变频活塞压缩机在CNG子站系统中的应用

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我们知道，CNG加气站主要采用活塞压缩机来实现增压加气的功能。而根据驱动活塞方式的不同，-般将活塞压缩机分为液压活塞式、往复活塞式。往复活塞式压缩机现被广泛应用于CNG加气站；液压活塞式压缩机则由于其自身特点所限仅运用于子站。

本文将就子站系统用 CNG变频压缩机的最新技术运用进行简单的介绍。

现阶段，常规子站系统用压缩机按主电机功率的不同分为3种类型：55 kW、75 kW、90 kW。

常规子站系统-般由以下几个部分构成：①拖车；②卸气柱；③压缩机；④高、中压储气井；⑤控制室；⑥售气机。

- 直以来，往复活塞压缩机均采用由定频异步电动机带动运动机构进行做功压缩，以实现增收稿 日期：2013-05-10压加气。经过理论研究并结合多年的实际运行结果，我们发现，该方式的效率低、排气量孝对主电机功率的利用率低↑年来在 CNG子站市场，受到国外往复活塞式压缩机厂家及国内液压活塞式压缩机的冲击越来越大。

根据市场状况、用户需求，经过多年的分析研究，四川金星压缩机制造有限公司开发出了智能、高效、节能型CNG变频往复活塞压缩机。该系列变频压缩机通过对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，始终处于满功率状态运行，以达到有效利用电机功率、提高打气能力的目的。

特别是在子站系统中的运用，使得变频往复活塞压缩机的各项指标得到了极大的提升。

2 CNG子站用变频往复活塞式压缩机的工作原理子站用变频往复压缩机，采用 PLC辅助工程2013年o4期(总第240期)应App用licati与on a测nd 葛 T--p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、流量等数据的自动监测、采集和处理，并通过模拟量拈对变频器进行即时控制，使主电机在宽调速范围内运行，满足安全可靠、节能、提高产气量的目的。实现了全程自动启机、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。

其变频方式采用了全新的全过程变频设计理念，主电机频率在 3～100 Hz内可以实现无级变速，变速范围转速上限高达 1480 r/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，提高电机实际利用率。PLC在线全程监控主电机负荷状况，当出现负荷变化情况时，由 PLC对变频器发出调整指令，变频器调整输出功率，从而调整主电机转速，使压缩机处于合理运行状态，提高了能效比、降低了无用功损耗。

常规定频压缩机-般采用晶闸管控制软启动，启动电流为额定电流的2～4倍。变频往复压缩机采用变频器启动 ，启动电流-般为额定电流的1.2-1.5倍，低速时可实现全负荷启动。由于启动过程中使电机转速匀速提高、电机负载逐渐增加，避免了启动电流过大而造成的对电网的冲击。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，提高压缩机实际利用率。停机过程则解决了普通电动机由最大转速到停止这-过程中，由于处于非控制过程而使速度降低过快造成的对压缩机的危害。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。

我们知道，衡量-台子站系统用压缩机的工作能力即是：每卸完-拖车气，压缩机工作的总时间、平均排气量、耗电量。下面，我们将通过对定频、变频、液压活塞式压缩机在子站系统中的应用来进行对比分析，进-步说明变频活塞式相对定频活塞式、液压活塞式压缩机的优势。

-2013年04期(总第240期)3 定频活塞式、变频活塞式、液压活塞压缩机在子站系统中应用的对比分析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(18～25 MPa)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压力约 20 MPa-直降低到约 3 MPa，压缩机的排气压力则长时间处于 18-25 MPa之间。在该加压压缩阶段，我们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 通过定频、变频、液压活塞压缩机各自运动规律及工作原理来进行对比从液压活塞式和往复活塞式的能量传递方式我们可以看出。液压活塞压缩机能量传递的路径为，首先由电动机将电能转换为动能驱动油泵工作，将动能转换为液压油的压力能驱动活塞实现对天然气的压缩。往复活塞压缩机能量传递的路径则为，直接由电动机将电能转换为动能驱动曲柄连杆机构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。

31 1 定频活塞压缩机由于其电机转速恒定，故而其在低负荷运行阶段 (特别是在低压力进气阶段)排气量过孝运行时间长，使得压缩机的平均排气量孝运行时间长、能耗大。

3.1.2 液压活塞压缩机其每-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-行程电机电流变动范围远远超出66%的波动要求，严重影响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-行程的电机能力均未能充分利用，且排气量较校31.3 变频活塞压缩机由于能始终保持主电机在允许转速范围内的满功率运行。故而在压缩机负荷高于设计值时，将可自动降低主电机转速以降低轴功率，而当负荷低于设定值时，又可自动提高主电机转速以增大轴功率，使得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其效率、功率因素均处于最佳状态，故而机组能耗低，平均排气量大。

3.2 通过计算数据曲线图进行对比我们选择了主电机功率为75 kW的 3种机型进行例证理论工况计算。

通过液压活塞式、定频活塞式、变频活塞式子站系统用压缩机的理论工况计算，我们可以初步得出以下结论 ：(1)相比定频往复活塞式及液压活塞式压缩机，变频往复活塞式压缩机克服了定频往复活塞式压缩机及液压活塞式压缩机的缺点，具有比液压活塞式及定频活塞式更高的运行效率和排气量。

