CN102322413B - 液力式油活塞天然气子站压缩机 - Google Patents

Abstract

一种液力式油活塞天然气子站压缩机，由高压油泵(1)、压力控制阀(2)、压力油箱(3)、液换向阀(4)、流量传感器(5)、桥式阀组(6)、气体压缩缸罐组、压力传感器(9)、压力继电器(10)、高压储气瓶(11)、自动控制系统(12)等组成。本发明既能与普通的天然气运输槽车对接，又不使用机械活塞和汽缸，它利用高密度天然气进气的压力能和液压系统的驱动动能在气体压缩罐内交替地进行进气、压缩、高压排气再切换的循环方式来完成天然气的增压压缩。具有节能环保，无摩擦，无泄漏，无噪声，温升缓慢，工作效率高等优点。

Description

液力式油活塞天然气子站压缩机

 技术领域：

本发明属于天然气压缩技术领域，特别涉及一种加气站使用的液力式油活塞天然气子站压缩机。

背景技术：

天然气作为能源它的使用和运输都是在高密度状态下进行，要使天然气达到高密度状态就需要消耗大量的动能，高密度状态的天然气内含了巨大的压力能。

天然气子站加气装置随着技术的不断进步和发展，已经出现了多种不同工作原理和结构的子站天然气压缩机或增压装置。它们大致分为三种类型：曲轴活塞式天然气压缩机、液压活塞式天然气压缩机、液压式压缩天然气加气装置。其技术性能分析如下：

1） 曲柄连杆活塞式压缩机

它结构比较复杂制造要求较高，但它是技术比较成熟的传统产品，使用较广。其工作原理是由气缸、气阀和作往复运动的活塞所构成的工作容积，并使其不断地来回变化（压缩）而进行。由电动机驱动曲柄连杆机构往复推动活塞1直接压缩气体（参见图1），设计中为了满足额定的压缩排量和电机起动扭矩和连续工作的要求，汽缸2的设计容积都不大，为了节省动能采用分级压缩。但是，活塞机构一次往复运动的压缩排气量与需要输出的排气量之比相差很大。因此，曲柄连杆运动机构必须要连续保持较高的速度进行压缩。要保持压缩天然气能够连续地输出还专门配备了储压罐。不仅能储存压缩气体，减少由于压缩机排气不连续产生的压力脉动，实现供气和用气的平衡。

但是此类压缩机在工作中，如果要对气源压力本来就很高的天然气进行增压，天然气很大的压力能通过进气阀作用在压缩缸的活塞上，而压缩机活塞的另一面为常压（一个大气压）两者间形成了巨大的压力差。压缩机的曲柄（轴）连杆机构必然受到很大的扭矩，电动机也必需配以大功率才能进行增压的作业。而且，活塞连杆机构的运动是快速的强惯性的往复运动，也要产生大量热量。散热速度跟不上产生速度，在短时间内无法散去，机器的温度上升很快，其中还有一部分能量转换为了噪音，再加上活塞的运动泄漏，整个压缩机的机械效率不高。再加上辅助电机风冷散热，所以需要电机的总功率是很大的。 另外，被压缩气体的膨胀力直接作用在活塞和曲柄连杆机构上，因此压缩机不能直接启动，压缩机如要再起动时，必须将压缩机后的高压气体放掉，电机才能带动“空”负荷压缩机起动，因此电能消耗很大。

2） 液压活塞式天然气压缩机

其基本工作原理是，利用液压系统推动活塞进行压缩工作。在全行程中都能对被压缩气体施加最大工作推力，没有惯性冲击和引发的噪声。充分利用液压系统容易获取高压的特点，用高压油直接驱动活塞压缩气体。

它结构上将两个互相作用的压缩缸排在了同一轴线上的两端，活塞杆的两端是压气活塞1，中间是油缸及活塞3（参见图2）。这样，天然气巨大的压力能作用在活塞的两端，受力的方向正好相反，巨大的压力能被正负抵消。天然气需要增压的力就是天然气增压前到增压后这段压力差值的动力，因此能耗大大的降低。

   又因液压系统2的机械效率比曲柄连杆机构要高，所以电机功率大幅度降低。

但是，活塞的运动密封结构处，在往复运动过程中存在气体和液压油泄漏的缺点。另外，被压缩气体的膨胀力通过活塞作用在液压系统上，对液压系统基本没有影响，因此压缩机能够随时直接启动。为了维持压缩天然气的供气量和压缩输出量的平衡，仍然要配置储压罐。

