专利名称：天然气子站系统及其压缩机调压跳级节能控制方法
技术领域：
本发明属于天然气技术领域，尤其涉及一种设置在城市无天然气管网处的天然气子站系统，还涉及一种应用到该天然气子站中的压缩机调压跳级节能控制方法。
背景技术：
当城市无天然气管网但要设立为汽车加气的加气站时，一般采用子站、母站的方式加以解决，实际上这包括了母站和子站两种结构。母站是在城市门站附近或天然气主管道附近设立的天然气加压站，它将该管道内的天然气进行压缩后储存在转运车槽罐内，然后再运输到无气源的地方，子站就利用储存于转运车槽罐内的天然气向汽车供气。
按照规定，运输用压力槽罐内的压力不能超过20MPa，而加气站应将汽车的储气瓶加至最高压力20MPa，显然子站必须另设增压设备。转运槽车将天然气以20MPa的压力从母站运往子站，子站压缩机启动，将天然气压缩至25MPa并储存在现场储气库中，从而可以对汽车进行两级加气，即先由转运槽车作为低压瓶组对车辆进行加气，然后由现场储气库作高压瓶组对车辆进行加气，当转运槽车的天然气压力降到3MPa时，转运槽车开往母站进行加气。由于压缩机一级气缸进气压力适用范围的限制，无法满足3MPa至20MPa这样宽的范围，因此，现有技术中使用最多的方法是将高压气体全减压至一定的数值，然后再统一经由压缩机的一级和二级气缸逐级将其升压至25MPa。以COOPER二级压缩机SA200为例，实际控制过程中是将7MPa至20MPa的天然气全减压至6. 5MPa，然后再进行两级压缩逐级提升气压至25MPa，将3MPa至7MPa的天然气直接进行两级压缩。由压缩机的功率排量关系可知，采用这种方法时压缩机一直采用较高的功率运行(最高功率75KW，此时70. 1KW)，并且排量也一直较低(最高排量2522Nm3/h，此时排量1588Nm3/h)，使整个子站的加气效率处于较低的状态。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种节能且高效的天然气子站系统。本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是天然气子站系统包括压缩机、冷却器及控制管路，在连接至天然气入口的管路上依次设有带有压力变送器的第一管路节点和第二管路节点，所述两个管路节点之间设有气动球阀，其中，—条管路直接连接至第一管路节点构成低压输出管，与售气机的低压管口连接；所述两个管路节点之间设有调压管路，所述调压管路包括气动球阀和调压器；所述第二管路节点经气动球阀和冷却器一级冷却连接至所述压缩机二级气缸的入口，同时所述压缩机一级气缸的出口连接至该气动球阀和冷却器之间的管路上；所述第二管路节点还连接至所述压缩机一级气缸的入口，后经气动球阀连接至压缩机二级气缸的出口，最后经冷却器二级冷却连接至高压输出管和中压输出管，所述高压输出管和中压输出管的管口均设有气动球阀；还包括连接至所述低压输出管的气源管路，该管路通过调压器为上述各气动球阀提供动力气源；还包括控制上述各气动球阀的电磁阀组，所述电磁阀组接收所述两个管路节点处、所述压缩机一级气缸出口和二级气缸出口处以及高压输出管和中压输出管处的压力变送器传送的控制信号，控制各气动球阀的气源的开关。优选地所述调压管路为并列的两条，在同一个气动球阀后设置两条并列的调压器支路，每条支路上均设有用于开启或者关闭本条支路的手动球阀，所述手动球阀设于气动球阀和调压器之间，通过该手动球阀的切换实现调压器的一用一备。优选地还包括用于收集各支路产生的多余气体并进行集中排放的放空管路。优选地还包括为所述压缩机机体的润滑油系统进行放空的主机放空管路，所述主机放空管路的入口连接至所述压缩机的各级气缸的相应放空接口，其出口连接至所述放空管路。优选地还设有连接至所述压缩机一级气缸出口的第一安全阀和连接至二级气缸 出口的第二安全阀，用以泄放多余气体使压力保持在设定值，所述第一安全阀和第二安全阀的出口连接至所述放空管路。