专利名称：：一种天然气汽车加气母站压缩机组的变频控制方法
技术领域：
：本发明涉及一种压縮机组控制方法，尤其涉及一种适用于天然气汽车加气母站压縮机组的变频控制方法。
背景技术：
：压縮天然气作为城市公共交通和短途运输的替代燃料，己经在国内得到越来越广泛的应用。在许多没有本地气源的地方，需发展母子站模式在天然气主干管道开口处设立母站，将管输天然气压縮至20MPa并充灌到槽车上的储气瓶组，再由槽车转运到城市子站；在子站，槽车利用子站设备给用气车辆加气，当槽车瓶组内压力卸至2MPa时，再返回母站加气。当前运行的母站，其压縮机平均加气能力为2000-2500NmVh，相当于日均标准供气量3X104-3.5X104NmVd，仅能满足4-6个子站用气。随着城市天然气加气子站的迅速发展，子站的数量和布局日趋合理，压缩天然气汽车数量及用气量显著增加，母站的供气能力显得不足，尤其用气高峰期供不应求的矛盾已影响到子站的正常供气。因此，充分发掘现有母站的供气潜力具有重要意义。随着变频调速技术的不断进步，变频调速技术已经应用于压縮机的气量调节。这些压縮机服务于空气动力或暖通空调行业，例如专利200610044264.2，公开了一种应用变频调速器调节电机转速的技术，将输出压力控制在设定值附近的一个较小范围内；又如专利申请200710041566.9，公开了一种变频率变流量热泵热水器，利用变频器改变压縮机转速调节热泵的制热量。在天然气汽车加气站领域，也有变频调速技术的应用，如专利00244644.8，公开了一种由两套压縮机组构成的加气站系统，其中一套机组为工频运行，另一组为变频运行当用气量需求较小时开启变频机组；当其不能满足用气需求时，则开启工频机组，而以变频机组做补充，直至也达到工频。总体而言，上述技术利用变频调节转速的目的，是为适应工艺需要，降低富余的供气量以实现节能。显然，这与母站压縮机增加加气能力的需求不一致。另一方面，母站压縮机是母站运行最主要的耗能设备，与一般工艺压縮机不同，母站压縮机给槽车加气时，其排气压力不断变化，负荷变动范围大，使得电机运行很多时间远离设计工况，电机效率及性能下降。
发明内容针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种天然气汽车加气母站压縮机组的变频控制方法，以提高现有母站压縮机的日均标准供气量，并降低系统运行的功耗，从而提高母站的运行效八rrft。本发明所述压縮机的标准供气量(以下简称供气量，Nm7h)，是指以入口处吸入的气量换算到标准状态即1个标准大气压、(TC的值，是表征母站加气能力的主要指标。为实现上述目的，本发明所依据的原理为由压縮机的工作原理可知，压縮机的功耗和供气量随转速、吸气压力和排气压力变化而变化。对母站压縮机而言，转速由拖动的电机决定；吸气压力接近于天然气管道的供气压力，基本保持不变；而排气压力近似等于槽车压力，其变化范围很大，排气压力越高功耗越高，但是供气量变化不大。当改变压縮机的转速后，在相同的吸、排气压力下，压縮机的供气量和功耗与转速近似成正比的变化，而需要的转矩不变。又由电机学可知，异步电机的转速主要由电机的供电频率决定，负载转矩的影响不大。进一步研究表明，当提高供电频率时的电机效率比工频时也有所提高，降低供电频率则相反。这样，当压縮机和异步电机组成压縮机组时，机组的转速主要取决于供电频率，机组的转矩主要取决于槽车压力，转速和转矩的乘积即是功率。压縮机在槽车压力较低时，需要转矩较小，此时可以将转速提升到较高水平，提高功率，也提高了供气量；随着槽车压力升高，转矩升高，功率也升高，这段时间是恒转速运行；当功率接近电机的额定功率后，再逐渐降低转速；直至槽车压力升至最高时，转速也降至额定转速，这段时间是恒功率运行。