本發(fā)明涉及天然氣調(diào)壓及壓力能回收利用領(lǐng)域，具體涉及一種高精度天然氣膨脹機(jī)獨(dú)立調(diào)壓裝置及方法。

背景技術(shù)：

隨著天然氣在城鄉(xiāng)生活及各種工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用的進(jìn)一步普及，我國天然氣的消費(fèi)量明顯呈現(xiàn)出逐年升高的趨勢(shì)，2016年我國的天然氣消耗總量已突破2000億m³。高壓管網(wǎng)的天然氣在進(jìn)入用戶端(居民用戶或工業(yè)用戶)之前，需要首先從經(jīng)長(zhǎng)輸管線將輸送到城鎮(zhèn)管網(wǎng)(低壓管網(wǎng))。在這個(gè)輸送過程中，天然氣的壓力從6mpa甚至10mpa以上的壓力逐級(jí)調(diào)壓(降低壓力)，最終達(dá)到用戶端所需的壓力。目前，高壓管網(wǎng)輸出的天然氣普遍采用節(jié)流式調(diào)壓閥進(jìn)行調(diào)壓，因此高壓天然氣的壓力能沒有得到充分利用。

為了對(duì)天然氣的壓力能進(jìn)行回收，如專利申請(qǐng)(cn104989459a)公開了一種智能化天然氣管網(wǎng)壓力能發(fā)電裝置，該裝置主要是利用膨脹機(jī)與現(xiàn)有的調(diào)壓器并聯(lián)對(duì)天然氣的壓力能回收并進(jìn)行發(fā)電，從而將壓力能回收并轉(zhuǎn)化為電能。但由于該裝置必須在調(diào)壓器與膨脹機(jī)并聯(lián)的情形下才能實(shí)現(xiàn)調(diào)壓的同時(shí)發(fā)電的目的，因此裝置整體的初期投資成本高、天然氣壓力能回收能力低。

鑒于調(diào)壓器與膨脹機(jī)必須并存才可實(shí)現(xiàn)天然氣的調(diào)壓和壓力能回收的問題，申請(qǐng)人在先提交的專利申請(qǐng)(cn105401990a)也公開了一種天然氣壓力能發(fā)電調(diào)壓裝置及方法，其中的裝置能夠直接利用膨脹機(jī)對(duì)天然氣進(jìn)行調(diào)壓。不過，該裝置的加熱系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，對(duì)熱源要求比較高，而且調(diào)壓的準(zhǔn)確度有待進(jìn)一步提高，以及在采用該裝置對(duì)天然氣進(jìn)行調(diào)壓的過程中，存在膨脹機(jī)出口的壓力波動(dòng)大的缺陷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

技術(shù)問題

有鑒于此，本發(fā)明提供一種天然氣膨脹機(jī)獨(dú)立調(diào)壓裝置及方法，旨在實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣的壓力能進(jìn)行回收的同時(shí)利用獨(dú)立膨脹機(jī)實(shí)現(xiàn)天然氣的高精度調(diào)壓。

技術(shù)方案

為了解決上述技術(shù)問題，根據(jù)本發(fā)明一方面提供了一種天然氣膨脹機(jī)獨(dú)立調(diào)壓裝置，該裝置包括：

天然氣系統(tǒng)，其用于對(duì)上游的高壓管網(wǎng)中的天然氣進(jìn)行降壓并回收壓力能，以及用于將降壓并回收壓力能之后的天然氣通往下游的低壓管網(wǎng)；

調(diào)控系統(tǒng)，其包括中控器，所述中控器用于在所述降壓并回收壓力能的過程中調(diào)整相應(yīng)的參數(shù)；以及

監(jiān)控端，其用于接收所述中控器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，以及用于向所述中控器發(fā)送讀取數(shù)據(jù)的請(qǐng)求。

對(duì)于上述天然氣膨脹機(jī)獨(dú)立調(diào)壓裝置，在一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，所述天然氣系統(tǒng)包括加熱器、膨脹機(jī)以及緩沖罐；其中：

所述加熱器的天然氣入口連接至所述高壓管網(wǎng)，所述加熱器的然氣出口與所述膨脹機(jī)的天然氣入口相連接，所述膨脹機(jī)的天然氣出口與所述緩沖罐的天然氣入口相連接，所述緩沖罐的天然氣出口連接至所述低壓管網(wǎng)；

所述天然氣系統(tǒng)還包括發(fā)電機(jī)，所述發(fā)電機(jī)與所述膨脹機(jī)相連接。

對(duì)于上述天然氣膨脹機(jī)獨(dú)立調(diào)壓裝置，在一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，所述發(fā)電機(jī)通過電源線與所述中控器電連接，用于向所述中控器提供電能。

對(duì)于上述天然氣膨脹機(jī)獨(dú)立調(diào)壓裝置，在一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，所述天然氣系統(tǒng)還包括調(diào)壓閥，所述加熱器的第二天然氣入口連接至能夠獲取預(yù)加熱燃料的燃料管網(wǎng)，所述調(diào)壓閥設(shè)置于所述第二天然氣入口和所述燃料管網(wǎng)之間，

其中，所述燃料管網(wǎng)為高壓管網(wǎng)或者低壓管網(wǎng)。

對(duì)于上述天然氣膨脹機(jī)獨(dú)立調(diào)壓裝置，在一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，所述調(diào)控系統(tǒng)還包括與所述中控器通過信號(hào)電纜分別相連的溫度傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、壓力傳感器組和閥門組，并且