3）液压式压缩天然气加气装置

其基本工作原理是利用液压油为工作介质，它直接用高压油泵将高压油注入罐瓶内，没有汽缸和活塞，工作行程大，在储气罐瓶内的全行程中都能对被压缩气体施加最大压缩推力，动能的转换效率较高。

技术特征：工艺流程简单，结构中省去汽缸和活塞，克服了泄漏，压缩过程非常平稳，利用气瓶内气体的余压进行回油。省去了专用储压罐；结构更为简单。

但是，在天然气的输售活动中，天然气运输槽车与压缩机或压缩装置是两部分各自独立的设备。液压式压缩天然气加气装置在子站没有压缩缸工作部分（压缩罐），只有液压泵，油箱，仪表气源，控制部分等，不能成其为一个完整的系统，它不能独立工作。

天然气运输槽车是一辆由多个高压天然气储气罐瓶2和半拖挂承载底盘1（如图3）以及牵引汽车所组成的专用车辆。它的主要职能是运输天然气。

但是，液压式压缩天然气加气装置的压缩方式却要利用天然气运输槽车的高压天然气储气罐瓶2作为压缩装置的一个重要工作部分（作压缩罐使用）。因此，就必须对普通的天然气运输槽车进行相应的改造:  一 增加各气瓶之间自动切换的气动控制系统和气动阀门;  二 在原来只有一条天然气输出高压管道的基础上还增加两条高压油输入管道和接头以及切换阀门的控制管线等;  三 液压式压缩天然气加气装置的压缩方式对高压天然气储罐瓶的工作姿态有特定的要求，在注油加压时必须是油3在下气在上，因此高压天然气储气罐瓶2必须是竖直或者倾斜的姿态。要实现这一目的，天然气运输槽车的半拖挂承载底盘上还得添加一套液压抬升的仰卧启动支架。

从工艺流程上看过程很简单。但实际上把一个大家都能通用的天然气运输槽车变成了特种专用槽车，而且把身处子站的油泵、油箱仪表、气源以及控制部分等分开，成为不完整的系统。一旦离开了这特种专用槽车加气子站就不能工作。

在如何处理和利用气源天然气的压力能的问题上，由于结构所定，液压系统将液压油压入特种天然气运输槽车的储气瓶对天然气增压后，瓶内的液压油依靠气源天然气的压力能将其压推回常压油箱内，多余的天然气的压力能基本被空放。而且在这过程中还带出部分天然气释放在大气中，造成了一定的安全和环境问题。接前面所述，常压的油箱上装有浮子式液位计，它就是用来控制液压系统对天然气增压的进油数量的控制部件。但是它只能工作在常压条件下。因此液压系统的高压油泵4只能吸入常压的液压油，加压至高压而完成增压工作的。气源天然气的压力能只做了部分的利用。

三者相比之下，前述的曲柄连杆活塞式压缩机和液压活塞式天然气压缩机由普通天然气运输槽车为气源运输车，建站投资较省，但能耗偏高。而液压式压缩天然气加气装置则需要特种专用天然气运输槽车，能耗降低建站投资偏高。

发明内容：

本发明的目的是提供一种既能与普通的天然气运输槽车对接工作，又不使用机械活塞和汽缸的液力式油活塞天然气子站压缩机。它利用液压油在气体压缩罐内的液位升降代替机械活塞，利用高密度天然气进气的压力能和液压系统的驱动动能在气体压缩罐内交替地进行进气、压缩、高压排气再切换的循环方式来完成天然气的增压压缩。 

本发明的目的是这样实现的：设计一种液力式油活塞天然气子站压缩机，在进口管路的入口旁装有进口阀门，在出口管路的出口旁装有出口阀门，其关键是：在进口阀门后面设有压力传感器，该压力传感器后方的进口管路上通过三通管分别连接压力油箱和桥式阀组，在该桥式阀组的进口管路的对角线上设置出口管路，在该出口管路上经三通管安装有高压储气瓶，在该出口三通管与桥式阀组之间设有压力继电器；所述桥式阀组的另一对角线上分别装有气体压缩缸右罐、气体压缩缸左罐，这两个气体压缩缸罐的底端依次经电液换向阀、流量传感器和高压油泵与压力油箱的底端连通，形成封闭循环回路；所述气体压缩缸右罐、气体压缩缸左罐构成气体压缩缸罐组。在所述高压油泵的喷油口与压力油箱底部之间还设有一支管，在该支管上装有压力控制阀；所述气体压缩缸右罐、气体压缩缸左罐的位置比压力油箱位置高，静压条件下，气体压缩缸右罐和气体压缩缸左罐的最低液面与压力油箱的最高液面在同一水平面上；所述流量传感器测得的油量信号及压力传感器测得的压力信号同时传入自动控制系统，经处理后发送给电液换向阀，该电液换向阀接收指令控制气体压缩缸左右罐的切换。每次压缩行程的进油量和交替切换频率均由流量传感器控制单元通过电液换向阀完成。所述压力继电器测得的压力信号传给自动控制系统，由自动控制系统指令高压油泵启动，泵出高压油。

