CN113339245B - 一种隔膜压缩机单双级切换控制系统及方法 - Google Patents

一种隔膜压缩机单双级切换控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种隔膜压缩机单双级切换控制系统及方法，涉及隔膜压缩机技术领域。气源压力较高时，能够使压缩机具有更大的排气量；气源压力较低时，能够增大气体的利用率。该切换控制系统包括气管路、检测单元和控制单元；气管路包括一级膜头、二级膜头、第一开关阀、第二开关阀和第一减压阀；气源的出口分别连通第一开关阀和第二开关阀的入口，第一开关阀和第一减压阀的出口均分别连通一级膜头和二级进气止回阀的入口，二级进气止回阀的出口连通二级膜头的进气口；一级膜头的排气口分别连通外部储气装置和二级膜头的进气口，一级膜头的排气口与二级膜头的进气口之间设有第三开关阀。本申请同时公开了一种隔膜压缩机单双级切换控制方法。

Description

一种隔膜压缩机单双级切换控制系统及方法
技术领域
本申请涉及隔膜压缩机技术领域，尤其涉及一种隔膜压缩机单双级切换控制系统及方法。
背景技术
隔膜压缩机是一种容积式压缩机，由于其具有密封性好、压力范围广、压缩比较大的特点，因此被广泛应用于加氢站等石油化工领域中压缩输送各种高纯气体、贵重稀有气体、有毒有害气体或腐蚀性气体。
隔膜压缩机也是加氢站中应用最多的压缩机类型。目前加氢站多采用长管拖车供气，现行标准长管拖车压力一般为20Mpa。隔膜压缩机包括单级隔膜压缩机和双级隔膜压缩机。
若使用单级隔膜压缩机进行氢气加压，长管拖车压力一般只能卸至8MPa左右，进气压力再低就会使隔膜压缩机压比达到6以上，排气温度会比较高，为膜头的安全带来隐患，这就使得长管拖车的氢气利用率只有约60％，增大氢气运输成本。
若使用双级隔膜压缩机进行氢气增压，则可以使长管拖车压力卸至2MPa左右，将长管拖车的氢气利用率增大50％，可以近似认为减少50％的氢气运输成本。然而在长管拖车压力比较高的时候依然采用双极压缩，则是对压缩机本身排气量的一种浪费，会造成压缩机加压能力的浪费，限制加氢站的加注能力。
发明内容
本申请的实施例提供一种隔膜压缩机单双级切换控制系统及方法，能够根据气源的实时压力，控制隔膜压缩机在单级工作模式和双极工作模式之间进行切换，从而能够在气源压力较高时，使压缩机具有更大的排气量，在气源压力较低时，增大气源内气体的利用率。
为达到上述目的，一方面，本申请的实施例提供了一种隔膜压缩机单双级切换控制系统，包括气管路、检测单元和控制单元；所述气管路包括一级膜头、二级膜头、第一开关阀、第二开关阀和第一减压阀；第二开关阀和第一减压阀串联后与第一开关阀并联；气源的出口分别连通第一开关阀和第二开关阀的入口，第一开关阀的出口和第一减压阀的出口均分别连通一级膜头的进气口和二级进气止回阀的入口，二级进气止回阀的出口连通二级膜头的进气口；所述一级膜头的排气口分别连通外部储气装置和所述二级膜头的进气口，且所述一级膜头的排气口与所述外部储气装置之间设有一级排气止回阀；所述一级膜头的排气口与所述二级膜头的进气口之间设有第三开关阀；所述二级膜头的排气口连通所述外部储气装置；所述检测单元用于检测所述气源的压力值；所述控制单元被配置为：接收所述气源的压力值并将所述气源的压力值与预设压力值进行比较，若所述气源的压力值小于所述预设压力值，则控制所述第一开关阀关闭，所述第二开关阀和所述第三开关阀均开启，直至充气完成或气源压力小于气源的剩余压力目标值时停机；若所述气源的压力值大于所述预设压力值，则控制所述第一开关阀开启，所述第二开关阀和所述第三开关阀均关闭，直至所述气源的压力值小于等于预设压力值时，控制所述第一开关阀关闭，所述第二开关阀和所述第三开关阀均开启，直至充气完成或气源压力小于气源的剩余压力目标值时停机。