所述中控器還通過信號(hào)電纜與所述發(fā)電機(jī)相連接，所述中控器根據(jù)所述壓力傳感器組傳送的壓力信號(hào)調(diào)節(jié)所述發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

對(duì)于上述天然氣膨脹機(jī)獨(dú)立調(diào)壓裝置，在一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，

所述溫度傳感器設(shè)置于加熱器的天然氣出口與所述膨脹機(jī)的天然氣入口之間，所述溫度傳感器用于檢測(cè)加熱器的天然氣出口下游的天然氣的溫度并將溫度信號(hào)傳送給所述中控器；

所述轉(zhuǎn)速傳感器設(shè)置于所述膨脹機(jī)、所述發(fā)電機(jī)或者二者之間，所述轉(zhuǎn)速傳感器用于檢測(cè)所述發(fā)電機(jī)或者所述膨脹機(jī)的轉(zhuǎn)速并將轉(zhuǎn)速信號(hào)傳送給所述中控器；以及

所述壓力傳感器組包括第一壓力傳感器和第二壓力傳感器，其中：

所述第一壓力傳感器設(shè)置于緩沖罐上，所述第一壓力傳感器用于檢測(cè)緩沖罐內(nèi)的天然氣壓力并將壓力信號(hào)傳送給所述中控器；

所述第二壓力傳感器設(shè)置于所述第二閥門與低壓管網(wǎng)之間，所述第二壓力傳感器用于檢測(cè)通往低壓管網(wǎng)的天然氣壓力。

對(duì)于上述天然氣膨脹機(jī)獨(dú)立調(diào)壓裝置，在一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，所述閥門組包括：

第一閥門，其設(shè)置于所述調(diào)壓閥的天然氣出口和所述加熱器的第二天然氣入口之間，所述中控器能夠根據(jù)所述溫度傳感器傳送的溫度信號(hào)溫度調(diào)整所述第一閥門的開度；

第二閥門，其設(shè)置于所述緩沖罐和所述低壓管網(wǎng)之間，所述中控器能夠調(diào)整所述第二閥門的開度。

對(duì)于上述天然氣膨脹機(jī)獨(dú)立調(diào)壓裝置，在一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，所述中控器還用于根據(jù)采集的參數(shù)判斷天然氣調(diào)壓裝置是否存在故障，并且

在所述天然氣調(diào)壓裝置存在故障的情形下，所述中控器向所述監(jiān)控端發(fā)送故障信息和/或與故障信息相關(guān)的提醒信號(hào)。

為了解決上述技術(shù)問題，根據(jù)本發(fā)明的另一方面還提供了一種天然氣膨脹機(jī)獨(dú)立調(diào)壓方法，該方法包括整定溫度的步驟以及整定壓力的步驟，并且所述整定壓力的步驟是在所述整定溫度的步驟完成的前提下進(jìn)行的；

其中，所述整定溫度的步驟為：根據(jù)溫度傳感器檢測(cè)的加熱器的天然氣出口的天然氣的溫度，中控器通過調(diào)整第一閥門開度的方式以使天然氣的溫度達(dá)到并穩(wěn)定至所述中控器設(shè)定的溫度水平；

其中，所述整定壓力的步驟為：基于膨脹機(jī)的轉(zhuǎn)速，中控器根據(jù)第一壓力傳感器和第二壓力傳感器檢測(cè)的緩沖罐和低壓管網(wǎng)上游的壓力，通過對(duì)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制來改變通入膨脹機(jī)的天然氣的流量，進(jìn)而使第一壓力傳感器和第二壓力傳感器檢測(cè)的天然氣的壓力均達(dá)到并穩(wěn)定至中控器設(shè)定的壓力水平。

對(duì)于上述天然氣膨脹機(jī)獨(dú)立調(diào)壓方法，在一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，所述整定壓力的步驟具體包括：

1)在膨脹機(jī)小于設(shè)定的最高允許轉(zhuǎn)速的情形下，根據(jù)第一壓力傳感器和第二壓力傳感器檢測(cè)的壓力進(jìn)行以下的壓力整定控制：

11)當(dāng)?shù)诙毫鞲衅鳈z測(cè)的壓力低于設(shè)定的壓力水平、而第一壓力傳感器檢測(cè)的壓力處于設(shè)定的壓力水平時(shí)，中控器向發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁模塊發(fā)送提高發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流的信號(hào)以提高發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而使膨脹機(jī)的轉(zhuǎn)速也隨之升高，直至第一壓力傳感器傳輸?shù)膲毫π盘?hào)達(dá)到高于設(shè)定的壓力水平第一預(yù)設(shè)值的第一目標(biāo)狀態(tài)，然后按照以下步驟進(jìn)行控制：

111)若第二壓力傳感器檢測(cè)的壓力持續(xù)降低，則中控器向發(fā)電機(jī)發(fā)送能夠進(jìn)一步提高發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速的信號(hào)，膨脹機(jī)的轉(zhuǎn)速也隨之進(jìn)一步升高，直至第二壓力傳感器檢測(cè)的壓力開始回升；

