一种天然气汽车加气子站的变频压缩机组的控制方法

专利名称：一种天然气汽车加气子站的变频压缩机组的控制方法
技术领域：
本发明涉及一种变频压縮机组的控制方法，特别涉及一种适用于 天然气汽车加气子站的变频压縮机组的控制方法。
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，一 般包括若干组储气瓶、 一台压縮机及其他设施；给用气车辆加气时， 先从槽车气瓶取气，然后利用站内气瓶组和压縮机进行加气，直至用 气车辆气瓶内压力达到20MPa;当站内气瓶组压力降低到一定限度 时，用压縮机从槽车气瓶取气并向站内气瓶组充气， 一般站内气瓶最 高储气压力为25MPa。因此，压縮机功耗是子站用能的最主要部分。 压縮机的载荷是随着其吸气压力、排气压力变化而变化的，槽车 气瓶内的压力开始很高，然后越来越低；而压縮机工作时，排气端所 接气瓶内压力会越来越高。这样压缩机的实际功耗会在很宽范围内变 化，而所选用电动机的额定功率必须高于这个范围的上限值，这样就 造成在实际运行时电动机多处于轻载状态。目前运行的子站，其压縮 机绝大多数是由工频电动机驱动的，工频下电动机轻载运行时的效率
很低。另一方面，当负载功耗变化时电动机转速基本不变；对压縮机 来讲，当其吸气压力降低时，排气量也降低，而此时恰恰需要提高其
排气量。
随着变频器的广泛应用，变频拖动系统被引入到加气站建设中。
中国专利号00244644.8公开了一种由两套压缩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。该方案可一定程度的满足气量 需求，不足之处是增加了投资而机组整体利用率不高；同时没有考察 不同工况时，变频压縮机组的运行频率是否为最佳。

发明内容
为了解决上述背景技术中所存在的问题，针对由单套变频压縮机 组构成的天然气汽车加气子站，本发明的目的在于提供一种能够在较 宽范围内提供均匀排气量、能够有效提升电机效率的变频压縮机组控 制方法。
本发明依据的原理是当压縮机吸气压力和排气压力不变时(称 为"确定工况点")，压縮机运行所需的转矩随转速的变化保持不变， 即压縮机为恒转矩负载。因此，在一个确定工况点下压縮机组可以选 择不同的运行频率，并且存在一个最佳运行频率与之相对应。而实际 运行的子站压縮机，吸气压力或排气压力总是不断的发生变动、或两 者均发生变动，从而使工况点发生变动，则压縮机所需转矩也就发生 变动，最佳运行频率亦会随之变动。因此子站压縮机的运行策略是-
应随时监视不断变化的工况，并随时调整机组的频率使之按最佳运行 频率运转。
计算表明，同一转矩下，频率越高则电动机效率越高，越是轻载 时这种状况越明显。因此，仅从节能角度考虑，从工频向上调速(高 于工频)优于向下调速(低于工频)。但是，不能一味的调高频率。 首先，同一转矩下，频率提高则电动机转速升高，功耗增大，调高运 行频率受到电动机额定功率的限制。其次，转速过高又会导致机组磨 损和振动加剧，降低寿命，因此必须为机组设置一个限定最高转速。
第二，压縮机转速越高则排气量越大，尤其是当吸气压力高于13 15MPa时，过高的排气量使气阀工作受到影响；另夕卜，如果排气端所 接容积相对于吸气端所接容积而言很小，例如从槽车气瓶吸气、向出 租车气瓶排气，就会出现吸气压力慢慢降低，而排气压力迅速升高， 如果机组来不及调整，会使得功耗迅速升高，因此必须为压縮机设置 一个限定最高排气量。
因此，子站变频压縮机组的最佳运行频率应依据压縮机的工况并
结合功耗、转速、排气量三个限制因素共同确定
在吸气压力的低压区， 一般是指低于4MPa，压縮机转矩很小， 因此可从工频向上调速，最佳运行频率受限于机组的限定最高转速。
在吸气压力的中压区， 一般是指高于4MPa并低于13MPa，压縮 机转矩较大，因此最佳运行频率受限于电动机额定功率，并考虑一定 的过载裕度，运行频率以使电动机达到95% 98%额定功率为最佳。
在吸气压力的高压区， 一般是指高于13MPa，压縮机转矩又有所
