全天候地域运行的极强适应性，在水冷式压缩机难以适应的高寒、缺水地区也能正常工作，表现出独特优点。本文推荐采用的风冷式系统中，压缩机气缸填料、润滑油采用一套由较小的风冷器、管道、泵等组成的闭式循环系统，比气缸无散热翅片而是自然冷却，各级气体冷却器、机身润滑油冷却器采用翅片管式的全风冷式系统更优越。
（2）根据压缩机个体的具体情况，客观、科学地选择压缩机的冷却方式。既不能认为水冷式压缩机一定安全可靠、排气温度低，也不能认为风冷式压缩机排气温度一定高。
（3）机身油池和气缸填料润滑注油器中设置防爆型电加热器，保证在高寒地区运行可靠。
参考文献：
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[2] 郁永章，等.容积式压缩机技术手册. 机械工业出版社，2000.11
[3] 高其烈.汽车加气站用国产天然气压缩机之崛起. 压缩机技术，2002.2
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[5] 高其烈.天然气汽车加气站用国产天然气压缩机的选择（一）. 压缩机技术，2003.2
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