往复式变频压缩机在CNG子站系统中的应用

FLUID MACHINERY Vo1．41，No．9，2013文章编号： 1005-0329(2013)09一OO40—04往复式变频压缩机在 CNG子站系统中的应用吴 军(四川金星压缩机制造有限公司，四川成都 610036)摘 要：对定频、变频与液压3种往复活塞式压缩机在CNG子站系统中应用进行了对比分析。模拟了压缩机排气量、轴功率随吸排气压力的变化关系，得到了性能变化的曲线图。数值模拟结果与压缩机的实际运行特性表明，CNG子站用变频往复活塞式压缩机在排气量、能耗、运行时间和智能化等性能指标方面更具竞争性。

关键词： 往复活塞式 ；变频压缩机；CNG子站中途分类号： TH45 文献标识码： A doi：10．3969／j．issn．1005—0329．2013．09．010Application of Reciprocating Piston Type CNG Variable Frequency Compressorin Daughter Station SystemWU Jun(Sichuan Jinxing Compressor Manufacturing Co．Ltd．，Chengdu 610036，China)Abstract： The applications of fixed—frequency reciprocating compressor，variable frequency reciprocating compressor and hy—draulic reciprocating piston compressor in CNG daughter station was comparatively analyzed．Through simulating the relation ofhow the capacity and shaft power change along with the variation of suction pressure and discharge pressure，the graph of perform—ance change is worked out．Th e numerical simulation results and actual operating characteristics of compressors indicate that thevariable frequency reciprocating compressor used in CNG daughter station is more competitive in capacity，energy saving，runningtime and intelligence than other type compressors.

Key WOldS： reciprocating piston type；variable frequency compressor；CNG daughter station1 前言CNG汽车加气站分为标准站、母站与子站 3种形式，目前这些气站主要采用活塞式压缩机来提高天然气的压力。根据驱动活塞的方式，常将活塞式压缩机分为液压活塞式和往复活塞式 2种。往复活塞式被广泛应用于 CNG标准站、母站与子站，而液压活塞式压缩机则由于其自身特点所限仅应用于子站 。

常规子站系统一般由拖车、卸气柱、压缩机、高中压储气井、控制室及售气机等6个部分构成。

到目前为止，常规子站系统用压缩机按主电机功率划分有3种规格：55kW、75 kW和90 kW。

长期以来，往复活塞式 CNG压缩机一直采用定频异步电动机驱动。与定频压缩机相比，变频收稿日期 ： 2012—11—27压缩机的运行效率较高、可靠性较好 。因此，近年来在 CNG市场，国内占统治地位的定频往复压缩机正受到国外变频往复压缩机的冲击，而在子站系统上，传统的往复活塞式压缩机又受到了液压活塞式压缩机的竞争。开发适合我国CNG加气站发展所需的变频往复活塞式压缩机，是压缩机领域的主要趋势之一。

2 CNG变频往复活塞式压缩机的工作原理与关键技术标准站、母站、子站用智能、高效、节能型CNG变频往复活塞式压缩机，是通过对压缩机负荷的检测，来进行压缩机转速的自动智能变频调节 ，以实现主电机在转速允许的范围内，始终处于2013年第41卷第9期 流 体 机 械 41满功率状态运行，从而达到有效利用电机功率、提高系统供气能力的目的 。

根据市场需求，我们开发了一种变频往复压缩机，其主电机在 3—100Hz频率内可以实现无极变速，变速范围转速上限高达 1480r／min，在低速时转矩平滑，无爬行现象，保证了设备在调速过程中运行平稳。在压缩机启动、运行、切换到停机的整个过程中，进行全过程的变频控制，确保压缩机运行时轴功率无限趋于饱和状态，提高了主电机实际利用率。

变频往复压缩机的控制系统采用 PLC辅以工程型交流变频器，组成自动智能变频调节系统。

PLC对运行中的压缩机实时进行压力、温度、功率、燃气浓度、振动、流量等参数的采集和处理，并通过模拟量模块对变频器进行即时控制，使变频主电机在宽调速范围内运行，满足安全可靠、节能、提高气量的目的。在子站系统中，变频往复活塞式压缩机可实现全程 自动启机、停机、自动切换、自动空转、自动排污、自动卸载等功能，实现了全卸气阶段无人值守。