112)若第二壓力傳感器檢測(cè)的壓力開始回升，則中控器向發(fā)電機(jī)發(fā)送能夠降低發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速的信號(hào)，膨脹機(jī)的轉(zhuǎn)速也隨之進(jìn)一步降低，直至第二壓力傳感器檢測(cè)的壓力開始降低；

中控器接收并按照上述步驟111)和112)的原則循環(huán)調(diào)節(jié)第二壓力傳感器檢測(cè)的天然氣的壓力，直至第二壓力傳感器檢測(cè)的壓力達(dá)到并穩(wěn)定至設(shè)定的壓力水平；

12)當(dāng)?shù)诙毫鞲衅鳈z測(cè)的壓力信號(hào)高于設(shè)定的壓力水平時(shí)，中控器向發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁模塊發(fā)送降低發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流的信號(hào)以降低發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，膨脹機(jī)的轉(zhuǎn)速也隨之降低，直至第二壓力傳感器檢測(cè)的壓力達(dá)到高于設(shè)定的壓力水平第二預(yù)設(shè)值的第二目標(biāo)狀態(tài)；

13)當(dāng)?shù)谝粔毫鞲衅鳈z測(cè)的壓力低于設(shè)定的壓力水平時(shí)，中控器向發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁模塊發(fā)送提高發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流的信號(hào)以提高發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，膨脹機(jī)的轉(zhuǎn)速也隨之緩慢升高，直至第一壓力傳感器檢測(cè)的壓力達(dá)到并穩(wěn)定至設(shè)定的壓力水平；

2)在膨脹機(jī)的轉(zhuǎn)速大于等于設(shè)定的最高允許轉(zhuǎn)速的情形下，則根據(jù)第一壓力傳感器和第二壓力傳感器檢測(cè)的壓力進(jìn)行以下相應(yīng)的整定控制：

21)當(dāng)?shù)谝粔毫鞲衅骱偷诙毫鞲衅鳈z測(cè)的壓力均高于設(shè)定的壓力水平時(shí)，則中控器按照上述步驟12)進(jìn)行壓力調(diào)整，即中控器通過降低發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速使第二壓力傳感器檢測(cè)的壓力達(dá)到高于設(shè)定的壓力水平第三預(yù)設(shè)值的第三目標(biāo)狀態(tài)；

22)當(dāng)?shù)谝粔毫鞲衅骱偷诙毫鞲衅髦械钠渲幸粋€(gè)檢測(cè)的壓力低于設(shè)定的壓力水平時(shí)，則中控器向發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁模塊發(fā)送提高發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流信號(hào)以提高發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，一方面使發(fā)電機(jī)和膨脹機(jī)保持最高允許轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)中控器向監(jiān)控端發(fā)送最大供氣量不足的提示信號(hào)；

中控器接收并按照上述步驟21)和22)的原則循環(huán)調(diào)節(jié)第一壓力傳感器和第二壓力傳感器檢測(cè)的天然氣的壓力，直至第一壓力傳感器和第二壓力傳感器傳送的壓力信號(hào)達(dá)到并穩(wěn)定至設(shè)定的壓力水平。

有益效果

本發(fā)明的天然氣膨脹機(jī)獨(dú)立調(diào)壓裝置中，由于膨脹機(jī)的旋轉(zhuǎn)每圈輸氣量固定使轉(zhuǎn)速與輸送氣體的流量成嚴(yán)格的線性關(guān)系，通過采用勵(lì)磁電流來控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速的方式使轉(zhuǎn)速的控制更為精確，因此本發(fā)明的調(diào)壓裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)天然氣的壓力的高精度調(diào)節(jié)以及對(duì)天然氣的壓力能的充分回收。

并且，本發(fā)明的調(diào)壓裝置通過利用緩沖罐實(shí)現(xiàn)了膨脹機(jī)出口的天然氣壓力的低振幅波動(dòng)。具體而言，當(dāng)由于下游的用戶終端的天然氣用量增大而使低壓管網(wǎng)的天然氣的壓力降低時(shí)，與直接通過提高膨脹機(jī)的轉(zhuǎn)速相比(轉(zhuǎn)速逐漸升高)，緩沖罐內(nèi)儲(chǔ)存的天然氣能夠快速補(bǔ)充用戶終端的天然氣用量，從而降低低壓管網(wǎng)的天然氣壓力的下降程度，進(jìn)而使低壓管網(wǎng)的天然氣壓力快速穩(wěn)定至設(shè)定的壓力水平。同理，在由于下游的用戶終端的天然氣用量減少而使低壓管網(wǎng)的天然氣壓力升高時(shí)，緩沖罐可以儲(chǔ)存膨脹機(jī)在減速(轉(zhuǎn)速逐漸降低)過程中的多余的天然氣，從而降低下游管網(wǎng)壓力的升高程度，進(jìn)而使低壓管網(wǎng)的天然氣壓力快速穩(wěn)定至設(shè)定的壓力水平。

此外，通過利用被調(diào)壓(來自高壓管網(wǎng))或者調(diào)壓后(來自低壓管網(wǎng))的天然氣作為加熱器的燃料，使得本發(fā)明的調(diào)壓裝置在應(yīng)用過程中減弱了地理?xiàng)l件的限制。同時(shí)通過調(diào)壓裝置與監(jiān)控端的通訊，實(shí)現(xiàn)了對(duì)裝置的運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