本发明利用气源天然气进气的压力能，节省动力。其压缩机的结构按帕斯卡定律的要求将液压装置的高压油泵、油箱与气体压缩缸左右罐、桥式阀组等的进和出相连在一起形成封闭的循环回路。天然气进气的压力能直接作用在循环回路内。在静压条件下各处的压力均等于天然气进气的压力。如果需要把进入的天然气压缩到所设定的高压值时，只需要高压油泵加压补充天然气压缩前后压差之间的能量，而不再需要高压油泵将液压油从常压升到排气所需的高压，因此可以极大的降低电机的能耗，随之噪声和温升都得到降低。

本发明将气体压缩缸罐组的安装位置升高，使气体压缩缸罐组的底部处在相对于压力油箱上部的位置，压缩机在工作前，先对气体压缩缸左右罐以及压力油箱加入液压油，加入液压油后要确保水平液面在气体压缩缸罐内的液面是气体压缩缸罐的最低工作位置，在压力油箱里的液面是压力油箱的最高位置，并且气体压缩缸右罐和气体压缩缸左罐的最低液面与压力油箱的最高液面在同一水平面上。其他的液压件例如，高压油泵、流量传感器、电液换向阀、压力控制阀等均浸沐工作在水平液压油面之下。当天然气进气的压力沿管道进入时，在静压条件下，各处的压力均等于天然气进气的压力。

这时高压油泵的进、排油口处的两边，压力相等。如果把天然气压缩到高压排气所设定的压力值时，只需要高压油泵加压补充天然气压缩前后压差之间的能量，而不再需要高压油泵将液压油从常压（一个大气压）压升到排气所需的高压。因此可以极大的降低电机的能耗，举例说明：如果天然气的气源压力是18 MPa，需要经过压缩机增压到20 MPa后输出。它们前后之间的压力差值只有 2 MPa。按以往常规的办法压缩机必须克服作用在其活塞上的18 MPa的巨大压力才能将压力增至20 MPa，因为活塞另一端的压力是处在一个大气压0.1MPa的条件下，所以需要付出的动能是很大的。但是采用本发明只需进行增压2 MPa的动力输出，可极大的节约电能。

在实际的压缩过程中，因为气源的天然气压力不是恒定不变的，本发明特别在气源的进口处设置有进气压力传感器，它将随机测得的压力信号反馈给压缩自动控制系统，压缩自动控制系统立即调整压缩的进油量（油活塞的行程）和两列气体压缩罐工作切换的频率，以确保压缩机的正常输出及合理的使用动力。

所述桥式阀组由四个单向阀组成，其中靠近进口管路的二个单向阀开启端相对设置，靠近出口管路的二个单向阀止回端相对设置。采用该结构使高压排气和向气体压缩缸罐进气（相当于活塞式压缩机的吸气）通过一个桥式阀组利用气源天然气的压力能来完成。当气源的高密度天然气的压力能满足直接加注条件时，桥式阀组能让其直接通过进入加气计量机。同样，经本发明增压后的天然气也能让其储压后进入加气计量机。反之气源天然气的压力下降或偏低桥式阀组就将其转为压缩机的进气动作。

所述电液换向阀选用三位四通阀，其中气体压缩缸右罐的底端通过一只管路穿过电液换向阀的一个通道与压力油箱底端连通，使增压后的液压油经气体压缩缸右罐流回压力油箱里。

本发明在气源的进口处设置有进气压力传感器，它将随机测得的压力信号反馈给压缩自动控制系统，压缩自动控制系统立即调整压缩的进油量（油活塞的行程）和两列气体压缩罐工作切换的频率。

本发明在所述压力油箱的底端设置有补油系统，当油箱里的油减少后可及时补充。

本发明在压力传感器与压力油箱的进口管路上装有气体过滤器，使进入 循环回路中的油干净。在气体过滤器与桥式阀组之间的进口管路上设有压力表，便于随时观察进入气体压缩缸罐的气体压力。