降低，但排气量增加很大，最佳运行频率受限于压縮机的限定最高排 根据上述原理，本发明采用的技术方案为
一种天然气汽车加气子站变频压縮机组的控制方法，所述天然气 汽车加气子站变频压縮机组包括由变频器和变频电动机等组成的电 动机装置以及由压縮机和卸荷罐等组成的压縮机装置两部分构成，按 如下方式实现
U)将子站压縮机实际运行的全部工况范围划分为互不相同的 工况区间，具体方法是
将吸气压力从最低值到最高值以固定长度为间隔进行分段，并顺 次排列，作为行坐标；将排气压力从最低值到最高值也以固定长度为 间隔进行分段，并顺次排列，作为列坐标；由此形成的表格就将压縮
机的全部工况范围分割为不同的工况区间。
本发明所述固定长度， 一般取为lMPa或0.5MPa，也可以取其它值。
(2) 根据子站的具体情况确定压縮机组最高限定转速、压縮机 的最高限定排气量。
(3) 当子站压縮机组在子站安装完毕后，进行在站调试，确定 每个工况区间的最佳运行频率，从而得到该压縮机组的最佳运行频率
表，具体方法是
选定一个工况区间，保持压縮机吸气端压力和排气端压力分别稳 定在该工况区间的压力段内；不断调整运行频率，并按以下原则确定
最佳运行频率如果所选工况区间的吸气压力处于低压区， 一般为低 于或等于4MPa时，最佳运行频率应使机组运行在限定最高转速；如
果所选工况区间的吸气压力处于中压区， 一般为高于4MPa并低于或 等于13MPa时，最佳运行频率应使电动机达到95% 98°/。额定功率； 如果所选工况区间的吸气压力处于高压区， 一般为高于13MPa时， 最佳运行频率使压縮机达到限定最高排气量。
对于其他的工况区间，分别重复以上操作，逐一获得各工况区间 的最佳运行频率，即可得到该压縮机组的最佳运行频率表；
也可以选定该表的一个行(或该列)，再在该行(或该列)上每 隔2个或2个以上的工况区间选定一个工况区间，确定它们的最佳运 行频率，该行(或该列)其余的工况区间的最佳运行频率用插值方法 确定，如三次样条插值、多项式插值等。
(4)当子站压縮机工作时，按当前工况对应的最佳运行频率调 节压縮机组的转速，具体方法是
首先同时采集吸气端和排气端所连储气容器内的压力，再将这两 个压力值映射到对应的工况区间，然后査询该区间的最佳运行频率 表，确定当前的最佳运行频率；将变频器的频率输出值修改为此最佳 值，并监视压縮机组的转速；当转速稳定后，再进行压力采集，重复 上述操作。
此外，所述变频压縮机组按如下方式启动 O)将压縮机管路接成卸荷状态，即吸气端接通卸荷罐，排气
端接站内低压储罐；
(2) 以10 20Hz的起动频率起动电动机；
(3) 延时3 5秒后，将变频器频率设定值设置为最佳运行频率 表中的最低频率；若该最低频率与20Hz之差大于5Hz，则以5Hz为 步长逐步增至最佳运行频率；每增一步须等待变频器自动调节直至其 输出频率等于设定频率；
(4) 到达该最低频率后使压縮机转入工作状态，即吸排气端根 据需要分别接通相应的储气容器；
(5) 按当前工况对应的最佳运行频率，调节压縮机组的转速； 若该工况的最佳运行频率与最佳运行频率表中的最低频率之差大于 5Hz，以5Hz为步长逐步增至最佳运行频率；每增一步须等待变频器 自动调节直至其输出频率等于设定频率。
以及，所述变频压縮机组按如下方式停机
(1) 将变频压縮机管路接成卸荷状态，即吸气端接通卸荷罐，
排气端接站内低压储罐；
(2) 将变频器设定频率设置为20Hz;若变频器当前频率与20Hz 之差大于5Hz，则以5Hz为歩长逐步降为至20Hz，每降一步须等待
变频器直至其输出频率等于设定频率；
(3) 当变频器频率输出稳定到20Hz后，监视卸荷罐内压力， 当压力降至低于压縮机组最高启动压力后，将变频器频率设定为 OHz。
(4) 监视机组转速，当转速低于100r/s后，关闭机组供电。 本发明的有益效果是
由于子站压縮机具有恒转矩负载特性，按照本发明所述技术方
