【壓縮機(jī)網(wǎng)】1 引言

 

　　我們知道CNG加氣站主要采用活塞壓縮機(jī)來實(shí)現(xiàn)增壓加氣的功能。而根據(jù)驅(qū)動(dòng)活塞方式的不同，一般將活塞壓縮機(jī)分為液壓活塞式、往復(fù)活塞式。往復(fù)活塞式壓縮機(jī)現(xiàn)被廣泛應(yīng)用于CNG加氣站；液壓活塞式壓縮機(jī)則由于其自身特點(diǎn)所限僅運(yùn)用于子站。本文將就子站系統(tǒng)用CNG變頻壓縮機(jī)的z*新技術(shù)運(yùn)用進(jìn)行簡單的介紹。

 

　　現(xiàn)階段，常規(guī)子站系統(tǒng)用壓縮機(jī)按主電機(jī)功率的不同分為3 種類型：55kW、75kW、90kW。常規(guī)子站系統(tǒng)一般由以下幾個(gè)部分構(gòu)成：1.拖車；2.卸氣柱；3.壓縮機(jī)；4.高、中壓儲(chǔ)氣井；5.控制室；6.售氣機(jī)。

 

　　一直以來，往復(fù)活塞壓縮機(jī)均采用由定頻異步電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行做功壓縮，以實(shí)現(xiàn)增壓加氣。經(jīng)過理論研究并結(jié)合多年的實(shí)際運(yùn)行結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)，該方式的效率低、排氣量小、對(duì)主電機(jī)功率的利用率低。近年來在CNG子站市場，受到國外往復(fù)活塞式壓縮機(jī)廠家及國內(nèi)液壓活塞式壓縮機(jī)的沖擊越來越大。

 

　　根據(jù)市場狀況、用戶需求，經(jīng)過多年的分析研究，四川金星壓縮機(jī)制造有限公司開發(fā)出了智能、高效、節(jié)能型CNG變頻往復(fù)活塞壓縮機(jī)。該系列變頻壓縮機(jī)通過對(duì)負(fù)荷的檢測來進(jìn)行壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的自動(dòng)智能變頻調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)主電機(jī)在轉(zhuǎn)速允許的范圍內(nèi)，始終處于滿功率狀態(tài)運(yùn)行，以達(dá)到有效利用電機(jī)功率、提高打氣能力的目的。特別是在子站系統(tǒng)中的運(yùn)用，使得變頻往復(fù)活塞壓縮機(jī)的各項(xiàng)指標(biāo)得到了極大的提升。

 

　　2 CNG子站用變頻往復(fù)活塞式壓縮機(jī)的工作原理

 

　　子站用變頻往復(fù)壓縮機(jī)，采用PLC 輔助工程型交流變頻器，組成自動(dòng)智能變頻調(diào)節(jié)系統(tǒng)。PLC對(duì)運(yùn)行中的壓縮機(jī)實(shí)時(shí)進(jìn)行壓力、溫度、功率、燃?xì)鉂舛?、振?dòng)、流量等數(shù)據(jù)的自動(dòng)監(jiān)測、采集和處理，并通過模擬量模塊對(duì)變頻器進(jìn)行即時(shí)控制，使主電機(jī)在寬調(diào)速范圍內(nèi)運(yùn)行，滿足安全可靠、節(jié)能、提高產(chǎn)氣量的目的。實(shí)現(xiàn)了全程自動(dòng)啟機(jī)、停機(jī)、自動(dòng)切換、自動(dòng)空轉(zhuǎn)、自動(dòng)排污、自動(dòng)卸載等功能，實(shí)現(xiàn)了全卸氣階段無人值守。

 