而且，本發(fā)明的調(diào)壓裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便的優(yōu)點(diǎn)，可用于大、中、小型的燃?xì)庹{(diào)壓應(yīng)用場(chǎng)景，尤其適用于具有高精度天然氣調(diào)壓的、偏遠(yuǎn)無法供應(yīng)市電的中大型天然氣調(diào)壓站。

根據(jù)下面參考附圖對(duì)示例性實(shí)施例的詳細(xì)說明，本發(fā)明的其它特征及方面將變得清楚。

附圖說明

包含在說明書中并且構(gòu)成說明書的一部分的附圖與說明書一起示出了本發(fā)明的示例性實(shí)施例、特征和方面，并且用于解釋本發(fā)明的原理。當(dāng)結(jié)合附圖考慮時(shí)，能夠更完整更好地理解本發(fā)明。此處所說明的附圖用來提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，實(shí)施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定。

圖1示出本發(fā)明一種實(shí)施例的天然氣膨脹機(jī)獨(dú)立調(diào)壓裝置的結(jié)構(gòu)示意圖1(調(diào)壓閥從上游的高壓管網(wǎng)引出作為加熱器燃料的天然氣)；

圖2示出本發(fā)明另一種實(shí)施例的天然氣膨脹機(jī)獨(dú)立調(diào)壓裝置的結(jié)構(gòu)示意圖2(調(diào)壓閥從下游的低壓管網(wǎng)引出作為加熱器燃料的天然氣)。

附圖標(biāo)記列表

10、加熱器；11、調(diào)壓閥；12、膨脹機(jī)；13、勵(lì)磁發(fā)電機(jī)；14、緩沖罐；20、中控器；21、第一閥門；22、溫度傳感器；23、轉(zhuǎn)速傳感器；24、第一壓力傳感器；25、第二閥門；26、第二壓力傳感器。

具體實(shí)施方式

以下將參考附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的各種示例性實(shí)施例、特征和方面。附圖中相同的附圖標(biāo)記表示功能相同或相似的元件。盡管在附圖中示出了實(shí)施例的各種方面，但是除非特別指出，不必按比例繪制附圖。

在這里專用的詞“示例性”意為“用作例子、實(shí)施例或說明性”。這里作為“示例性”所說明的任何實(shí)施例不必解釋為優(yōu)于或好于其它實(shí)施例。

需要說明的是，在本發(fā)明的描述中，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語“安裝”、“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機(jī)械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個(gè)元件內(nèi)部的連通。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，可根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語在本發(fā)明中的具體含義。

另外，為了更好地說明本發(fā)明，在下文的具體實(shí)施方式中給出了眾多的具體細(xì)節(jié)。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，沒有某些具體細(xì)節(jié)，本發(fā)明同樣可以實(shí)施。在一些實(shí)例中，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的方法、手段、元件和電路未作詳細(xì)描述，以便于凸顯本發(fā)明的主旨。

實(shí)施例1

如圖1示出本發(fā)明一種實(shí)施例的天然氣膨脹機(jī)獨(dú)立調(diào)壓裝置的結(jié)構(gòu)示意圖1。如圖1所示，該裝置主要包括天然氣系統(tǒng)和調(diào)控系統(tǒng)，天然氣系統(tǒng)主要用于將高壓管網(wǎng)中的天然氣降壓并回收壓力能之后達(dá)到能夠通往低壓管網(wǎng)進(jìn)而通往用戶端的水平，而調(diào)控系統(tǒng)則主要用于通過調(diào)整前述的“降壓并回收壓力能”的過程中的參數(shù)，優(yōu)化通往低壓管網(wǎng)的天然氣的水平，以及提高壓力能回收水平。

繼續(xù)參照?qǐng)D1，天然氣系統(tǒng)主要包括加熱器10、調(diào)壓閥11、膨脹機(jī)12、發(fā)電機(jī)13以及緩沖罐14。其中：

加熱器10的第一天然氣入口與高壓管網(wǎng)的管道連接，加熱器10的天然氣出口與膨脹機(jī)12的天然氣入口相連接，膨脹機(jī)12的天然氣出口與緩沖罐14的天然氣入口相連接，緩沖罐14的天然氣出口連接至低壓管網(wǎng)的管道。高壓管網(wǎng)輸出的天然氣依次經(jīng)加熱器10預(yù)加熱、膨脹機(jī)12回收壓力能之后，可以暫時(shí)儲(chǔ)存于緩沖罐14內(nèi)或者直接由緩沖罐14的天然氣出口通至緩沖罐14低壓管網(wǎng)的管道。

調(diào)壓閥11的入口與高壓管網(wǎng)的管道連接，調(diào)壓閥11的入口連接至加熱器10的第二天然氣入口，主要用于為通過第一天然氣入口通入加熱器10的天然氣的預(yù)加熱提供燃料。由于預(yù)加熱的燃料為高壓天然氣，因此提高了預(yù)加熱的效率，這種布置方式更適合要求預(yù)加熱密度集中以及預(yù)加熱的溫差大的應(yīng)用場(chǎng)景。

