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變頻活塞壓縮機在CNG子站系統(tǒng)中的應(yīng)用

   【壓縮機網(wǎng)】1 引言
 
  我們知道CNG加氣站主要采用活塞壓縮機來實現(xiàn)增壓加氣的功能。而根據(jù)驅(qū)動活塞方式的不同,一般將活塞壓縮機分為液壓活塞式、往復(fù)活塞式。往復(fù)活塞式壓縮機現(xiàn)被廣泛應(yīng)用于CNG加氣站;液壓活塞式壓縮機則由于其自身特點所限僅運用于子站。本文將就子站系統(tǒng)用CNG變頻壓縮機的z*新技術(shù)運用進行簡單的介紹。
 
  現(xiàn)階段,常規(guī)子站系統(tǒng)用壓縮機按主電機功率的不同分為3 種類型:55kW、75kW、90kW。常規(guī)子站系統(tǒng)一般由以下幾個部分構(gòu)成:1.拖車;2.卸氣柱;3.壓縮機;4.高、中壓儲氣井;5.控制室;6.售氣機。
 
  一直以來,往復(fù)活塞壓縮機均采用由定頻異步電動機帶動運動機構(gòu)進行做功壓縮,以實現(xiàn)增壓加氣。經(jīng)過理論研究并結(jié)合多年的實際運行結(jié)果,我們發(fā)現(xiàn),該方式的效率低、排氣量小、對主電機功率的利用率低。近年來在CNG子站市場,受到國外往復(fù)活塞式壓縮機廠家及國內(nèi)液壓活塞式壓縮機的沖擊越來越大。
 
  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。該系列變頻壓縮機通過對負荷的檢測來進行壓縮機轉(zhuǎn)速的自動智能變頻調(diào)節(jié),以實現(xiàn)主電機在轉(zhuǎn)速允許的范圍內(nèi),始終處于滿功率狀態(tài)運行,以達到有效利用電機功率、提高打氣能力的目的。特別是在子站系統(tǒng)中的運用,使得變頻往復(fù)活塞壓縮機的各項指標(biāo)得到了極大的提升。
 
  2 CNG子站用變頻往復(fù)活塞式壓縮機的工作原理
 
  子站用變頻往復(fù)壓縮機,采用PLC 輔助工程型交流變頻器,組成自動智能變頻調(diào)節(jié)系統(tǒng)。PLC對運行中的壓縮機實時進行壓力、溫度、功率、燃氣濃度、振動、流量等數(shù)據(jù)的自動監(jiān)測、采集和處理,并通過模擬量模塊對變頻器進行即時控制,使主電機在寬調(diào)速范圍內(nèi)運行,滿足安全可靠、節(jié)能、提高產(chǎn)氣量的目的。實現(xiàn)了全程自動啟機、停機、自動切換、自動空轉(zhuǎn)、自動排污、自動卸載等功能,實現(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)計理念,主電機頻率在3~100Hz內(nèi)可以實現(xiàn)無級變速,變速范圍轉(zhuǎn)速上限高達1480r/min在低速時轉(zhuǎn)矩平滑,無爬行現(xiàn)象,保證了設(shè)備在調(diào)速過程中運行平穩(wěn)。在壓縮機啟動、運行、切換到停機的整個過程中,進行全過程的變頻控制,確保壓縮機運行時軸功率無限趨于飽和狀態(tài),提高電機實際利用率。PLC在線全程監(jiān)控主電機負荷狀況,當(dāng)出現(xiàn)負荷變化情況時,由PLC 對變頻器發(fā)出調(diào)整指令,變頻器調(diào)整輸出功率,從而調(diào)整主電機轉(zhuǎn)速,使壓縮機處于合理運行狀態(tài),提高了能效比、降低了無用功損耗。
 