常规(定频)压缩机的启动，一般采用晶闸管控制的软启动，启动电流为额定电流的2～4倍。

采用变频器启动，启动电流一般为额定电流的1．2～ 1．5倍，低速时可实现全负荷启动。压缩机在运行过程中，PLC在线全程监控主电机负荷情况。

当出现负荷变化的情况时，由PLC对变频器发出调整指令 ，变频器调整输出功率，从而调整电机转速，使压缩机处于合理运行状态，提高了能效比、降低了无用功耗损。由于启动过程电机转速匀速提高，电机负载逐渐增加，避免了电流过大造成对电网的冲击。在运行过程中，实时监控压缩机负荷情况，实现实时变速，始终保证压缩机轴功率无限趋于饱和状态，提高主电机实际利用率。停机过程则解决了普通电动机由最大转速到停止这一过程中由于速度降低过快而对压缩机产生的危害。使得变频电机始终处于可控过程，转矩平滑、运行平稳 ，提高了压缩机的使用寿命。

3 活塞式压缩机在子站系统中应用的对比分析衡量CNG子站系统用压缩机的工作能力(性能)，主要看每卸完一拖车气，压缩机工作的总时间、平均排气量与耗电量。

常规子站的工作流程是：由拖车通过卸气柱对压缩机供气，然后通过压缩机增压到设定压力(18～25MPa)对高、中压储气井进行加气，在此过程中高、中压储气井通过售气机对外进行高、中压售气，而低压售气则由拖车直充来完成。

由此可知，压缩机的进气压力将从最高约20MPa降低到约3MPa，压缩机的排气压力则长时间处于 18～25MPa之间。在该加压压缩阶段，通过理论计算与实际监测发现，定频压缩机的最大负荷出现在压缩机进气压力7～12MPa之间。

3．1 3种活塞式压缩机的特点(1)定频活塞式压缩机电机转速恒定，在低负荷运行阶段(特别是在低进气压力阶段)排气量过小、运行时间长，使得压缩机的平均排气量小、运行时间长、能耗大。

(2)液压活塞式压缩机其每一行程，油压总是从最低逐渐达到最大值后保持到压缩终了，故油泵电机电流是从最低逐渐达到最大值后保持到压缩终了。其每一行程电机电流变动范围远远超出66％的波动要求，影响到电网和电机的正常运行。电机负荷在低于70％时电机效率、功率因素严重下降，功耗增加，且每一行程的电机能力均未能充分利用，且排气量较小。

(3)变频活塞式压缩机始终保持主电机在允许转速范围内满功率运行。压缩机负荷高于设定值时，可 自动降低电机转速以降低轴功率，而负荷低于设定值时又可以自动提高电机转速以增大轴功率，即主电机始终处在满功率输出状态下运行。由于电机在满功率输出状态下的效率和功率因素均处于最佳状态，故而机组能耗低，平均排气量大。

液压活塞式的动力传递方式是，先将电动机的电能转换为驱动油泵的机械能，进而转化为液压油的压力能，再由液压油的压力能驱动活塞实现对天然气的压缩。往复活塞式压缩机的动力传递方式为，直接由电动机输出轴驱动曲柄连杆机构运动，实现对天然气的压缩，无液压系统能量转换及压力损失，故效率较高，能耗低。

3．2 数值模拟分析对比本文选择了主电机功率为 75kW 的液压活塞式、定频活塞式与变频活塞式 3种机型，分别进行了排气量与轴功率随吸气压力变化的模拟计算。

图1、2所示为当排气压力为 25MPa时，定频、变频、液压活塞式子站压缩机的排气量和功率42 FLUID MACHINERY Vo1．41，No．9，2013随吸气压力的变化。图 3、4所示为当排气压力20MPa时，定频、变频、液压活塞式子站压缩机的排气量和功率随吸气压力的变化。