在连续给槽车加气时，一方面，由于槽车就位、接入以及脱开等调度需要时间，另一方面，前一辆车加满时压縮机组转速较低而新车开始加气时转速较高，机组加速也需要一段时间。为了使这两个时间能够复合利用，母站需配置站内储气瓶，在槽车调度、压縮机加速时向该储气瓶加气。当没有槽车时压縮机需要停机；槽车到达后又要开机。开、停机阶段都可以通过变频器控制，且这些时间内压縮机功耗都可以用来向站内储气瓶加气。因此，本发明的技术方案为-一种天然气汽车加气母站压縮机组的变频控制方法，所述压縮机组包括母站压縮机、变频异步电机和变频器，以及上位控制计算机，并配备站内储气瓶，该变频压縮机组在上位控制计算机指挥下，按下述方式工作(1)、确定变频控制的工艺参数，并存储于上位控制计算机内，这些参数包括(l.a)变频压縮机组的最高转速u取压縮机的工频转速仏的1.11.3倍作为变频运行的限定转速，即"羅=(1.11.3)w"，则变频器最高输出频率为/■=50X(/7,//7);(l.b)变频压縮机组的限定功率尸皿以变频异步电机的额定功率A的9398%作为变频运行的限定功率；(l.c)确定压縮机工频运行曲线在工频供电情况下，运行压縮机组对槽车加气，记录槽车压力A和电机功率尸的对应关系曲线，并拟合成函数表达式A尸(A);(1.d)变频压縮机组的转折压力A:利用上述函数表达式反求限定功率所对应的槽车压力，即解方程尸加尸尸(A.)，即为转折压力A;(2)、压縮机组的变频启动(2.a)使压縮机接通站内储气瓶；(2.b)以20Hz启动压縮机，维持IOs;(2.c)以0.5lHz/s的增量逐渐提高供电频率，直至达到工频50Hz，此过程中压縮机组逐渐加速到仏；(2.d)以0.1Hz/s的增量逐渐提高供电频率，直到达到最高频率/皿，此过程中压縮机组逐渐加速到仏;(3)、对槽车加气过程(3.a)槽车就绪后，使压縮机组接通槽车；(3.b)以固定的采样周期检测槽车压力a，采样周期取为510s;(3.c)若检测到/^A时，保持机组供电频率^i^;若检测到A〉A后，调整机组的供电频率为f50X[/L/戶(A)];(3.d)每个采样周期重复步骤(3.b)、(3.c)，直到槽车压力达到充满压力；(3.e)若还有槽车等待加气，则转至步骤(4);若没有槽车，则转至步骤(5);(4)、槽车切换(4.a)将压縮机接通站内储气瓶；(4.b)按步骤(2.d)加速压縮机，同时调度新的槽车就绪;(4.C)转步骤(3)对槽车加气；(5)、压縮机组的变频停车(5.a)使压縮机接通站内储气瓶；(5.b)以0.51Hz/s的递减量逐渐降低供电频率直至达到20Hz;;(5.c)以0Hz(直流电)注入电机，维持IOs;(5.d)切断机组供电，惯性停车；(6)、当新的槽车到达后等待加气时，若站内储气瓶压力高于该槽车压力，则将站内储气瓶接通槽车，向槽车加气。在上述步骤中，步骤(l.c)所述的压縮机工频运行曲线也即槽车压力-电机功率的对应关系，也可以用表格形式存储于上位控制计算机中，表格中槽车压力的间隔可取为lMPa或O.5MPa;在步骤(l.d)和步骤(3.c)需要进行函数运算时，以查表后再作插值运算获得所需数值。本发明的有益效果是按照以上方案，通过提高压縮机向槽车加气的平均转速，进而提高压縮机组的平均供气量，从而有效增加母站日均供气量；同时由于转速提升，机组的功率利用饱满，电机的效率提高，损耗降低，机组单位产气的耗电有所减少，具有明显的节能效果。图1是某台母站压縮机不同转速下功率尸。与槽车压力A的对应关系，吸气压力为1.5MPa;其中，纵坐标表示压縮机功率尸。，横坐标表示槽车压力A。图2是该母站压縮机不同转速下供气量C与槽车压力A的对应关系，吸气压力为1.5MPa;其中，纵坐标表示压縮机供气量"横坐标表示槽车压力a。