　　其變頻方式采用了全新的全過程變頻設(shè)計(jì)理念，主電機(jī)頻率在3~100Hz內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速，變速范圍轉(zhuǎn)速上限高達(dá)1480r/min在低速時(shí)轉(zhuǎn)矩平滑，無爬行現(xiàn)象，保證了設(shè)備在調(diào)速過程中運(yùn)行平穩(wěn)。在壓縮機(jī)啟動(dòng)、運(yùn)行、切換到停機(jī)的整個(gè)過程中，進(jìn)行全過程的變頻控制，確保壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)軸功率無限趨于飽和狀態(tài)，提高電機(jī)實(shí)際利用率。PLC在線全程監(jiān)控主電機(jī)負(fù)荷狀況，當(dāng)出現(xiàn)負(fù)荷變化情況時(shí)，由PLC 對(duì)變頻器發(fā)出調(diào)整指令，變頻器調(diào)整輸出功率，從而調(diào)整主電機(jī)轉(zhuǎn)速，使壓縮機(jī)處于合理運(yùn)行狀態(tài)，提高了能效比、降低了無用功損耗。

 

　　常規(guī)定頻壓縮機(jī)一般采用晶閘管控制軟啟動(dòng)，啟動(dòng)電流為額定電流的2~4 倍。變頻往復(fù)壓縮機(jī)采用變頻器啟動(dòng)，啟動(dòng)電流一般為額定電流的1.2~1.5倍，低速時(shí)可實(shí)現(xiàn)全負(fù)荷啟動(dòng)。由于啟動(dòng)過程中使電機(jī)轉(zhuǎn)速勻速提高、電機(jī)負(fù)載逐漸增加，避免了啟動(dòng)電流過大而造成的對(duì)電網(wǎng)的沖擊。運(yùn)行過程中，實(shí)時(shí)監(jiān)控壓縮機(jī)負(fù)荷情況，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)變速，始終保證壓縮機(jī)軸功率無限趨于飽和狀態(tài)，提高壓縮機(jī)實(shí)際利用率。停機(jī)過程則解決了普通電動(dòng)機(jī)由z*大轉(zhuǎn)速到停止這一過程中，由于處于非控制過程而使速度降低過快造成的對(duì)壓縮機(jī)的危害。使得變頻電機(jī)始終處于可控過程，轉(zhuǎn)矩平滑、運(yùn)行平穩(wěn)，提高了壓縮機(jī)的使用壽命。

 

　　我們知道，衡量一臺(tái)子站系統(tǒng)用壓縮機(jī)的工作能力即是：每卸完一拖車氣，壓縮機(jī)工作的總時(shí)間、平均排氣量、耗電量。下面，我們將通過對(duì)定頻、變頻、液壓活塞式壓縮機(jī)在子站系統(tǒng)中的應(yīng)用來進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)一步說明變頻活塞式相對(duì)定頻活塞式、液壓活塞式壓縮機(jī)的優(yōu)勢。

 

　　3 定頻活塞式、變頻活塞式、液壓活塞壓縮機(jī)在子站系統(tǒng)中應(yīng)用的對(duì)比分析

 

　　常規(guī)子站的工作流程是：由拖車通過卸氣柱對(duì)壓縮機(jī)供氣，然后通過壓縮機(jī)增壓到設(shè)定壓力（18~25PMa） 對(duì)高、中壓儲(chǔ)氣井進(jìn)行加氣，在此過程中高、中壓儲(chǔ)氣井通過售氣機(jī)對(duì)外進(jìn)行高、中壓售氣，而低壓售氣則由拖車直充來完成。由此可知，壓縮機(jī)的進(jìn)氣壓力將從z*高壓力約20MPa 一直降低到約3MPa，壓縮機(jī)的排氣壓力則長時(shí)間處于18~25PMa 之間。在該加壓壓縮階段，我們通過理論計(jì)算與實(shí)際監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，定頻壓縮機(jī)的z*大負(fù)荷出現(xiàn)在壓縮機(jī)進(jìn)氣壓力7~12PMa 之間。

 

　　3.1 通過定頻、變頻、液壓活塞壓縮機(jī)各自運(yùn)動(dòng)規(guī)律及工作原理來進(jìn)行對(duì)比

 

　　從液壓活塞式和往復(fù)活塞式的能量傳遞方式我們可以看出。液壓活塞壓縮機(jī)能量傳遞的路徑為，s*先由電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能驅(qū)動(dòng)油泵工作，將動(dòng)能轉(zhuǎn)換為液壓油的壓力能驅(qū)動(dòng)活塞實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣的壓縮。往復(fù)活塞壓縮機(jī)能量傳遞的路徑則為，直接由電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能驅(qū)動(dòng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣的壓縮，無液壓系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換及壓力損失，故效率較高，能耗低。