进一步地，隔膜压缩机单双级切换控制系统还包括串联设置的排气背压阀和排气止回阀，所述排气背压阀的入口分别连通所述一级排气止回阀的出口和所述二级膜头的排气口，所述排气止回阀的出口连通所述外部储气装置。
进一步地，隔膜压缩机单双级切换控制系统还包括卸荷阀、第四开关阀和第二减压阀；所述卸荷阀的入口分别连通所述一级排气止回阀的出口和所述二级膜头的排气口；所述卸荷阀的出口连通放空管；所述第四开关阀和所述第二减压阀串联后与所述第一开关阀并联；所述第四开关阀的入口连通所述气源，所述第二止回阀的出口分别连通所述一级膜头的进气口和所述二级膜头的进气口。
进一步地，隔膜压缩机单双级切换控制系统还包括微正压进气止回阀和低压进气止回阀；所述微正压进气止回阀的入口连通所述第一减压阀的出口，所述低压进气止回阀的入口连通所述第二减压阀的出口，所述微正压进气止回阀的出口和所述低压进气止回阀的出口均分别连通所述一级膜头的进气口和所述二级进气止回阀的入口。
进一步地，所述一级膜头上设有一级高压溢油阀、一级低压溢油阀和电磁阀；所述一级低压溢油阀和所述电磁阀串联后与所述一级高压溢油阀并联。
进一步地，所述二级膜头上设置有二级溢油阀。
进一步地，所述第一减压阀的压力设定值等于所述气源的剩余压力目标值。
进一步地，所述第二减压阀的压力设定值小于0.1MPa。
另一方面，本申请的实施例提供了一种隔膜压缩机单双级切换控制方法，包括以下步骤：判断气源压力是否小于预设压力值，若是，则控制第一开关阀关闭，第二开关阀和第三开关阀均开启，直至充气完成或所述气源的压力值小于气源的剩余压力目标值时停机；若否，则控制所述第一开关阀开启，所述第二开关阀和所述第三开关阀均关闭，直至气源压力小于等于预设压力值时，再控制所述第一开关阀关闭，所述第二开关阀和所述第三开关阀均开启，直至充气完成或所述气源的压力值小于气源的剩余压力目标值时停机。
进一步地，所述步骤判断气源压力是否大于预设压力值之前还包括：控制第一开关阀、第二开关阀和第三开关阀均关闭，同时控制第四开关阀和卸荷阀均开启，直至预运行完成后，控制第四开关阀和卸荷阀均关闭。
本申请相比现有技术具有以下有益效果：
1、本申请可以控制隔膜压缩机单双级自动切换，当进气压力较高时，控制为单级压缩，增大压缩机排气量，当气源压力下降，进气压力较低时，切换为双级压缩，使压缩机进气压力有更宽的变化范围。特别是应用于加氢站隔膜压缩机，可以使长管拖车内压力卸至更低，减小运输成本。
2、本申请的气管路上设有卸荷阀、第四开关阀和第二减压阀，可以防止隔膜压缩机带载启动，降低隔膜压缩机的故障率。
3、本申请的排气管路上设置排气背压阀，双级压缩模式下压缩机能够处于稳定压力工作状态。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例一种隔膜压缩机单双级切换控制系统的结构示意图；
图2为本申请实施例一种隔膜压缩机单双级切换控制方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
参照图1，本申请实施例提供了一种隔膜压缩机单双级切换控制系统，包括气管路、检测单元(图中未示)和控制单元(图中未示)。气管路包括一级膜头1、二级膜头2、第一开关阀3、第二开关阀4和第一减压阀5。第二开关阀4和第一减压阀5串联后与第一开关阀3并联。气源的出口连接进气止回阀20的入口，进气止回阀20的出口分别连通第一开关阀3和第二开关阀4的入口，第一开关阀3的出口和第一减压阀5的出口均分别连通一级膜头1的进气口和二级进气止回阀6的入口，二级进气止回阀6的出口连通二级膜头2的进气口。第一开关阀3所在的管路形成高压进气管路21，第二开关阀4和第一减压阀5所在的管路形成低压进气管路22，高压进气管路21和低压进气管路22并联设置。第一减压阀5的压力设定值等于气源的剩余压力目标值。