图3是某变频异步电机的效率"随负载率A的变化关系，负载率为电机实际转矩与额定转矩的比值；其中，纵坐标表示变频异步电机的效率"，横坐标表示负载率h图4是母站压縮机组工频运行时的槽车压力^随时间time的变化历程；其中，纵坐标表示槽车压力A，横坐标表示时间time。图5是母站压縮机组工频运行时的压縮机功率尸。和电机功率&随时间time的变化历程；其中，纵坐标表示压縮机功率尸。和电机功率&，横坐标表示时间time。图6是母站压縮机组变频运行时的槽车压力A和压縮机转速/7随时间time的变化历程；其中，纵坐标表示槽车压力A和压縮机转速/，横坐禾示表示表示时间time。图7是母站压縮机组变频运行时的压縮机功率A和电机功率&随时间time的变化历程；其中，纵坐标表示压縮机功率尸。和电机功率&，横坐标表示时间time。具体实施例方式下面结合附图来进一步说明本发明的原理和技术方案。参见图1、图2:由压縮机的工作原理知，压縮机的功耗和供气量随转速、吸气压力和排气压力变化而变化。对母站压縮机而言，转速由拖动的电机决定；吸气压力接近于天然气管道的供气压力，其波动范围一般只有几个kPa，相对于MPa级别的平均供气压力，可近似视为不变；排气压力近似等于槽车压力，在加气过程中，槽车压力由2MPa逐渐升高至20MPa，因此排气压力变化的范围很大。进一步研究表明，定转速下，排气压力越高功耗越高，但是供气量变化不大。当改变压缩机的转速后，在相同的吸、排气压力下，压缩机的供气量和功耗基本与转速成正比的变化，而需要的转矩不变。以某台三级两列母站压縮机为例，取转速分别为600r/min、740r/min、900r/min，吸气压力固定为1.5MPa，排气压力在2MPa25MPa范围，压縮机的功率和供气量随排气压力和转速的变化关系分别如图1、图2所示。在740r/min转速下，该母站压縮机供气量在22202150Nm7h，变化的幅度不大；但是轴功率范围75275kW，变化幅度非常大。槽车最高压力为20MPa，此时的供气量为2160Nm7h，轴功率峰值为253kW，因此需要选配280kW的电机，负载率为26.790.4%。值得一提的是，母站压縮机较高的负载出现在槽车压力20MPa阶段，因此，母站机组大部分时间会处于轻载运行的状况。图1和图2还说明，当提高或降低转速时，压縮机的供气量和功耗与转速近似成正比变化。参见图3:由电机学可知，异步电机的转速主要由电机的供电频率决定，负载转矩的影响不大。当提高供电频率时的电机效率比工频时也有所提高，降低供电频率则相反。如图3所示，在工频供电下，满载时电机效率非常高，而随着负载率降低，电机效率有所下降；当负载率降至50%时，效率已低于90%;负载率进一步减小，效率开始迅速下降。采用变频器供电后，虽然不能改变这种变化趋势，但频率提高后，相同转矩下的电机效率有不同程度的提高；降低频率的效果则相反。例如，20%额定转矩时，70Hz供电仍然能够提供90%以上的电机效率；而采用25Hz供电，即使额定转矩下效率也仅有85%左右。那么，当电机和压縮机两者组成拖动系统时，整个机组的特性是压縮机的排气压力即槽车压力决定拖动所需的转矩，电机的供电频率决定机组的转速，两者相互作用决定整个机组的功耗、效率和供气量，并决定了加气过程特性。以前述三级两列母站压縮机为例，吸气压力/,浏Pa，排气压力(等于拖车压力)2iVMPa，电机工频转速仏二7^r/min，额定功率尸e二么知kW，比较现有工频拖动和本发明所述变频拖动两种方案的效果。1.工频拖动参见图4和图5，是在工频电机拖动下的加气过程曲线。加满一辆槽车用时卯min，平均加气速度i7<$7Nm7h;压縮机耗能i^kWh，电机耗电Ji》.5kWh，电机平均效率S&2劣，负载率低于70%的时间42min，占运行时间的4尸/。。