案，可使变频压縮机组在30% 100%负载范围内均保持较高的电机 运行效率，比不变频运行平均高2% 3%，比其他变频方式高7% 8%，节能效果非常明显；在吸气压力变化时，可通过转速升降提供 较为均匀的气量供给能力；不需要独立的软起动器即可快速起动机组。


图1为变频时的电动机效率变化曲线，其中，横坐标表示电动机 的转矩系数即实际转矩与额定转矩的比值，范围0 1;纵坐标表示 电动机效率，范围0 1。
图2为变频压縮机组最佳运行频率表示意图；PS表示吸气压力， 单位Mpa;Pd表示排气压力，单位MPa。
图3为排气压力在21 22MPa的工况区间最佳运行频率变化趋 势；其中，横坐标表示以吸气压力上限为代表的工况区间，单位 MPa，例如横坐标为4MPa的点代表吸气压力3 4MPa、排气压力 21 22MPa这个工况区间；纵坐标表示最佳运行频率，单位Hz。
具体实施例方式
下面结合

本发明的原理和具体实施方式
。
本发明的原理为当压縮机吸气压力和排气压力不变时，此时压 縮机可视为恒转矩负载。但是不同频率下电动机的效率也会不同，因 此，对于每一个确定工况点有一个最佳运行频率与之相对应。当压縮 机工况点变动以后，压縮机所需转矩也会变化，最佳运行频率亦会随
之变动。
计算表明，同一转矩下，频率越高则电动机效率越高，如图l所
示。例如负载转矩为额定转矩的90%以上时，60Hz运行时效率为 93%，工频运行时效率为92%，而30Hz运行时效率只有86。/。。而且 越是轻载时这种状况越明显，例如负载转矩只有额定转矩的30%时， 60Hz运行时效率约为91%，工频运行时效率降为85%，而30Hz运 行时效率只有78%。因此，仅从节能角度考虑，从工频向上调速优于 向下调速。但是最佳运行频率应依据压缩机的工况并结合功耗、转速、 排气量三个限制因素共同确定。 最佳实施例
某天然气汽车加气子站，变频压縮机组由以下两部分构成(1) 变频器和变频电动机等组成的电动机装置；(2)由压縮机和卸荷罐等 组成的压縮机装置。变频电动机额定功率55kW，频率范围0 80Hz; 压縮机吸气压力范围2 19MPa (表压，下同)，排气压力范围 12 25MPa。
依照本发明所述方法，该变频压縮机组可按如下方式运行
(1) 根据压縮机组的技术参数，限定压縮机的最高排气量为 2000m3/h，限定机组的最高转速为1480r/min。
(2) 将子站压縮机实际运行的全部工况范围划分为193个工况 区间，具体是根据子站实际情况，将吸气压力从最低值到最高值均 匀分割为长度为lMPa的17个段，并顺次排列，作为行坐标；将排 气压力从最低值到最高值均匀分割为长度为lMPa的13段，并顺次
排列，作为列坐标；由此形成的表格就将压縮机的全部工况范围分割
为193个工况区间，排气压力大于吸气压力的为有效区间。
(3)当子站压縮机组在子站安装完毕后，进行在站调试，确定
每个工况区间的最佳运行频率，从而得到一张该压縮机组的最佳运行 频率表。具体试验时，可以选定排气压力相同的一行进行一个小组试 验，也可以选定吸气压力相同的一列作为一个小组。这里以行小组为
例进行说明
如图2所示，选排气压力为21 22MPa的一列作为小组。试验 时，先将排气压力稳定在21 22MPa范围内，吸气压力稳定在18 19MPa范围内，起动机组后将压縮机由启动频率以0.1Hz步长逐步升 速，到41.2Hz时检测到排气量达到限定最大排气量，则该工况区间 的最佳运行频率为41.2Hz。接着，保持排气压力不变，调节吸气压 力使之稳定在17 18MPa范围内，寻到的最佳运行频率为43.8Hz。
依此类推，当调节吸气压力使之稳定在12 13MPa范围内时， 调节频率到66.1Hz时首先遇到电动机95%额定功率，则该工况区间 的最佳运行频率为66.1Hz。然后调节吸气压力使之稳定在11 12MPa 范围内，寻到的最佳运行频率为62.6Hz。
依此类推，当调节吸气压力使之稳定在2 3MPa范围内时，调 节频率，到74Hz时首先遇到机组限定最高转速，则该工况区间的最 佳运行频率为74Hz。由此得到一个排气压力21 22MPa时的最佳运