(2)变频活塞式压缩机平均排气量大于液压活塞式压缩机和定频活塞式压缩机，理论计算排气压力25 MPa时平均排气量比液压机多21%；排气压力20 MPa时平均排气量比液压机多46%；(3)由于变频活塞式压缩机各压力阶段排气量均大于其余两类压缩机，故而其总运行时间最短、平均气量最大、耗能最孝能效比最优。

n薹 60 5O43oo020001Ooo02 3 4 5 6 7 B 9 10111213141516l7lg192O进气压力MPa(G)图 1 排气压力 25 MPa时，定频、变频、液压活塞式子站压缩机各工况排气对比78O0： 2 3 4 5 6 7 8 9 ioIl2l3l4l51617l81920进气压力MPa(G)图 2 排气压力 25 MPa时。定频、变频、液压活塞式子站压缩机各工况轴功率对比对上述结论，我们可以通过曲线图的方式来进行3种机型工况的直观对比验证，见图 1。

我们可以通过图2发现：(1)在进气压力处于 l1-20 MPa阶段∩以看出在此阶段变频式优于定频式及液压式。而且进气压力越大，变频机的气量比液压机和定频机大得也越多。

(2)在进气压力处于2-1l MPa阶段，液压活塞式压缩机仅比定频活塞式压缩机排气量略大。

(3)在全卸气阶段，变频活塞式压缩机轴功率始终成-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处于2～13 MPa阶段，处于满功率运行状态 在 13～20 MPa阶段，功率随压力的升高而迅速降低。定频活塞式压缩机曲线呈抛物线型态，仅在 8～12 MPa阶段处于满功率状态，其余阶段始终处于低功率运行。

3.3 通过实际运行中的实例进行分析说明经过在多个运营中的加气子站的调研，我们发现，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。在高压力进气阶段运行，由于压缩机排量很大，故而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，实际运行中压缩机在考核其打气能力、耗能状况时应主要针对进气压力处于2 13 MPa这- 阶段，即我们常说的低压进气段∩以说，谁能解决该阶段的气量与能耗问题，谁就是市场的赢家，所以解决低压进气段的排量问题才是王道。

定频机由于电机恒转速的限制决定了在该低负荷阶段电机效率低下、功率低、气量孝单位压降所用时间长，电机所作无用功将占据很大的比重。

液压机则受到液压原理及液压件重量所限，其仅适合小排量、小功率、较高进气压力、进排气压差小的工况。在该阶段由于压缩机的进、排气压差很大，故而由于其本身存在致命缺陷，气量的提升空间有限，在该阶段打气能力仅比定频机略高。

(下转第48页)2013年o4期(总第240期)- 用&M维修ainkerumc。

力的交变频率等于管段的自振频时，才能形成管段共振。三者缺-不可。

(3)进、排气形成的压力波，可由谐分析处理成许多阶 谐波”。在实际运行中，并非只有-次谐波 (其频率往往与压缩机转速相同)可造成这种共振，实践表明：有时二次或三次也可造成。

(4)管段的自振频，实际上在 (O.8-1.2).厂G范围内 为管段自振频率)，都能导致强烈震动。

(5)压缩机装置中，往往新安装的设备管道未发现振动，但在工作-段时间后出现了管道振动。这是因为新设备的管道支承较牢固，管道自振频率较高，但实际上其中存在高阶次的振动。

这种微小的振动，有时会使管道与支承摩擦，导致管道磨损或破裂；有时会使支承松动，使管段自振频率降低， 导致管道振幅变大或强力振动。

若出现这种现象时不足为怪。用加固支承无法解决时，在管段与容器接合处加装孑L板或止回阀便可解决。

(6)值得-提的是：某些国外压缩机装置中，供货制造商在管段与容器接合处，出厂时在管道内已焊入 孔板”以防万-∽板是个阻力元件，当然会增加功耗，但对氢气压缩机讲，因氢密度小，所造成的阻力损失也较校(7)用孔板或止回阀来减少管道振动的方法在前苏联有关管道振动的著作中早有提及，但原作者并未给出两者消振效果与阻力损失的比较。

本人也无这方面的理论研究与实践经验，只是觉得-些著作中把作为纵波的压力波遇到不同界面的反射阐述欠清晰；把孔板消振当成是-阻力元件，由此使气流速度达到音速，即亭 口，其中 为孔板阻力系数， 为孔中平均流速，口为当时音速，所起的减振作用最佳，值得商榷。

作者简介：郁永章(1934-)，男，教授，1957-l984年在西安交通大学压缩机教研室工作 ，1984-2000年在西安交通大学化工学院工作 ，主要研究方向，压缩机与制冷。

(上接第 78页)变频机在该阶段检测到负荷降低后，将智能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 对定频活塞式、变频活塞式、液压活塞式压缩机应用的总结变频活塞式子站压缩机相对液压活塞式和定频往复活塞式子站压缩机的优势在于：平均排气量大；总运行时间短；低压进气段气量大；低压进气段时间短；全卸气阶段能效比高∩以说，变频活塞式子站压缩机在排气量、运行总时间、能耗上全面超越了液压活塞式和定频往复活塞式子站压缩机。

通过上述对子站系统用活塞压缩机的对比分析，我们可以看出变频活塞压缩机具备了智能、高效、节能等优势，而主电机转速变频范围越大，48 l 瓣这-优势也将越明显。

我们可以预期，在未来的CNG活塞压缩机领域，变频压缩机将具备极大的优势和竞争力。