县邑咖1进气压力[MPa(G)】图 1 排气压力 25MPa时，3种子站压缩机各工况排气量对比80，． 、4o暴暑邑咖霉 静暴ll 20进气压力[MPa(G)】图2 排气压力25MPa时，3种子站压缩机各工况轴功率对比02 11进气压力[MPa(G)I图 3 排气压力 20MPa时，3种子站压缩机各工况排气量对比图4 排气压力 20MPa时，3种子站压缩机各工况轴功率对比从图 1～4可以看出：(1)当进气压力为 11—20MPa时，变频活塞式压缩机的排气量约为液压活塞式压缩机排气量的 1．18～1．47倍，定频活塞式压缩机的排气量约为液压活塞式压缩机 的 1．08—1．14倍 ，变频式优于定频式及液压式。进气压力越大，变频机排气量相比液压机和定频机的增加幅度也越多。

(2)当进气压力为2—11MPa时，液压活塞式压缩机比定频活塞式压缩机的排气量大 1．2～1．01倍，而变频活塞式压缩机的排气量约为定频式及液压式的 1．48～1．18倍。

(3)在全卸气阶段，变频活塞式压缩机轴功率始终成一条直线，处于满功率运行状态。液压活塞式压缩机在进气压力为2—13MPa时，处于满功率运行状态；当进气压力为 13—20MPa时，功率随压力的升高而迅速降低。定频活塞式压缩机功率曲线呈抛物线型态，仅在 8～12MPa阶段处于满功率状态，其余阶段始终处于低功率运行。

(4)当排气压力为 20MPa时，液压活塞式压缩机平均排气量比定频往复活塞式略高；当排气压力为25MPa时，其平均排气量比定频往复活塞式略低。

(5)对比变频活塞式压缩机，其平均排气量大于液压活塞式压缩机和定频活塞式压缩机，当排气压力 25MPa时，平均排气量 比液压机 多2l％；当排气压力为 20MPa时，平均排气量比液压机多46％。

3．3 实际运行状况分析作者调研了多个正在运营中的 CNG加气子站，发现当拖车就位后，由于拖车压力较高，压缩机并不经常启动，而是由拖车直充售气机对外进行加气。在高进气压力阶段运行时，由于压缩机的排气量很大，故储气井将很快被加压到额定压力而使 压缩机停机，直到拖车压力降低至约13MPa左右，压缩机才会开机连续运行对储气井进行补气。所以，实际运行中的压缩机在考核其供气能力、耗能状况时应主要针对进气压力处于2—13MPa这一阶段，即低压进气段。

定频活塞压缩机由于电机恒转速的限制决定了其在进气压力处于 2—13MPa时，电机效率低下、排气量小、单位压降所用时间长，电机所作无用功将占据很大的比重。

液压活塞式压缩机受液压原理及液压件重量等所限，仅适合小排量、小功率、较高进气压力、进2013年第41卷第9期 流 体 机 械 43排气压差小的工况。但在该工况范围内由于压缩机的进、排气压差很大，气量的提升空间有限，供气能力仅比定频机略高。

变频活塞压缩机在进气压力为 2—13MPa时，随着负荷降低能够自动调高主电机转速以获得较大的功率，确保了排气量的提升，减少了单位压降所用的时间，降低了无功损耗，减少了能耗。

4 结论(1)变频活塞式子站压缩机相对于液压活塞式和定频往复活塞式，具有平均排气量大、总运行时间短、低压进气段排气量大、低压进气段时间短及全卸气阶段能效比高等优点；(2)变频活塞式压缩机在不同进气压力下运行时，其排气量均大于液压活塞式和定频往复活塞式，因此变频机平均气量最大，耗能最小，能效比最优；(3)通过对子站系统用活塞式压缩机的对比分析，变频活塞式压缩机具备了智能、高效、节能等优势，而主电机转速变频范围越大，这一优势也将越明显。可以预期，在未来的CNG活塞式压缩机领域，变频结构的市场竞争力更强。

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作者简介：吴军(1959一)，男，高级工程师，硕士学位 ，研究方向为装备制造，通讯地址：610036四川成都市金牛区金富路166号四川金星压缩机制造有限公司。

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作者简介：朱碧海(1967一)，男，博士，副教授，主要研究方向为液压传动与控制技术，通讯地址 ：430074湖北武汉市华中科技大学机械学院液压与气动中心。

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