优选地在所述天然气入口与第一管路节点之间、所述冷却器与所述压缩机二级气缸入口之间以及二级冷却输出管路上均设有过滤器。优选地在所述两个管路节点处、所述压缩机一级气缸出口和二级气缸出口处以及高压输出管和中压输出管上均设有用于进行信号上传的压力变送器，还设有进行现场压力显示的压力表。优选地所述高压输出管及中压输出管均连接至气瓶，用以存储系统升压后的天然气。优选地还包括用于在系统停机时储存管路中天然气的储气瓶组，所述储气瓶组的入口经气动球阀连接至所述第二管路节点后的管路上，其出口经手动球阀连接至所述放空管路。本发明的另一个目的是提供一种能耗低、排量高的天然气子站压缩机调压跳级节能控制方法。本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是其通过以下控制流程实现，所述天然气入口的气体压力小于3MPa时，系统停机；所述天然气入口的气体压力大于等于3MPa且小于7MPa时，通过电磁阀组控制各气动球阀，使天然气先后进入压缩机的一级气缸和二级气缸，得到两次压缩；所述天然气入口的气体压力大于等于7MPa且小于13MPa时，通过电磁阀组控制各气动球阀，使天然气进入调压管路减压至6. 5MPa，之后先后进入压缩机的一级气缸和二级气缸，得到两次压缩；所述天然气入口的气体压力大于等于13MPa且小于等于20MPa时，通过电磁阀组控制各气动球阀，使天然气进入压缩机的二级气缸，得到一次压缩。本发明具有的优点和积极效果是由于采用了上述设计，本发明的天然气子站系统提供了一种让压缩机节能高效运行的系统结构。分布于各支路中的压力变送器将压力值作为控制信号输出给电磁阀组，电磁阀组控制分布于各支路中的气动球阀，使从天然气入口处进入的、压力一直处于变化中的天然气分别经过不同的通路，得到不同步骤的压缩处理，最终达到能够为车辆进行加气的压力值。与现有技术相比，本发明充分利用了压缩机的特性，使之运行既节能又高效。
图I是本发明的天然气子站系统图；图2是天然气子站的进气压力一排量曲线图；图3是天然气子站的进气压力一功率曲线图。图中1、主机放空管路；2、第一安全阀；3、放空管路；4、第二安全阀；5、天然气入口 ；6、压力变送器；7、压缩机；8、过滤器；9、调压管路；10、高压输出管；11、中压输出管；12、冷却器；13、低压输出管；14、储气瓶组；15、电磁阀组。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下请参见图1，天然气子站系统包括压缩机7、冷却器12及控制管路，本实施例中，压缩机7为COOPER 二级压缩机SA200，功率为75KW。在连接至天然气入口 5的管路上依次设有带有压力变送器6的第一管路节点和第二管路节点，两个管路节点之间设有气动球阀。其中，一条管路直接连接至第一管路节点构成低压输出管13。两个管路节点之间设有调压管路9，该调压管路9包括气动球阀和调压器，为了提升系统的可靠性，将调压管路9设置为并列的两条，在同一个气动球阀后设置两条并列的调压器支路以实现一用一备，每条支路上均设有用于开启或者关闭本条支路的手动球阀，其中手动球阀设于气动球阀和调压器之间。第二管路节点经气动球阀和冷却器12的一级冷却连接至压缩机7 二级气缸的入口，同时压缩机7 —级气缸的出口连接至该气动球阀和冷却器12之间的管路上。第二管路节点还连接至压缩机7 —级气缸的入口，后经气动球阀连接至压缩机7 二级气缸的出口，最后经冷却器12的二级冷却连接至高压输出管10和中压输出管11，所述高压输出管10和中压输出管11的管口处均设有气动球阀。