行频率的数列，记为F2,.22
F21.220={74， 68.2， 62.4， 59.2， 57.5， 56.9， 57.2， 58.3， 60.1， 62.6，66.1， 63.6， 58.4， 53.8， 50.1， 46.7， 43.8， 41.2}
图3将该组数据绘成图线，可以更清晰的看出排气压力稳定在 21 22MPa时各工况区间最佳运行频率的变化趋势。
当时间有限时，也可以只选定有代表性的工况区间，确定其最佳 运行频率，其余的工况区间的最佳运行频率用插值方法确定，如三次 样条插值、多项式插值等。
例如，F21.22Q中的吸气压力在3 13MPa间的10个区间都是额定 功率限制段，可先每隔2个区间先后确定吸气压力12 13MPa、 9 lOMPa、 6 7MPa和3 4MPa这4个工况区间的最佳运行频率，得 到一个数列F^2^68.2， 57.5， 58.3， 66.1}，采用三次多项式插值补 充中间六个区间的值后，得数列？21.222:
F21-222={ 68.2， 63.1， 59.6， 57.5， 56.7， 57.0， 58.3， 60.3， 63.0， 66.1}
若采用三次样条插值，得数列F2L2 :
F2i-223={ 68.2， 63.1， 59.5， 57.5， 56.7， 57.0， 58.3， 60.3， 63.0， 66.1}
上述两种插值方法与F2I.22Q中对应数据差别不大，均可以使用。 当然也可以采用别的插值方法。
表中其他工况区间的最佳运行频率，可以仿照以上操作逐一确定。
(4)当子站压縮机工作时，按当前工况对应的最佳运行频率调 节压縮机组的转速，具体是首先同时采集吸气端和排气端所连储气 容器内的压力，再将这两个压力值归并到对应的相应的工况区间，然
后査询最佳运行频率表，确定当前的最佳运行频率；改变变频器的频
率输出值并监视压縮机组的转速，当转速稳定后，再进行压力采集， 重复上述操作。
此外，所述变频压縮机组按如下方式启动
(1) 将压縮机管路接成卸荷状态，即吸气端接通卸荷罐，排气 端接站内低压储罐；
(2) 以10 20Hz的起动频率起动电动机；
(3) 延时3 5秒后，将变频器频率设定值设置为最佳运行频率 表中的最低频率；若该最低频率与20Hz之差大于5Hz，则以5Hz为 步长逐步增至最佳运行频率；每增一步须等待变频器自动调节直至其 输出频率等于设定频率；
(4) 到达该最低频率后使压縮机转入工作状态，即吸排气端根 据需要分别接通相应的储气容器；
(5) 按当前工况对应的最佳运行频率，调节压縮机组的转速； 若该工况的最佳运行频率与最佳运行频率表中的最低频率之差大于 5Hz，以5Hz为步长逐歩增至最佳运行频率；每增一步须等待变频器 自动调节直至其输出频率等于设定频率。
以及，所述变频压縮机组按如下方式停机
(1) 将变频压縮机管路接成卸荷状态，即吸气端接通卸荷罐， 排气端接站内低压储罐；
(2) 将变频器设定频率设置为20Hz;若变频器当前频率与20Hz 之差大于5Hz，则以5Hz为步长逐步降为至20Hz，每降一步须等待 变频器直至其输出频率等于设定频率
(3) 当变频器频率输出稳定到20Hz后，监视卸荷罐内压力， 当压力降至低于压縮机组最高启动压力后，将变频器频率设定为
0Hz。
(4) 监视机组转速，当转速低于100r/s后，关闭机组供电。 依据本发明所述技术方案，不仅限于上述最佳实施例，所有根据
本发明所述技术实质或技术方案所做简单更改或等同变化，仍落在本 发明技术方案范畴之内。
权利要求