本发明在所述流量传感器和高压油泵之间设置有止回阀，该止回阀的止回端朝向流量传感器，是为了防止增压气体逆行。

本发明最显著的优点是：不需要配套特种天然气运输槽车，与前述的曲柄连杆活塞式压缩机、液压活塞式天然气压缩机一样配套普通的天然气运输槽车。

本发明充分地利用配套运输槽车的天然气的压力能，节省动力；封闭式的内循环的增压工作方式，与周围环境是隔离的，没有游离天然气溢出，从基本结构上就保证了安全和环保。

本发明利用液压油在气体压缩缸罐组内的液位升降代替机械活塞，利用气源天然气进气的压力能和液压系统的驱动动能在气体压缩罐内交替地进行进气、压缩、高压排气再切换的循环方式来完成天然气的增压压缩。因没有机械活塞没有密封件没有相对的机械运动，因此也没有机械摩擦，气体的泄漏量为零，压缩机的机械效率大大提高。

另外，压缩罐的缸截面直径远大于常规压缩机的直径，因此油活塞的行进速度沉稳而均匀，气体压缩过程中产生的热量有充足的时间释放，不会产生短时间内的积聚，压缩机缸体的温升缓慢，可使用多种形式的散热系统。

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的说明。

附图说明：

图1是现有技术中曲柄连杆活塞式压缩机的结构示意图。

图2是现有技术中液压活塞式天然气压缩机结构示意图。

图3是现有技术中液压式压缩天然气加气装置的结构示意图。

图4是本发明静态时的结构示意图。

图5是本发明动态时的结构示意图。

具体实施方式：

请看图4、图5，该实施例描述了一种液力式油活塞天然气子站压缩机，由高压油泵1、压力控制阀2、压力油箱3、液换向阀4、流量传感器5、桥式阀组6、气体压缩缸右罐7、气体压缩缸左罐8、压力传感器9、压力继电器10、高压储气瓶11、自动控制系统12、补油系统工13、进口阀门14、出口阀门15、止回阀16和压力表组成。其中在进口管路的入口旁装有进口阀门14，在出口管路的出口旁装有出口阀门15。在所述进口阀门14后面设有压力传感器9，该压力传感器9后方的进口管路上通过三通管分别连接压力油箱3和桥式阀组6，所述桥式阀组6由四个单向阀组成，其中靠近进口管路的二个单向阀开启端相对设置，靠近出口管路的二个单向阀止回端相对设置。在该桥式阀组6的进口管路的对角线上设置出口管路，在该出口管路上经三通管安装有高压储气瓶11，在该出口三通管与桥式阀组6之间设有压力继电器10；所述桥式阀组6的另一对角线上分别装有气体压缩缸右罐7、气体压缩缸左罐8，这两个气体压缩缸罐的底端依次经电液换向阀4、流量传感器5和高压油泵1与压力油箱3的底端连通，其中气体压缩缸右罐7的底端通过一只管路穿过电液换向阀4的一个通道与压力油箱3底端连通，形成封闭循环回路；电液换向阀4选用三位四通阀。在所述高压油泵1的喷油口与压力油箱3底部之间还设有一支管，在该支管上装有压力控制阀2；在所述流量传感器5和高压油泵1之间设置有止回阀，该止回阀的止回端朝向流量传感器5。所述气体压缩缸右罐7、气体压缩缸左罐8位置比压力油箱3位置高，静压条件下，气体压缩缸右罐7和气体压缩缸左罐8的最低液面与压力油箱3的最高液面在同一水平面上；在所述压力油箱3的底端设置有补油系统13，及时给压力油箱补充压力油。所述流量传感器5测得的油量信号及压力传感器9测得的压力信号同时传入自动控制系统12，经处理后发送给电液换向阀4，该电液换向阀4接收指令后控制气体压缩缸左右罐的切换。所述压力继电器10将测得的压力信号传给自动控制系统12，由自动控制系统12指令高压油泵1启动，泵出高压油。

为了使进入循环回路的气体干净，在压力传感器9与压力油箱3的进口管路上装有气体过滤器，为了检测进入桥式阀组6的气压，在气体过滤器与桥式阀组6之间的进口管路上设有压力表。为了检测出口气压，在高压储气瓶11与出口阀门15之间设有压力表，便于随时检测出口压力。