 

　　3.1.1 定頻活塞壓縮機(jī)

 

　　由于其電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定，故而其在低負(fù)荷運(yùn)行階段（特別是在低壓力進(jìn)氣階段） 排氣量過小、運(yùn)行時(shí)間長，使得壓縮機(jī)的平均排氣量小、運(yùn)行時(shí)間長、能耗大。

 

　　3.1.2 液壓活塞壓縮機(jī)

 

　　其每一行程，油壓總是從z*低逐漸達(dá)到z*大值后保持到壓縮終了，故油泵電機(jī)電流是從z*低逐漸達(dá)到z*大值后保持到壓縮終了。其每一行程電機(jī)電流變動(dòng)范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出66%的波動(dòng)要求，嚴(yán)重影響電網(wǎng)和電機(jī)的正常運(yùn)行。電機(jī)負(fù)荷在低于70%時(shí)電機(jī)效率、功率因素嚴(yán)重下降，功耗增加，且每一行程的電機(jī)能力均未能充分利用，且排氣量較小。

 

　　3.1.3 變頻活塞壓縮機(jī)

 

　　由于能始終保持主電機(jī)在允許轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的滿功率運(yùn)行。故而在壓縮機(jī)負(fù)荷高于設(shè)計(jì)值時(shí)，將可自動(dòng)降低主電機(jī)轉(zhuǎn)速以降低軸功率，而當(dāng)負(fù)荷低于設(shè)定值時(shí)，又可自動(dòng)提高主電機(jī)轉(zhuǎn)速以增大軸功率，使得主電機(jī)始終處在滿功率輸出狀態(tài)下運(yùn)行。由于電機(jī)在滿功率輸出狀態(tài)下其效率、功率因素均處于z*佳狀態(tài)，故而機(jī)組能耗低，平均排氣量大。

 

　　3.2 通過計(jì)算數(shù)據(jù)曲線圖進(jìn)行對(duì)比

 

　　我們選擇了主電機(jī)功率為75kW的3 種機(jī)型進(jìn)行例證理論工況計(jì)算。

 

　　通過液壓活塞式、定頻活塞式、變頻活塞式子站系統(tǒng)用壓縮機(jī)的理論工況計(jì)算，我們可以初步得出以下結(jié)論：

 

　?。?） 相比定頻往復(fù)活塞式及液壓活塞式壓縮機(jī)，變頻往復(fù)活塞式壓縮機(jī)克服了定頻往復(fù)活塞式壓縮機(jī)及液壓活塞式壓縮機(jī)的缺點(diǎn)，具有比液壓活塞式及定頻活塞式更高的運(yùn)行效率和排氣量。

 

　?。?） 變頻活塞式壓縮機(jī)平均排氣量大于液壓活塞式壓縮機(jī)和定頻活塞式壓縮機(jī)，理論計(jì)算排氣壓力25PMa, 時(shí)平均排氣量比液壓機(jī)多21%；排氣壓力20MPa, 時(shí)平均排氣量比液壓機(jī)多46%；

 

　　（3） 由于變頻活塞式壓縮機(jī)各壓力階段排氣量均大于其余兩類壓縮機(jī)，故而其總運(yùn)行時(shí)間z*短、平均氣量z*大、耗能z*小、能效比z*優(yōu)。

 

 

　　對(duì)上述結(jié)論，我們可以通過曲線圖的方式來進(jìn)行3 種機(jī)型工況的直觀對(duì)比驗(yàn)證，見圖1。

 