一级膜头1的排气口分别连通外部储气装置(图中未示)和二级膜头2的进气口，且一级膜头1的排气口与外部储气装置之间设有一级排气止回阀7。一级膜头1的排气口与二级膜头2的进气口之间设有第三开关阀8。二级膜头2的排气口连通外部储气装置。
控制单元与检测单元、第一开关阀3、第二开关阀4和第三开关阀8均电连接。检测单元用于检测气源的压力值，检测单元可以为压力传感器。
控制单元被配置为：
接收检测单元检测到的气源的压力值并将气源的压力值与预设压力值进行比较，若气源的压力值小于预设压力值，则控制第一开关阀3关闭，第二开关阀4和第三开关阀8均开启，直至充气完成或气源压力小于气源的剩余压力目标值时停机；若气源的压力值大于预设压力值，则控制第一开关阀3开启，第二开关阀4和第三开关阀8均关闭，直至气源的压力值小于等于预设压力值时，再控制第一开关阀3关闭，第二开关阀4和第三开关阀8均开启，直至充气完成或气源压力小于气源的剩余压力目标值时停机。
需要说明的是，本申请实施例中的低压和高压是相对预设压力值而言的，低于预设压力值即为低压，高于预设压力值即为高压。以45MPa加氢站用隔膜压缩机为例，两级压缩总压比可达到25，进气压力可以设定为2MPa左右，即可以将第二减压阀阀后压力设定为2MPa，该压力也是长管拖车最终剩余氢气的压力值(气源的剩余压力目标值)。隔膜压缩机的预设压力值可以为8MPa。第一开关阀3、第二开关阀4和第三开关阀8均为气动球阀。
本申请实施例提供的隔膜压缩机单双级切换控制系统还包括串联设置的排气背压阀9和排气止回阀10，其中排气背压阀9的入口分别连通一级排气止回阀7的出口和二级膜头2的排气口，排气止回阀10的出口连通外部储气装置。排气背压阀9和排气止回阀10形成排气管路。排气背压阀9用于控制压缩机的排气压力，其压力设置为压缩机额定排气压力。排气止回阀10用于防止气体倒流，由此，双级压缩模式下压缩机能够处于稳定压力工作状态。
本申请实施例隔膜压缩机单双级切换控制系统还包括卸荷阀11、第四开关阀12和第二减压阀13。其中，卸荷阀11的入口分别连通一级排气止回阀7的出口和二级膜头2的排气口，卸荷阀11的出口连通放空管。卸荷阀11所在的管路形成卸荷管路，卸荷管路和排气管路并联设置。第四开关阀12和第二减压阀13串联后与第一开关阀3并联，第四开关阀12的入口连通气源，第二减压阀13的出口分别连通一级膜头1的进气口和二级进气止回阀6的入口，第四开关阀12与控制单元电连接。第二减压阀13的压力设定值小于0.1MPa。第四开关阀12和第二减压阀13所在的管路形成微正压进气管路23。微正压进气管路23为压缩机启动阶段提供一个微正压进气，使预运行阶段隔膜压缩机从微正压管路吸气，并且排气管路放空，这样，压缩机轻载启动的同时又不至于抽真空。第二减压阀13减压后压力应设置为微小正压力，一般不超过0.1MPa(G)。由此，可以防止隔膜压缩机由于带载启动而被损坏。
为了防止微正压进气管路23和低压进气管路22中的气体倒流，本申请实施例还在微正压进气管路23上设置了微正压进气止回阀14，在低压进气管路22上设置了低压进气止回阀15。具体的，微正压进气止回阀14的入口连通第二减压阀13的出口，低压进气止回阀15的入口连通第一减压阀5的出口，微正压进气止回阀14的出口和低压进气止回阀15的出口均分别连通一级膜头1的进气口和二级进气止回阀6的入口。