本发明所述的压缩机是这样工作的： 气源－－天然气运输槽车用高压软管连接在压缩机进口，此时压缩机为静态未开机，机内处于常压状态。当打开阀门天然气经过气体过滤器，进入三通管道一端向下进入压力油箱3，另一端进入桥式阀组6，顶开桥式阀组6的全部单向阀，一路经过压力继电器10进入高压储气瓶11后储压待发。压力继电器10也因天然气的压力较高，符合20 MPａ压力值的设定，不启动压缩机。在桥式阀组6里的另两路气体，同时也进入到气体压缩缸右罐7、气体压缩缸左罐8里面，如图4所示的状态，即压力平衡状态。

当高压储气瓶11因向外输气，天然气压力出现下降（注：包含天然气运输槽车的储气压力下降）低于压力继电器10的设定值，压缩机液压的增压系统启动，自动控制系统12指令高压油泵1把高压油送出经流量传感器5再经过电液换向阀4，进入任一气体压缩缸罐，罐内随着液压油的体积的增加，气体被压缩压力增高，这时获得高压的气体向高压储气瓶11移动，在经过桥式阀组6时高压的气体关住了通向低压的单向阀，高压的气体只能进入到高压储气瓶11内，如图5所示。

这里，高压油泵1向气体压缩缸罐7和8送进的高压油的体积流量，相当于活塞式压缩机里活塞的行程，这个“油活塞”的行程是可调整的，它是根据压力变化的情况逐渐调整进入的高压油量，即“油活塞”行程的长短来适应压力的变化。压力较高时压缩行程短；压力低时压缩行程就加长。流量传感器5将测得的油量信号加上压缩机进口处的压力传感器9测得的压力信号同时传入控制系统12，经处理后发出控制气体压缩缸左右罐切换的指令，让压缩机的高压储气瓶11内的天然气压力始终保持输出值的状态。高压油泵1自身输出压力值是由压力调节阀2调整。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种液力式油活塞天然气子站压缩机，在进口管路的入口旁装有进口阀门（14），在出口管路的出口旁装有出口阀门（15），其特征在于：在所述进口阀门（14）后面设有压力传感器（9），该压力传感器（9）后方的进口管路上通过三通管分别连接压力油箱（3）和桥式阀组（6），在该桥式阀组（6）的进口管路的对角线上设置出口管路，在该出口管路上经三通管安装有高压储气瓶（11），在该出口三通管与桥式阀组（6）之间设有压力继电器（10）；所述桥式阀组（6）的另一对角线上分别装有气体压缩缸右罐（7）、气体压缩缸左罐（8），这两个气体压缩缸罐的底端依次经电液换向阀（4）、流量传感器（5）和高压油泵（1）与压力油箱（3）的底端连通，其中气体压缩缸右罐（7）的底端通过一只管路穿过电液换向阀（4）的一个通道与压力油箱（3）底端连通，形成封闭循环回路；在所述高压油泵（1）的喷油口与压力油箱（3）底部之间还设有一支管，在该支管上装有压力控制阀（2）；所述气体压缩缸右罐（7）、气体压缩缸左罐（8）位置比压力油箱（3）位置高，静压条件下，气体压缩缸右罐（7）和气体压缩缸左罐（8）的最低液面与压力油箱（3）的最高液面在同一水平面上；所述流量传感器（5）测得的油量信号及压力传感器（9）测得的压力信号同时传入自动控制系统（12），经处理后发送给电液换向阀（4），该电液换向阀（4）接收指令控制气体压缩缸左右罐的切换；所述压力继电器（10）测得的压力信号传给自动控制系统（12），由自动控制系统（12）指令高压油泵（1）启动，泵出高压油。

2.根据权利要求1所述的液力式油活塞天然气子站压缩机，其特征在于：所述桥式阀组（6）由四个单向阀组成，其中靠近进口管路的二个单向阀开启端相对设置，靠近出口管路的二个单向阀止回端相对设置。

3. 根据权利要求1所述的液力式油活塞天然气子站压缩机，其特征在于：所述电液换向阀（4）选用三位四通阀。

4. 根据权利要求1或2所述的液力式油活塞天然气子站压缩机，其特征在于：在所述压力油箱（3）的底端设置有补油系统（13）。

5.根据权利要求1或2所述的液力式油活塞天然气子站压缩机，其特征在于：压力传感器（9）与压力油箱（3）的进口管路上装有气体过滤器，该气体过滤器与桥式阀组（6）之间的进口管路上设有压力表。

6.根据权利要求1或2所述的液力式油活塞天然气子站压缩机，其特征在于： 在所述流量传感器（5）和高压油泵（1）之间设置有止回阀，该止回阀的止回端朝向流量传感器（5）。

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