2.变频拖动的实施例采用本发明所述变频控制方案。变频压縮机组包括母站压縮机、变频异步电机和变频器，以及上位控制计算机(plc或工控机)，并配备站内储气瓶。该变频压縮机组在上位控制计算机指挥下，按下述方式工作(1)、确定变频控制的工艺参数，并存储于上位控制计算机内，这些参数包括(l.a)变频压縮机组的限定转速以压缩机的工频转速仏的1.1~1.3倍作为变频后的限定转速，本例中二^Wr/min,则限定频率为二尸50X(900/740)二6A<5*Hz;(l.b)变频压縮机组的限定功率尸一以变频异步电机的额定功率尺的95%作为变频后的限定功率，/^:么知X(l.c)确定压縮机的工频运行曲线在工频供电情况下，运行压縮机组对槽车加气，记录槽车压力a和电机功率尸的对应关系曲线，此曲线即为图2中740r/min曲线。可以拟合成函数表达式卢尸二一ftW777^a4+。.^79伞/一么i7<a2+j^.7/^+76147;(l.d)变频压縮机组的转折压力a:利用上述函数表达式反求限定功率所对应的槽车压力，此即为转折压力，A二".7MPa;(2)、压縮机组的变频启动(2.a)使压縮机接通站内储气瓶；(2.b)以20Hz启动压縮机，维持10s;(2.c)以0.5lHz/s的增量逐渐提高供电频率直至达到工频50Hz，此过程中压縮机组逐渐加速到MOr/min;(2.d)以0.IHz/s的增量逐渐提高供电频率，直到达到最高频率^.甜z，此过程中压縮机组逐渐加速到r/min;(3)、对槽车加气过程-(3.a)槽车就绪后，使压縮机组接通槽车；(3.b)以固定的采样周期检测槽车压力A，采样周期一般取为510s;(3.C)若检测到A〈A时，保持机组供电频率SHz;若检测到A〉A后，调整机组的供电频率为卢50X(A)];(3.d)每个采样周期重复步骤(3.b)、(3.c)，直到槽车压力达到充满压力；(3.e)若还有槽车等待加气，则转至(4);若没有槽车，则转至(5);(4)、槽车切换(4.a)将压縮机接通站内储气瓶；(4.b)按(2.d)加速压縮机，同时调度新的槽车就绪；(4.C)转(3)对槽车加气；(5)、压縮机组的变频停车(5.a)使压縮机接通站内储气瓶；(5.b)以0.5lHz/s的递减量逐渐降低供电频率直至达到20HZ;;(5.c)以0Hz(直流电)注入电机，维持10s;(5.d)切断机组供电，惯性停车；(6)、当新的槽车到达后等待加气时，若站内储气瓶压力高于该槽车压力，则将站内储气瓶接通槽车，向槽车加气。参见图6和图7，是在上述变频控制下的加气过程曲线。加满--辆槽车用时"min，平均加气速度^^斜Nm7h;压縮机耗能i^i"kWh，电机耗电《傲6kWh，电机平均效率W.鄉，负载率低于70%的时间"min，占运行时间的^m。在上述步骤中，步骤(l.c)所述的压縮机工频运行曲线，也即槽车压力-电机功率的对应关系，也可以用表格形式存储于上位控制计算机中，表格中槽车压力的间隔可取lMPa或0.5MPa;在(l.d)和(3.c)需要进行函数运算时，以査表后再作插值运算获得所需数值。3.两种方案的经济性对比。首先，依照本发明所述技术方案，可使母站的日均标准供气量增加。母站压縮机变频运行，由于增加了平均加气速度，减小了每一辆槽车的加气时间，因而增加了日加气槽车的数量，即增加了日均标准供气量。对于本实施例，母站按每天工作16h计算，车辆就位、接入以及脱离按5min计算，母站天然气进销差价按每标准立方米0.5元、工业用电平均价格按每度电0.6元计算，则两种方案下母站压縮机组的运行经济性分析如表1所示。