为了提高系统的安全性，防止系统的内的油压过高，一级膜头1上设有一级高压溢油阀16、一级低压溢油阀17和电磁阀18。二级膜头2上也设置有二级溢油阀19。其中，一级低压溢油阀17和电磁阀18串联后与一级高压溢油阀16并联。一级低压溢油阀17的溢油压力设定为双级压缩模式下压缩机一级排气压力的1.1～1.15倍，一级高压溢油阀16和二级溢油阀19的溢油压力均设定为压缩机排气压力的1.1～1.15倍。
本申请实施例隔膜压缩机单双级切换控制系统的工作原理如下：
为了保证压缩机能够轻载启动，启动前打开第四开关阀12和卸荷阀11，同时关闭第一开关阀3、第二开关阀4和第三开关阀8，此时，压缩机处于预运行阶段，从微正压管路23吸气，并且排气管路放空，压缩机轻载启动。
预运行完成后，关闭第四开关阀12和卸荷阀11，压缩机进入工作阶段，在拖车内压力较高时，即检测单元检测到拖车内压力大于等于预设压力值时，控制单元控制第一开关阀3打开，并控制第二开关阀4、第三开关阀8和电磁阀18均保持关闭，使压缩机从高压进气管路21进气，拖车内氢气不经减压直接经第一开关阀3后分为两路分别进入一级膜头1和二级膜头2中，两个膜头均做单级压缩。两个膜头的排气汇合后经排气背压阀9和排气止回阀10排出。当油压高于压缩机排气压力的1.1～1.15倍，一级高压溢油阀16和二级溢油阀19开始溢油。
当检测单元检测到长管拖车内压力低于预设压力值时，即单级压缩压比过大时，控制单元控制第二开关阀4、第三开关阀8和电磁阀18均打开，并控制第一开关阀3关闭，压缩机从低压进气管路22经第一减压阀5减压后进气，此时由于一级排气压力比进气压力高，二级排气压力比一级排气压力高，因此，二级进气止回阀6和一级排气止回阀7将二级进气管路分支和一级排气管路分支阻断。拖车内氢气经第一减压阀5减至设定值后进入一级膜头1内，经一级膜头1压缩后进入二级膜头2内，二级膜头2压缩后经排气背压阀9排出。第一减压阀5的设定值为拖车剩余压力目标值。由于进气管路有第一减压阀5，排气管路有排气背压阀9，双级压缩模式下压缩机处于稳定压力工作状态，一级排气压力也为定值。当油压高于双级压缩模式下压缩机一级排气压力的1.1～1.15倍，一级低压溢油阀17开始溢油。
另一方面，参照图2，本申请的实施例提供了一种隔膜压缩机单双级切换控制方法，包括以下步骤：
S1、启动前控制第一开关阀3、第二开关阀4和第三开关阀8均关闭，同时控制第四开关阀12和卸荷阀11均开启。这样，预运行阶段隔膜压缩机从微正压管路23吸气，并且排气管路放空，可以保证压缩机轻载启动。
S2、预运行完成后，控制第四开关阀12和卸荷阀11均关闭。此时，压缩机进入工作阶段。
S3、判断气源压力是否小于预设压力值，若是，则进入步骤S4，若否，则进入步骤S5。
S4、保持第一开关阀3关闭，控制第二开关阀4和第三开关阀8均开启，并进入步骤S6。
S5、控制第一开关阀3开启，第二开关阀4和第三开关阀8均关闭，并进入步骤S3。
S6、判断是否完成充气或气源的压力值是否小于气源的剩余压力目标值，若是则进入步骤S7，若否则进入步骤S4。
S7、停机。
以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何在本申请揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种隔膜压缩机单双级切换控制系统，其特征在于，包括气管路、检测单元和控制单元；
所述气管路包括一级膜头、二级膜头、第一开关阀、第二开关阀和第一减压阀；第二开关阀和第一减压阀串联后与第一开关阀并联；
气源的出口分别连通第一开关阀和第二开关阀的入口，第一开关阀的出口和第一减压阀的出口均分别连通一级膜头的进气口和二级进气止回阀的入口，二级进气止回阀的出口连通二级膜头的进气口；