  常規(guī)定頻壓縮機一般采用晶閘管控制軟啟動,啟動電流為額定電流的2~4 倍。變頻往復(fù)壓縮機采用變頻器啟動,啟動電流一般為額定電流的1.2~1.5倍,低速時可實現(xiàn)全負荷啟動。由于啟動過程中使電機轉(zhuǎn)速勻速提高、電機負載逐漸增加,避免了啟動電流過大而造成的對電網(wǎng)的沖擊。運行過程中,實時監(jiān)控壓縮機負荷情況,實現(xiàn)實時變速,始終保證壓縮機軸功率無限趨于飽和狀態(tài),提高壓縮機實際利用率。停機過程則解決了普通電動機由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壓縮機的危害。使得變頻電機始終處于可控過程,轉(zhuǎn)矩平滑、運行平穩(wěn),提高了壓縮機的使用壽命。
 
  我們知道,衡量一臺子站系統(tǒng)用壓縮機的工作能力即是:每卸完一拖車氣,壓縮機工作的總時間、平均排氣量、耗電量。下面,我們將通過對定頻、變頻、液壓活塞式壓縮機在子站系統(tǒng)中的應(yīng)用來進行對比分析,進一步說明變頻活塞式相對定頻活塞式、液壓活塞式壓縮機的優(yōu)勢。
 
  3 定頻活塞式、變頻活塞式、液壓活塞壓縮機在子站系統(tǒng)中應(yīng)用的對比分析
 
  常規(guī)子站的工作流程是:由拖車通過卸氣柱對壓縮機供氣,然后通過壓縮機增壓到設(shè)定壓力(18~25PMa) 對高、中壓儲氣井進行加氣,在此過程中高、中壓儲氣井通過售氣機對外進行高、中壓售氣,而低壓售氣則由拖車直充來完成。由此可知,壓縮機的進氣壓力將從z*高壓力約20MPa 一直降低到約3MPa,壓縮機的排氣壓力則長時間處于18~25PMa 之間。在該加壓壓縮階段,我們通過理論計算與實際監(jiān)測發(fā)現(xiàn),定頻壓縮機的z*大負荷出現(xiàn)在壓縮機進氣壓力7~12PMa 之間。
 
  3.1 通過定頻、變頻、液壓活塞壓縮機各自運動規(guī)律及工作原理來進行對比
 
  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。液壓活塞壓縮機能量傳遞的路徑為,s*先由電動機將電能轉(zhuǎn)換為動能驅(qū)動油工作,將動能轉(zhuǎn)換為液壓油的壓力能驅(qū)動活塞實現(xiàn)對天然氣的壓縮。往復(fù)活塞壓縮機能量傳遞的路徑則為,直接由電動機將電能轉(zhuǎn)換為動能驅(qū)動曲柄連桿機構(gòu)實現(xiàn)對天然氣的壓縮,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
 
  由于其電機轉(zhuǎn)速恒定,故而其在低負荷運行階段(特別是在低壓力進氣階段) 排氣量過小、運行時間長,使得壓縮機的平均排氣量小、運行時間長、能耗大。
 
  3.1.2 液壓活塞壓縮機
 
  其每一行程,油壓總是從z*低逐漸達到z*大值后保持到壓縮終了,故油電機電流是從z*低逐漸達到z*大值后保持到壓縮終了。其每一行程電機電流變動范圍遠遠超出66%的波動要求,嚴(yán)重影響電網(wǎng)和電機的正常運行。電機負荷在低于70%時電機效率、功率因素嚴(yán)重下降,功耗增加,且每一行程的電機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
 
  由于能始終保持主電機在允許轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的滿功率運行。故而在壓縮機負荷高于設(shè)計值時,將可自動降低主電機轉(zhuǎn)速以降低軸功率,而當(dāng)負荷低于設(shè)定值時,又可自動提高主電機轉(zhuǎn)速以增大軸功率,使得主電機始終處在滿功率輸出狀態(tài)下運行。由于電機在滿功率輸出狀態(tài)下其效率、功率因素均處于z*佳狀態(tài),故而機組能耗低,平均排氣量大。
 