膨脹機(jī)12通過聯(lián)軸器與發(fā)電機(jī)13連接，主要用于壓力能的回收。具體而言，加熱器的天然氣出口輸出的天然氣推動(dòng)膨脹機(jī)12轉(zhuǎn)動(dòng)，將壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，膨脹機(jī)12帶動(dòng)發(fā)電機(jī)13轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。優(yōu)選地，發(fā)電機(jī)13為勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，因此通過勵(lì)磁模塊調(diào)整發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流即可改變發(fā)電機(jī)13的轉(zhuǎn)速，通過發(fā)電機(jī)13的轉(zhuǎn)速的改變來調(diào)整膨脹機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變通過膨脹機(jī)12的天然氣的流量，該流量的改變結(jié)合下游用戶終端的天然氣的需求量，可使進(jìn)入緩沖罐14的天然氣的壓力的改變。

仍然參照?qǐng)D1，調(diào)控系統(tǒng)主要包括中控器20以及與中控器20通過信號(hào)電纜分別相連接的溫度傳感器22、轉(zhuǎn)速傳感器23、閥門組(第一閥門21、第二閥門25)和傳感器組(第一壓力傳感器24、第二壓力傳感器26)。中控器20還通過信號(hào)電纜與發(fā)電機(jī)13相連接，通過對(duì)發(fā)電機(jī)13的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)無需借助于節(jié)流式調(diào)壓閥、僅通過單獨(dú)的膨脹機(jī)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣的壓力調(diào)節(jié)以及壓力能回收的目的。其中：

溫度傳感器22設(shè)置于加熱器10的天然氣出口與膨脹機(jī)12的天然氣入口之間，主要用于檢測(cè)通過管道的預(yù)加熱之后的天然氣溫度并將溫度信號(hào)傳送給中控器20。

第一壓力傳感器24設(shè)置于緩沖罐14上，第一壓力傳感器24主要用于檢測(cè)緩沖罐14內(nèi)的天然氣壓力并將壓力信號(hào)傳送給中控器20；第二壓力傳感器26設(shè)置于第二閥門25與低壓管網(wǎng)之間的管道上，第二壓力傳感器26主要用于檢測(cè)通往低壓管網(wǎng)的天然氣壓力。

第一閥門21設(shè)置于調(diào)壓閥11的天然氣出口和加熱器10的第二天然氣入口之間，中控器20根據(jù)溫度傳感器22傳送的溫度信號(hào)來調(diào)整第一閥門21的開度，進(jìn)而改變進(jìn)入加熱器10的作為預(yù)加熱燃料的量；第二閥門26設(shè)置于緩沖罐14和低壓管網(wǎng)的管道之間，中控器20通過改變第二閥門26的開度，進(jìn)而改變進(jìn)入低壓管網(wǎng)的用于通至用戶終端的燃料總量。如在供氣不足、用戶終端的用氣量非常小(甚至為為零)或者系統(tǒng)故障時(shí)，中控器20使第二閥門26的開度減小，不過此時(shí)第一壓力傳感器24檢測(cè)的緩沖罐14內(nèi)的壓力將增加，為了保證第一壓力傳感器檢測(cè)的壓力仍處于中控器設(shè)定的壓力水平，必然需要通過中控器20降低發(fā)電機(jī)13的勵(lì)磁電流以使膨脹機(jī)12的轉(zhuǎn)速降低進(jìn)而降低通入膨脹機(jī)12的天然氣的流量。

轉(zhuǎn)速傳感器23設(shè)置于發(fā)電機(jī)13，主要用于檢測(cè)發(fā)電機(jī)13的轉(zhuǎn)速并將轉(zhuǎn)速信號(hào)傳送給中控器20。由于膨脹機(jī)12和發(fā)電機(jī)13之間是通過聯(lián)軸器連接的，因此此處轉(zhuǎn)速傳感器23測(cè)得的轉(zhuǎn)速可以同時(shí)用于描述二者的轉(zhuǎn)速。具體的安裝位置可以根據(jù)實(shí)際情形靈活設(shè)置，可以將轉(zhuǎn)速傳感器23設(shè)置于膨脹機(jī)12或者膨脹機(jī)12與發(fā)電機(jī)13之間的聯(lián)軸器上。

此外，本發(fā)明的天然氣調(diào)壓裝置還包括與中控器20雙向通訊的監(jiān)控端，調(diào)控系統(tǒng)的中控器20可以實(shí)時(shí)或者每隔一定的時(shí)間間隔(如1分鐘)與監(jiān)控端進(jìn)行通訊并向監(jiān)控器傳輸前述采集到的溫度、壓力和/或轉(zhuǎn)速信號(hào)。而且中控器20也可以隨時(shí)接收監(jiān)控端讀取數(shù)據(jù)的請(qǐng)求，以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控端對(duì)中控器中數(shù)據(jù)的讀取。此外，中控器20還可以通過前述的溫度、壓力和/或轉(zhuǎn)速信號(hào)來判斷天然氣調(diào)壓裝置是否存在故障，以及在存在故障的情形下確定故障類型并向監(jiān)控端發(fā)送相應(yīng)的故障類型、與故障類型相關(guān)的故障信息和/或與故障類型相關(guān)的提醒信號(hào)(如聲和/或光形式的報(bào)警信號(hào))。