所述一级膜头的排气口分别连通外部储气装置和所述二级膜头的进气口，且所述一级膜头的排气口与所述外部储气装置之间设有一级排气止回阀；所述一级膜头的排气口与所述二级膜头的进气口之间设有第三开关阀；
所述二级膜头的排气口连通所述外部储气装置；
所述检测单元用于检测所述气源的压力值；
所述控制单元被配置为：
接收所述气源的压力值并将所述气源的压力值与预设压力值进行比较，若所述气源的压力值小于所述预设压力值，则控制所述第一开关阀关闭，所述第二开关阀和所述第三开关阀均开启，直至充气完成或气源压力小于气源的剩余压力目标值时停机；若所述气源的压力值大于所述预设压力值，则控制所述第一开关阀开启，所述第二开关阀和所述第三开关阀均关闭，直至所述气源的压力值小于预设压力值时，再控制所述第一开关阀关闭，所述第二开关阀和所述第三开关阀均开启，直至充气完成或气源压力小于气源的剩余压力目标值时停机。
2.根据权利要求1所述的隔膜压缩机单双级切换控制系统，其特征在于，还包括串联设置的排气背压阀和排气止回阀，所述排气背压阀的入口分别连通所述一级排气止回阀的出口和所述二级膜头的排气口，所述排气止回阀的出口连通所述外部储气装置。
3.根据权利要求1所述的隔膜压缩机单双级切换控制系统，其特征在于，还包括卸荷阀、第四开关阀和第二减压阀；
所述卸荷阀的入口分别连通所述一级排气止回阀的出口和所述二级膜头的排气口，所述卸荷阀的出口连通放空管；
所述第四开关阀和所述第二减压阀串联后与所述第一开关阀并联；
所述第四开关阀的入口连通所述气源，所述第二减压阀的出口分别连通所述一级膜头的进气口和所述二级膜头的进气口。
4.根据权利要求3所述的隔膜压缩机单双级切换控制系统，其特征在于，还包括微正压进气止回阀和低压进气止回阀；
所述微正压进气止回阀的入口连通所述第一减压阀的出口，所述低压进气止回阀的入口连通所述第二减压阀的出口，所述微正压进气止回阀的出口和所述低压进气止回阀的出口均分别连通所述一级膜头的进气口和所述二级进气止回阀的入口。
5.根据权利要求3或4所述的隔膜压缩机单双级切换控制系统，其特征在于，所述一级膜头上设有一级高压溢油阀、一级低压溢油阀和电磁阀；所述一级低压溢油阀和所述电磁阀串联后与所述一级高压溢油阀并联。
6.根据权利要求5所述的隔膜压缩机单双级切换控制系统，其特征在于，所述二级膜头上设置有二级溢油阀。
7.根据权利要求6所述的隔膜压缩机单双级切换控制系统，其特征在于，所述第一减压阀的压力设定值等于所述气源的剩余压力目标值。
8.根据权利要求3所述的隔膜压缩机单双级切换控制系统，其特征在于，所述第二减压阀的压力设定值小于0.1MPa。
9.一种基于权利要求3~8任一所述的隔膜压缩机单双级切换控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
判断气源压力是否小于预设压力值，若是，则控制第一开关阀关闭，第二开关阀和第三开关阀均开启；直至充气完成或所述气源的压力值小于气源的剩余压力目标值时停机；
若否，则控制所述第一开关阀开启，所述第二开关阀和所述第三开关阀均关闭，直至气源压力小于预设压力值时，再控制所述第一开关阀关闭，所述第二开关阀和所述第三开关阀均开启，直至充气完成或所述气源的压力值小于气源的剩余压力目标值时停机。
10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，所述步骤判断气源压力是否大于预设压力值之前还包括：
控制第一开关阀、第二开关阀和第三开关阀均关闭，同时控制第四开关阀和卸荷阀均开启，直至预运行完成后，控制第四开关阀和卸荷阀均关闭。
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