　　我們可以通過圖2發(fā)現(xiàn)：（1） 在進(jìn)氣壓力處于11~20MPa, 階段?？梢钥闯鲈诖穗A段變頻式優(yōu)于定頻式及液壓式。而且進(jìn)氣壓力越大，變頻機(jī)的氣量比液壓機(jī)和定頻機(jī)大得也越多。（2） 在進(jìn)氣壓力處于2~11MPa, 階段，液壓活塞式壓縮機(jī)僅比定頻活塞式壓縮機(jī)排氣量略大。（3） 在全卸氣階段，變頻活塞式壓縮機(jī)軸功率始終成一條直線，處于滿功率運(yùn)行狀態(tài)。液壓活塞式壓縮機(jī)在進(jìn)氣壓力處于2~13MPa, 階段，處于滿功率運(yùn)行狀態(tài)，在13~20MPa 階段，功率隨壓力的升高而迅速降低。定頻活塞式壓縮機(jī)曲線呈拋物線型態(tài)，僅在8~12MPa階段處于滿功率狀態(tài)，其余階段始終處于低功率運(yùn)行。

 

　　3.3 通過實(shí)際運(yùn)行中的實(shí)例進(jìn)行分析說明

 

　　經(jīng)過在多個(gè)運(yùn)營中的加氣子站的調(diào)研，我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)拖車就位后，由于拖車壓力較高，壓縮機(jī)并不經(jīng)常啟動(dòng)，而是由拖車直充售氣機(jī)對(duì)外進(jìn)行加氣。在高壓力進(jìn)氣階段運(yùn)行，由于壓縮機(jī)排量很大，故而儲(chǔ)氣井將很快被加壓到額定壓力而使壓縮機(jī)停機(jī)，直到拖車壓力降低至約13MPa 左右，壓縮機(jī)才會(huì)開機(jī)連續(xù)運(yùn)行對(duì)儲(chǔ)氣井進(jìn)行補(bǔ)氣。所以，實(shí)際運(yùn)行中壓縮機(jī)在考核其打氣能力、耗能狀況時(shí)應(yīng)主要針對(duì)進(jìn)氣壓力處于2~13MPa, 這一階段，即我們常說的低壓進(jìn)氣段?？梢哉f，誰能解決該階段的氣量與能耗問題，誰就是市場的贏家，所以解決低壓進(jìn)氣段的排量問題才是王道。定頻機(jī)由于電機(jī)恒轉(zhuǎn)速的限制決定了在該低負(fù)荷階段電機(jī)效率低下、功率低、氣量小、單位壓降所用時(shí)間長，電機(jī)所作無用功將占據(jù)很大的比重。

 

　　液壓機(jī)則受到液壓原理及液壓件重量所限，其僅適合小排量、小功率、較高進(jìn)氣壓力、進(jìn)排氣壓差小的工況。在該階段由于壓縮機(jī)的進(jìn)、排氣壓差很大，故而由于其本身存在致命缺陷，氣量的提升空間有限，在該階段打氣能力僅比定頻機(jī)略高。變頻機(jī)在該階段檢測到負(fù)荷降低后，將智能調(diào)高主電機(jī)轉(zhuǎn)速以獲得較大的功率，確保了排氣量的提升，減少了單位壓降所用的時(shí)間，降低了無功損耗，減少了能耗。

 

　　4 對(duì)定頻活塞式、變頻活塞式、液壓活塞式壓縮機(jī)應(yīng)用的總結(jié)

 

　　變頻活塞式子站壓縮機(jī)相對(duì)液壓活塞式和定頻往復(fù)活塞式子站壓縮機(jī)的優(yōu)勢在于：平均排氣量大；總運(yùn)行時(shí)間短；低壓進(jìn)氣段氣量大；低壓進(jìn)氣段時(shí)間短；全卸氣階段能效比高?？梢哉f，變頻活塞式子站壓縮機(jī)在排氣量、運(yùn)行總時(shí)間、能耗上全面超越了液壓活塞式和定頻往復(fù)活塞式子站壓縮機(jī)。

 

　　通過上述對(duì)子站系統(tǒng)用活塞壓縮機(jī)的對(duì)比分析，我們可以看出變頻活塞壓縮機(jī)具備了智能、高效、節(jié)能等優(yōu)勢，而主電機(jī)轉(zhuǎn)速變頻范圍越大，這一優(yōu)勢也將越明顯。我們可以預(yù)期，在未來的CNG活塞壓縮機(jī)領(lǐng)域，變頻壓縮機(jī)將具備極大的優(yōu)勢和競爭力。