1、一种天然气汽车加气子站变频压缩机组的控制方法，所述天然气汽车加气子站变频压缩机组包括由变频器和变频电动机等组成的电动机装置以及由压缩机和卸荷罐等组成的压缩机装置两部分构成，其特征在于，按如下方式实现(1)将子站压缩机实际运行的全部工况范围划分为互不相同的工况区间，具体方法是将吸气压力从最低值到最高值以固定长度为间隔进行分段，并顺次排列，作为行坐标；将排气压力从最低值到最高值也以固定长度为间隔进行分段，并顺次排列，作为列坐标；由此形成的表格就将压缩机的全部工况范围分割为不同的工况区间(2)根据子站的具体情况确定压缩机组最高限定转速、压缩机的最高限定排气量；(3)当子站压缩机组在子站安装完毕后，进行在站调试，确定每个工况区间的最佳运行频率，从而得到该压缩机组的最佳运行频率表，具体方法是选定一个工况区间，保持压缩机吸气端压力和排气端压力分别稳定在该工况区间的压力段内；不断调整运行频率，并按以下原则确定最佳运行频率如果所选工况区间的吸气压力处于低压区，一般为低于或等于4MPa时，最佳运行频率应使机组运行在限定最高转速；如果所选工况区间的吸气压力处于中压区，一般为高于4MPa并低于或等于13MPa时，最佳运行频率应使电动机达到95％～98％额定功率；如果所选工况区间的吸气压力处于高压区，一般为高于13MPa时，最佳运行频率使压缩机达到限定最高排气量；对于其他的工况区间，分别重复以上操作，逐一获得各工况区间的最佳运行频率，即可得到该压缩机组的最佳运行频率表；也可以选定该表的一个行或该列，再在该行或该列上每隔2个或2个以上的工况区间选定一个工况区间，确定它们的最佳运行频率，该行或该列其余的工况区间的最佳运行频率用插值方法确定；(4)当子站压缩机工作时，按当前工况对应的最佳运行频率调节压缩机组的转速，具体方法是首先同时采集吸气端和排气端所连储气容器内的压力，再将这两个压力值映射到对应的工况区间，然后查询该区间的最佳运行频率表，确定当前的最佳运行频率；将变频器的频率输出值修改为此最佳值，并监视压缩机组的转速；当转速稳定后，再进行压力采集，重复上述操作；此外，所述变频压缩机组按如下方式启动(1)将压缩机管路接成卸荷状态，即吸气端接通卸荷罐，排气端接站内低压储罐；(2)以10～20Hz的起动频率起动电动机；(3)延时3～5秒后，将变频器频率设定值设置为最佳运行频率表中的最低频率；若该最低频率与20Hz之差大于5Hz，则以5Hz为步长逐步增至最佳运行频率；每增一步须等待变频器自动调节直至其输出频率等于设定频率；(4)到达该最低频率后使压缩机转入工作状态，即吸排气端根据需要分别接通相应的储气容器；(5)按当前工况对应的最佳运行频率，调节压缩机组的转速；若该工况的最佳运行频率与最佳运行频率表中的最低频率之差大于5Hz，以5Hz为步长逐步增至最佳运行频率；每增一步须等待变频器自动调节直至其输出频率等于设定频率；以及，所述变频压缩机组按如下方式停机(1)将变频压缩机管路接成卸荷状态，即吸气端接通卸荷罐，排气端接站内低压储罐；(2)将变频器设定频率设置为20Hz；若变频器当前频率与20Hz之差大于5Hz，则以5Hz为步长逐步降为至20Hz，每降一步须等待变频器直至其输出频率等于设定频率；(3)当变频器频率输出稳定到20Hz后，监视卸荷罐内压力，当压力降至低于压缩机组最高启动压力后，将变频器频率设定为0Hz；(4)监视机组转速，当转速低于100r/s后，关闭机组供电。
2、根据权利要求1所说的控制方法，其特征在于，所述的固定 长度取为lMPa或0.5MPa。
全文摘要
本发明公开了一种天然气汽车加气子站变频压缩机组的控制方法，将子站压缩机的全部工况范围划分为不同的工况区间；事先确定每个工况区间的最佳运行频率；当子站压缩机工作时，实时的循环采集吸气压力和排气压力，然后到相应的工况区间查询最佳运行频率以调节压缩机组的转速，可使变频压缩机组在30％～100％负载范围内均保持较高的电机运行效率，比不变频运行平均高2％～3％，比其他变频方式高7％～8％；在吸气压力变化时通过转速升降可提供较为均匀的气量供给能力；不需要独立的软起动器即可快速起动机组。
文档编号F04B49/02GK101382132SQ20081015104
公开日2009年3月11日 申请日期2008年9月22日 优先权日2008年9月22日
发明者侯雄坡, 冯亚林, 冯学强, 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