从对比可见，本发明所述技术方案可使母站日均供气能力提高20%，若增购变频器及改造费用需资金32万元左右，则100天即可回收投资。表1母站不同运行方案的经济性分析<table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table>其次，依照本发明所述技术方案，母站压縮机组因变频驱动使电机效率提高而节能。对于本实施例，加满一辆槽车，电机耗电有所降低，节能效果为:(，j識。+，.5xioo%=;%即使计入变频器的损耗(其效率约9698%),实际的节能效果仍有歷以上。权利要求1.一种天然气汽车加气母站压缩机组的变频控制方法，所述压缩机组包括母站压缩机、变频异步电机和变频器，以及上位控制计算机并配备站内储气瓶，其特征在于，该变频压缩机组在上位控制计算机指挥下，按下述方式工作(1)确定变频控制的工艺参数，并存储于上位控制计算机内，这些参数包括(1.a)变频压缩机组的最高转速nmax取压缩机的工频转速nn的1.1～1.3倍作为变频运行的限定转速，即nmax＝(1.1～1.3)nn，则变频器最高输出频率为fmax＝50×(nmax/nn)；(1.b)变频压缩机组的限定功率Pmax以变频异步电机的额定功率Pe的93～98％作为变频运行的限定功率；(1.c)确定压缩机工频运行曲线在工频供电情况下，运行压缩机组对槽车加气，记录槽车压力pt和电机功率P的对应关系曲线，并拟合成函数表达式P＝P(pt)；(1.d)变频压缩机组的转折压力pc利用上述函数表达式反求限定功率所对应的槽车压力，即解方程Pmax＝P(pc)，即为转折压力pc；(2)压缩机组的变频启动(2.a)使压缩机接通站内储气瓶；(2.b)以20Hz启动压缩机，维持10s；(2.c)以0.5～1Hz/s的增量逐渐提高供电频率，直至达到工频50Hz，此过程中压缩机组逐渐加速到nn；(2.d)以0.1Hz/s的增量逐渐提高供电频率，直到达到最高频率fmax，此过程中压缩机组逐渐加速到nmax；(3)对槽车加气过程(3.a)槽车就绪后，使压缩机组接通槽车；(3.b)以固定的采样周期检测槽车压力pd，采样周期一般取为5～10s；(3.c)若检测到pd<pc时，保持机组供电频率f＝fmax；若检测到pd>pc后，调整机组的供电频率为f＝50×[Pmax/P(pd)]；(3.d)每个采样周期重复步骤(3.b)、(3.c)，直到槽车压力达到充满压力；2.如权利要求书1所述的天然气汽车加气母站压縮机组的变频控制方法，其特征在于，步骤(l.c)所述的压縮机工频运行曲线，也即槽车压力-电机功率的对应关系，也可以用表格形式存储于上位控制计算机中，在(l.d)和(3.c)需要进行函数运算时，以查表后再作插值运算获得所需数值。3.如权利要求书2所述的天然气汽车加气母站压縮机组的变频控制方法，其特征在于，表格中槽车压力的间隔可取为lMPa或0.5MPa。全文摘要本发明公开了一种天然气汽车加气母站压缩机组的变频控制方法，所述压缩机组包括母站压缩机、变频异步电机和变频器，以及上位控制计算机，并配备站内储气瓶，该变频压缩机组在上位控制计算机指挥下，根据槽车压力的变化实时控制和改变母站压缩机组的转速当槽车压力较低时恒转速运行，在槽车压力较高时转为恒功率运行。本发明可以提高母站平均加气速度，增加日均供气量，提高现有母站压缩机机组运行的经济性；同时由于转速提升，机组的功率利用的比较饱满，电机的效率提高，损耗降低，机组单位产气的耗电有所减少，具有明显的节能效果。文档编号F04B49/00GK101451523SQ20081023649公开日2009年6月10日申请日期2008年12月26日优先权日2008年12月26日发明者侯雄坡,冯诗愚,云李,郁永章,郭良盛,顾兆林,高秀峰申请人:西安交通大学