如監(jiān)控端可以是物理服務(wù)器或者云端服務(wù)器，物理服務(wù)器可以是就近的或者遠(yuǎn)程的監(jiān)控中心，通過監(jiān)控端對(duì)調(diào)壓裝置的相關(guān)數(shù)據(jù)的集中接收、處理和發(fā)送，實(shí)現(xiàn)了對(duì)調(diào)壓裝置的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，能夠在調(diào)壓裝置發(fā)生故障的情形下及時(shí)獲知并采取相應(yīng)的排障策略，從而提高了調(diào)壓裝置整體的使用性能。

優(yōu)選地，膨脹機(jī)12選用單螺桿膨脹機(jī)，第一閥門21選用調(diào)節(jié)閥，第二閥門25選用截止閥，溫度傳感器22為熱電偶或者熱敏電阻，熱敏電阻的熱敏元件選用鉑電阻，轉(zhuǎn)速傳感器23選用非接觸的安裝形式，加熱器10選用水浴加熱器。

優(yōu)選地，發(fā)電機(jī)13還通過電源線與中控器20相連接，將發(fā)電機(jī)13產(chǎn)生的電能經(jīng)整流/逆變后為中控器20提供電能，從而實(shí)現(xiàn)了自發(fā)電優(yōu)先自使用的目的，此外可以使發(fā)電機(jī)13就近提供相關(guān)的照明、加熱、空調(diào)等用電，之后才將多余的電能輸送到電網(wǎng)中。這樣的配電方案省略了裝置以及裝置所處的應(yīng)用場(chǎng)景的配電設(shè)施，降低了電能輸送產(chǎn)生的能耗，在優(yōu)化電能回收的基礎(chǔ)上提高了電能的利用率。中控器20可以進(jìn)一步為與之相連的第一閥門21、第二閥門25、溫度傳感器22、第一壓力傳感器24以及第二壓力傳感器26等提供電能。

中控器20主要根據(jù)前述的加熱器10下游的天然氣溫度、緩沖罐14內(nèi)的壓力、第二閥門25下游的天然氣壓力、發(fā)電機(jī)13的轉(zhuǎn)速來調(diào)整天然氣的溫度、壓力和流量。具體的調(diào)節(jié)方式參照以下的天然氣膨脹機(jī)獨(dú)立調(diào)壓方法。

本發(fā)明還提供了一種天然氣膨脹機(jī)獨(dú)立調(diào)壓方法，獨(dú)立調(diào)壓的實(shí)現(xiàn)方法為：中控器20主要采用串級(jí)控制來對(duì)天然氣的溫度壓力和流量進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。作為一種優(yōu)選，在串級(jí)控制中，關(guān)于天然氣溫度的控制作為副控制回路，而關(guān)于壓力的控制則作為主控制回路，采用在保證溫度基本符合條件的基礎(chǔ)上進(jìn)行壓力調(diào)整的兩步整定法，優(yōu)化通往低壓管網(wǎng)的天然氣的(溫度、壓力)水平，改善天然氣的壓力能回收水平。該調(diào)壓方法主要包括：

s100、整定溫度的步驟，該步驟的實(shí)現(xiàn)方法為：中控器20通過溫度傳感器22傳輸?shù)臏囟刃盘?hào)，向第一閥門21發(fā)送調(diào)整指令，通過調(diào)整第一閥門21的開度的方式以使通過溫度傳感器22檢測(cè)到的天然氣的溫度達(dá)到并穩(wěn)定至中控器20設(shè)定的溫度水平。

具體而言，當(dāng)溫度傳感器22傳輸?shù)臏囟刃盘?hào)低于設(shè)定的溫度水平時(shí)，中控器20向第一閥門21發(fā)送增大第一閥門的開度的指令，如以逐漸增大第一閥門21開度的方式增加進(jìn)入加熱器的作為預(yù)加熱的燃料的天然氣的量，而當(dāng)溫度傳感器22傳輸?shù)臏囟刃盘?hào)高于設(shè)定的溫度水平時(shí)，中控器20則向第一閥門21發(fā)送減小第一閥門21的開度的指令。中控器20可以實(shí)時(shí)或者每隔一定的時(shí)間間隔(如1分鐘)接收并按照該原則循環(huán)調(diào)節(jié)溫度傳感器設(shè)置位置的天然氣的溫度，直至溫度傳感器22傳輸?shù)臏囟刃盘?hào)達(dá)到并穩(wěn)定至設(shè)定的溫度水平時(shí)，中控器20不再向第一閥門21發(fā)送調(diào)整期開度的指令，第一閥門21的開度保持不變。

s200、整定壓力的步驟，該步驟的實(shí)現(xiàn)方法為：基于膨脹機(jī)的轉(zhuǎn)速，中控器20根據(jù)第一壓力傳感器24和第二壓力傳感器26傳送的壓力信號(hào)，通過對(duì)通入膨脹機(jī)天然氣的流量進(jìn)行控制，進(jìn)而使第一壓力傳感器24和第二壓力傳感器26檢測(cè)的天然氣的壓力處于中控器20設(shè)定的壓力水平。該步驟主要包括：

1)在整定壓力的過程中，獲取膨脹機(jī)的轉(zhuǎn)速，在膨脹機(jī)小于中控器20設(shè)定的最高允許轉(zhuǎn)速的情形下，進(jìn)一步根據(jù)第一壓力傳感器24和第二壓力傳感器26傳送的壓力信號(hào)進(jìn)行以下相應(yīng)的控制操作：