  3.2 通過計算數(shù)據(jù)曲線圖進行對比
 
  我們選擇了主電機功率為75kW的3 種機型進行例證理論工況計算。
 
  通過液壓活塞式、定頻活塞式、變頻活塞式子站系統(tǒng)用壓縮機的理論工況計算,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,變頻往復(fù)活塞式壓縮機克服了定頻往復(fù)活塞式壓縮機及液壓活塞式壓縮機的缺點,具有比液壓活塞式及定頻活塞式更高的運行效率和排氣量。
 
  (2) 變頻活塞式壓縮機平均排氣量大于液壓活塞式壓縮機和定頻活塞式壓縮機,理論計算排氣壓力25PMa, 時平均排氣量比液壓機多21%;排氣壓力20MPa, 時平均排氣量比液壓機多46%;
 
 ?。?) 由于變頻活塞式壓縮機各壓力階段排氣量均大于其余兩類壓縮機,故而其總運行時間z*短、平均氣量z*大、耗能z*小、能效比z*優(yōu)。
 
變頻活塞壓縮機在CNG子站系統(tǒng)中的應(yīng)用
 
  對上述結(jié)論,我們可以通過曲線圖的方式來進行3 種機型工況的直觀對比驗證,見圖1。
 
  我們可以通過圖2發(fā)現(xiàn):(1) 在進氣壓力處于11~20MPa, 階段。可以看出在此階段變頻式優(yōu)于定頻式及液壓式。而且進氣壓力越大,變頻機的氣量比液壓機和定頻機大得也越多。(2) 在進氣壓力處于2~11MPa, 階段,液壓活塞式壓縮機僅比定頻活塞式壓縮機排氣量略大。(3) 在全卸氣階段,變頻活塞式壓縮機軸功率始終成一條直線,處于滿功率運行狀態(tài)。液壓活塞式壓縮機在進氣壓力處于2~13MPa, 階段,處于滿功率運行狀態(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行。
 
  3.3 通過實際運行中的實例進行分析說明
 
  經(jīng)過在多個運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,壓縮機并不經(jīng)常啟動,而是由拖車直充售氣機對外進行加氣。在高壓力進氣階段運行,由于壓縮機排量很大,故而儲氣井將很快被加壓到額定壓力而使壓縮機停機,直到拖車壓力降低至約13MPa 左右,壓縮機才會開機連續(xù)運行對儲氣井進行補氣。所以,實際運行中壓縮機在考核其打氣能力、耗能狀況時應(yīng)主要針對進氣壓力處于2~13MPa, 這一階段,即我們常說的低壓進氣段??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,所以解決低壓進氣段的排量問題才是王道。定頻機由于電機恒轉(zhuǎn)速的限制決定了在該低負荷階段電機效率低下、功率低、氣量小、單位壓降所用時間長,電機所作無用功將占據(jù)很大的比重。
 
  液壓機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、較高進氣壓力、進排氣壓差小的工況。在該階段由于壓縮機的進、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略高。變頻機在該階段檢測到負荷降低后,將智能調(diào)高主電機轉(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間,降低了無功損耗,減少了能耗。
 
  4 對定頻活塞式、變頻活塞式、液壓活塞式壓縮機應(yīng)用的總結(jié)
 
  變頻活塞式子站壓縮機相對液壓活塞式和定頻往復(fù)活塞式子站壓縮機的優(yōu)勢在于:平均排氣量大;總運行時間短;低壓進氣段氣量大;低壓進氣段時間短;全卸氣階段能效比高??梢哉f,變頻活塞式子站壓縮機在排氣量、運行總時間、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。
 
  通過上述對子站系統(tǒng)用活塞壓縮機的對比分析,我們可以看出變頻活塞壓縮機具備了智能、高效、節(jié)能等優(yōu)勢,而主電機轉(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活塞壓縮機領(lǐng)域,變頻壓縮機將具備極大的優(yōu)勢和競爭力。

標(biāo)簽: 壓縮機空壓機  

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