上述的各气动球阀的气源来源于连接至低压输出管13的气动球阀气源管路，该管路通过调压器为上述各气动球阀提供动力气源，此处的调压器将低压输出管13中的天然气调压至O. SMPa0还包括控制上述各气动球阀的电磁阀组15，该电磁阀组15接收两个管路节点处、压缩机7—级气缸出口和二级气缸出口处以及高压输出管10和中压输出管11处的压力变送器6传送的控制信号，控制各气动球阀的开关。本发明的天然气子站系统设置了放空管路3，用于收集各支路产生的多余气体并进行集中排放。还包括为压缩机7的润滑油系统进行放空的主机放空管路1，该主机放空管路I的入口连接至压缩机7的各级气缸的相应放空接口，其出口连接至放空管路3。还设有连接至压缩机7 —级气缸出口的第一安全阀2和和连接至二级气缸出口的第二安全阀4，用以泄放多余气体使压力保持在设定值，该第一安全阀2和第二安全阀4的出口连接至放空管路3。由于天然气中经常混有各种杂质，为保障子站系统稳定运行，在天然气入口 5与第一管路节点之间、冷却器12与压缩机7 二级气缸入口之间以及二级冷却输出管路上均设有过滤器8。在两个管路节点处、压缩机7 —级气缸出口和二级气缸出口处以及高压输出管10和中压输出管11上均设有用于进行信号上传的压力变送器6，还设有进行现场压力显示的压力表。本实施例中，子站系统中包含两个储气瓶组14。第一储气瓶组14为连接至高压输出管10及中压输出管11的气瓶，用以存 储系统升压后的天然气，车辆来加气时可直接由相应的气瓶中输出。另一储气瓶组14为用于在系统停机时储存管路中天然气的储气瓶组14，该储气瓶组14的入口经气动球阀连接至第二管路节点后的管路上，其出口经气动球阀连接至放空管路3。图2和图3是天然气子站的进气压力一排量曲线图和进气压力一轴功率曲线图，对应于表I的第一列、第三列和第四列。现有技术的控制方法是当进气压力大于3MPa且小于7MPa时，然后经历两级压缩；当进气压力大于等于7MPa且小于等于20MPa时，经调压管路9统一调压至6. 5MPa，然后经历两级压缩。从图中和表中可以看出，现有技术中采用统一减压至6. 5MPa再统一经历压缩机7的两级压缩的方法时，排量为1588Nm3/h，总功率为70. 1KW，可见此时整个子站系统的功率较高而排量较低，处于低效高耗能工作状态。本发明提供了解决这一问题的方法，即从子站系统的进气压力与排量和功率的关系出发，将进气压力即3MPa至20MPa的压力范围进行具体划分，分为小于3MPa、大于等于3MPa且小于7MPa、大于等于7MPa且小于13MPa、大于等于13MPa且小于20MPa几个段，每段均有不同的升压流程，表I的后两列写明了该控制方法(I)当天然气入口的气体压力小于3MPa时，系统停机；(2)当天然气入口的气体压力大于等于3MPa且小于7MPa时，通过电磁阀组15控制各气动球阀，使天然气先后进入压缩机7的一级气缸和二级气缸，得到两次压缩；(3)当天然气入口的气体压力大于等于7MPa且小于13MPa时，通过电磁阀组15控制各气动球阀，使天然气进入调压管路9减压至6. 5MPa，之后先后进入压缩机7的一级气缸和二级气缸，得到两次压缩；(4)当天然气入口的气体压力大于等于13MPa且小于等于20MPa时，通过电磁阀组15控制各气动球阀，使天然气进入压缩机7的二级气缸，得到一次压缩。表I SA200型75KW天然气子站的功率排量列表以及压缩机调压跳级控制列表
权利要求
1.一种天然气子站系统，包括压缩机、冷却器及控制管路，其特征在于在连接至天然气入口的管路上依次设有带有压力变送器的第一管路节点和第二管路节点，所述两个管路节点之间设有气动球阀，其中， 一条管路直接连接至第一管路节点构成低压输出管，与售气机的低压管口连接； 所述两个管路节点之间设有调压管路，所述调压管路包括气动球阀和调压器； 所述第二管路节点经气动球阀和冷却器一级冷却连接至所述压缩机二级气缸的入口，同时所述压缩机一级气缸的出口连接至该气动球阀和冷却器之间的管路上； 所述第二管路节点还连接至所述压缩机一级气缸的入口，后经气动球阀连接至压缩机二级气缸的出口，最后经冷却器二级冷却连接至高压输出管和中压输出管，所述高压输出管和中压输出管的管口均设有气动球阀； 还包括连接至所述低压输出管的气源管路，该管路通过调压器为上述各气动球阀提供动力气源； 还包括控制上述各气动球阀的电磁阀组，所述电磁阀组接收所述两个管路节点处、所述压缩机一级气缸出口和二级气缸出口处以及高压输出管和中压输出管处的压力变送器传送的控制信号，控制各气动球阀的气源的开关。