11)當(dāng)?shù)诙毫鞲衅?6傳輸?shù)膲毫π盘?hào)(即下游的低壓管網(wǎng)的壓力)低于中控器20設(shè)定的壓力水平、而第一壓力傳感器24傳輸?shù)膲毫π盘?hào)(即緩沖罐內(nèi)的壓力)處于設(shè)定的壓力水平時(shí)，中控器20向發(fā)電機(jī)13的勵(lì)磁模塊發(fā)送提高發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流的信號(hào)以提高發(fā)電機(jī)13的轉(zhuǎn)速，如以緩慢提高發(fā)電機(jī)13的轉(zhuǎn)速的方式使膨脹機(jī)12的轉(zhuǎn)速也隨之緩慢升高，直至第一壓力傳感器24傳輸?shù)膲毫π盘?hào)達(dá)到如下的目標(biāo)狀態(tài)：略高于設(shè)定的壓力水平。如在第二壓力傳感器26傳輸?shù)膲毫π盘?hào)到達(dá)設(shè)定的壓力水平時(shí)，中控器20向發(fā)電機(jī)13的勵(lì)磁模塊發(fā)送提高發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流的信號(hào)以將發(fā)電機(jī)20的轉(zhuǎn)速提高0.1-10％，然后按照以下步驟進(jìn)行：

111)若第二壓力傳感器26傳輸?shù)膲毫π盘?hào)持續(xù)降低，則中控器20向發(fā)電機(jī)13發(fā)送能夠進(jìn)一步提高發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速的信號(hào)，膨脹機(jī)20的轉(zhuǎn)速也隨之進(jìn)一步升高，直至中控器20檢測(cè)到第二壓力傳感器26傳輸?shù)膲毫﹂_始回升；

112)若中控器20檢測(cè)到第二壓力傳感器26傳輸?shù)膲毫π盘?hào)開始回升，則中控器20向發(fā)電機(jī)13發(fā)送能夠降低發(fā)電機(jī)13的轉(zhuǎn)速的信號(hào)；

中控器20可以實(shí)時(shí)或者每隔一定的時(shí)間間隔(如1秒鐘)接收并按照上述111)和112)的原則循環(huán)調(diào)節(jié)第二壓力傳感器26設(shè)置位置的天然氣的壓力，即通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)13的勵(lì)磁電流的方式，直至第二壓力傳感器26傳輸?shù)膲毫π盘?hào)達(dá)到并穩(wěn)定至設(shè)定的壓力水平。

12)當(dāng)?shù)诙毫鞲衅?6傳輸?shù)膲毫π盘?hào)高于設(shè)定的壓力水平時(shí)(此時(shí)緩沖罐內(nèi)的壓力必然也高于設(shè)定的壓力水平)，中控器20向發(fā)電機(jī)13的勵(lì)磁模塊發(fā)送降低發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流的信號(hào)以降低發(fā)電機(jī)13的轉(zhuǎn)速，如以緩慢降低發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速的方式使膨脹機(jī)12的轉(zhuǎn)速也隨之緩慢降低，直至第二壓力傳感器26傳輸?shù)膲毫π盘?hào)達(dá)到以下目標(biāo)狀態(tài)：略高于設(shè)定的壓力水平，如在第二壓力傳感器26傳輸?shù)膲毫π盘?hào)到達(dá)設(shè)定的壓力水平時(shí)，中控器20向發(fā)電機(jī)13的勵(lì)磁模塊發(fā)送提高發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流的信號(hào)以將發(fā)電機(jī)20的轉(zhuǎn)速提高0.1-10％。這是因?yàn)?，膨脹機(jī)12的轉(zhuǎn)速降低需要時(shí)間，因此，如果第二壓力傳感器26檢測(cè)到的壓力已處于設(shè)定的壓力水平，那么第二壓力傳感器26的設(shè)置位置的壓力會(huì)隨著膨脹機(jī)的轉(zhuǎn)速降低而降低，從而使第二壓力傳感器26的設(shè)置位置的天然氣的壓力在降低至處于設(shè)定的壓力水平之后，隨著膨脹機(jī)的轉(zhuǎn)速降低策略會(huì)進(jìn)一步降低至低于設(shè)定的壓力水平。這會(huì)使調(diào)整策略失效，因此目標(biāo)狀態(tài)設(shè)定為略高于設(shè)定的壓力水平的量，這為最終的以第二壓力傳感器26的設(shè)置位置的天然氣的壓力趨近并保持處于設(shè)定的壓力水平的目標(biāo)預(yù)留了空間。

13)當(dāng)?shù)谝粔毫鞲衅?4傳輸?shù)膲毫π盘?hào)低于設(shè)定的壓力水平時(shí)(此時(shí)下游的低壓管網(wǎng)的壓力必然也低于設(shè)定的壓力水平)，中控器20向發(fā)電機(jī)13的勵(lì)磁模塊發(fā)送提高發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流的信號(hào)以提高發(fā)電機(jī)13的轉(zhuǎn)速，如以緩慢提高發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速的方式使膨脹機(jī)12的轉(zhuǎn)速也隨之緩慢提高，直至第一壓力傳感器24傳輸?shù)膲毫π盘?hào)達(dá)到并穩(wěn)定至設(shè)定的壓力水平。

2)在整定壓力的過程中，獲取膨脹機(jī)的轉(zhuǎn)速，在膨脹機(jī)的轉(zhuǎn)速大于等于中控器20設(shè)定的最高允許轉(zhuǎn)速的情形下，則進(jìn)一步根據(jù)第一壓力傳感器24和第二壓力傳感器26傳送的壓力信號(hào)進(jìn)行以下相應(yīng)的控制操作：

21)當(dāng)?shù)谝粔毫鞲衅?4和第二壓力傳感器26傳輸?shù)膲毫π盘?hào)均高于設(shè)定的壓力水平時(shí)，則中控器20向按照前述1)中的步驟12)進(jìn)行壓力調(diào)整，即中控器20通過降低發(fā)電機(jī)13的轉(zhuǎn)速使第二壓力傳感器26傳輸?shù)膲毫π盘?hào)略高于設(shè)定的壓力水平；

22)當(dāng)?shù)谝粔毫鞲衅?4和第二壓力傳感器26中的其中一個(gè)傳輸?shù)膲毫π盘?hào)低于設(shè)定的壓力水平時(shí)，則中控器20向發(fā)電機(jī)13的勵(lì)磁模塊發(fā)送提高發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流信號(hào)以提高發(fā)電機(jī)13的轉(zhuǎn)速，一方面使發(fā)電機(jī)13和膨脹機(jī)12保持最高允許轉(zhuǎn)速，同時(shí)中控器20向監(jiān)控端發(fā)送最大供氣量不足的提示信號(hào)(如聲和/或光形式的報(bào)警信號(hào))；

中控器20可以實(shí)時(shí)或者每隔一定的時(shí)間間隔(如1秒鐘)獲取膨脹機(jī)的轉(zhuǎn)速并按照上述21)和22)的原則循環(huán)調(diào)節(jié)第一壓力傳感器和第二壓力傳感器壓力的壓力水平，通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)13的轉(zhuǎn)速的方式，直至第一壓力傳感器和第二壓力傳感器傳送的壓力信號(hào)達(dá)到并穩(wěn)定至設(shè)定的壓力水平。

也就是說，根據(jù)膨脹機(jī)的當(dāng)前轉(zhuǎn)速是否達(dá)到最高允許轉(zhuǎn)速，將天然氣的壓力調(diào)整策略分為兩種情況來處理。在膨脹機(jī)小于最高允許轉(zhuǎn)速的情形下，若緩沖罐和低壓管網(wǎng)的壓力均低于設(shè)定的壓力水平，則通過提高發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的方式使通入膨脹機(jī)的天然氣的流量增加，進(jìn)而使緩沖罐的壓力和下游管網(wǎng)的壓力不斷升高，直至達(dá)到緩沖罐的壓力略高于設(shè)定的壓力水平的目標(biāo)狀態(tài)。而在膨脹機(jī)大于等于最高允許轉(zhuǎn)速的情形下，若緩沖罐和低壓管網(wǎng)的壓力中的其中一個(gè)低于設(shè)定的壓力水平，則保持膨脹機(jī)以最高允許轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)的同時(shí)向遠(yuǎn)程報(bào)警，而若緩沖罐和低壓管網(wǎng)的壓力均高于設(shè)定的壓力水平，則通過降低發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的方式直至緩沖罐的壓力達(dá)到略高于設(shè)定的壓力水平的目標(biāo)狀態(tài)。

在實(shí)際控制過程中，由于溫度對(duì)壓力的影響，將溫度和壓力的整定過程采用逐步逼近法，對(duì)溫度和壓力的調(diào)節(jié)循環(huán)進(jìn)行，最終使控制性能達(dá)到期望的精度。

需要說明的是，盡管本發(fā)明的串級(jí)控制為副回路調(diào)整完成后調(diào)整主回路的方案，不過在調(diào)整主回路過程中，如果由于參數(shù)的調(diào)整使副回路的參數(shù)發(fā)生變化，則應(yīng)當(dāng)實(shí)時(shí)調(diào)整副回路，使(主、副)回路的相關(guān)參數(shù)均能夠達(dá)到中控器預(yù)設(shè)的水平。

實(shí)施例2

圖2示出本發(fā)明的另一種實(shí)施例的天然氣膨脹機(jī)獨(dú)立調(diào)壓裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，實(shí)施例2與實(shí)施例的1的區(qū)別在于，裝置中調(diào)壓閥11的天然氣入口連接至低壓管網(wǎng)，也就是說，預(yù)加熱的燃料為能夠直接通往用戶終端的低壓天然氣。相比于實(shí)施例1，本實(shí)施例的方案提高了預(yù)加熱環(huán)節(jié)的安全性，因此更適合于安全性要求高但是預(yù)加熱的規(guī)模和程度比實(shí)施例1小的應(yīng)用場(chǎng)景。裝置的其他部分與實(shí)施例類似，裝置的調(diào)壓方法與實(shí)施例基本相同，在此不再贅述。

至此，已經(jīng)結(jié)合附圖所示的優(yōu)選實(shí)施方式描述了本發(fā)明的技術(shù)方案。但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員容易理解的是，本發(fā)明的保護(hù)范圍顯然不局限于這些具體實(shí)施方式。在不偏離本發(fā)明的原理的前提下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)相關(guān)技術(shù)特征作出等同的更改或替換，這些更改或替換之后的技術(shù)方案都將落入本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。