2.按照权利要求I所述的天然气子站系统，其特征在于所述调压管路为并列的两条，在同一个气动球阀后设置两条并列的调压器支路，每条支路上均设有用于开启或者关闭本条支路的手动球阀，所述手动球阀设于气动球阀和调压器之间，通过该手动球阀的切换实现调压器的一用一备。
3.按照权利要求I所述的天然气子站系统，其特征在于还包括用于收集各支路产生的多余气体并进行集中排放的放空管路。
4.按照权利要求3所述的天然气子站系统，其特征在于还包括为所述压缩机机体的润滑油系统进行放空的主机放空管路，所述主机放空管路的入口连接至所述压缩机的各级气缸的相应放空接口，其出口连接至所述放空管路。
5.按照权利要求3所述的天然气子站系统，其特征在于还设有连接至所述压缩机一级气缸出口的第一安全阀和连接至二级气缸出口的第二安全阀，用以泄放多余气体使压力保持在设定值，所述第一安全阀和第二安全阀的出口连接至所述放空管路。
6.按照权利要求I所述的天然气子站系统，其特征在于在所述天然气入口与第一管路节点之间、所述冷却器与所述压缩机二级气缸入口之间以及二级冷却输出管路上均设有过滤器。
7.按照权利要求I所述的天然气子站系统，其特征在于在所述两个管路节点处、所述压缩机一级气缸出口和二级气缸出口处以及高压输出管和中压输出管上均设有用于进行信号上传的压力变送器，还设有进行现场压力显示的压力表。
8.按照权利要求I所述的天然气子站系统，其特征在于所述高压输出管及中压输出管均连接至气瓶，用以存储系统升压后的天然气。
9.按照权利要求I所述的天然气子站系统，其特征在于还包括用于在系统停机时储存管路中天然气的储气瓶组，所述储气瓶组的入口经气动球阀连接至所述第二管路节点后的管路上，其出口经手动球阀连接至所述放空管路。
10.一种如权利要求I至9任一项所述的天然气子站系统的压缩机调压跳级节能控制方法，其特征在于通过以下控制流程实现， 所述天然气入口的气体压力小于3MPa时，系统停机； 所述天然气入口的气体压力大于等于3MPa且小于7MPa时，通过电磁阀组控制各气动球阀，使天然气先后进入压缩机的一级气缸和二级气缸，得到两次压缩； 所述天然气入口的气体压力大于等于7MPa且小于13MPa时，通过电磁阀组控制各气动球阀，使天然气进入调压管路减压至6. 5MPa，之后先后进入压缩机的一级气缸和二级气缸，得到两次压缩； 所述天然气入口的气体压力大于等于13MPa且小于等于20MPa时，通过电磁阀组控制各气动球阀，使天然气进入压缩机的二级气缸，得到一次压缩。
全文摘要
本发明属于天然气技术领域，尤其涉及一种天然气子站系统及其压缩机调压跳级节能控制方法。天然气子站系统包括压缩机、冷却器及控制管路，通过电磁阀组对控制管路中的气动球阀进行控制，能够接通不同的天然气通路，使来自天然气入口的、压力处于变化中的天然气经历不同的压缩处理过程最终均达到能够为车辆进行加气的压力要求。由于改进了现有技术中统一减压再统一进行两级升压的方法相比，本发明的天然气子站系统及控制方法明显发挥了压缩机的特性，使之排量增大的同时保持较低的功率，运行节能且高效。
文档编号F17D3/01GK102878427SQ20121034686
公开日2013年1月16日 申请日期2012年9月18日 优先权日2012年9月18日
发明者刘文芳 申请人:诺威尔(天津)能源装备股份有限公司