本發(fā)明屬于氣體計量領(lǐng)域，具體涉及一種天然氣管網(wǎng)智能發(fā)電計量的裝置及方法。

背景技術(shù)：

隨著社會的迅猛發(fā)展，天然氣需求量也越來越大。這也對城市燃?xì)夤芫W(wǎng)的運營管理和安全建設(shè)提出了更高的要求。而目前城市燃?xì)夤芫W(wǎng)主要還是通過普通的巡檢管理系統(tǒng)和人為管理為主，存在著許多問題，如數(shù)據(jù)無法采集，存在人為管理或操作失誤等。因此，需要智能化的手段，提高燃?xì)夤芫W(wǎng)的安全性。

而智能管網(wǎng)的實現(xiàn)，需要用電。但目前許多調(diào)壓站、調(diào)壓箱都處于無電或缺電狀態(tài)。特別是偏離市區(qū)地區(qū)，更缺少電源，想實現(xiàn)智能化管網(wǎng)更加困難。若拉市電，則需要高昂的拉電纜費用，且政府審批困難。采用太陽能或風(fēng)能又有很多不穩(wěn)定因素，并不能持續(xù)穩(wěn)定發(fā)電。而且利用流量計計量費用過高，難以普及。

因此，需要一種智能發(fā)電計量的方法及裝置，對溫度壓力變送器及閥門等進(jìn)行供電，對管道內(nèi)天然氣數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并計量天然氣流量，并自動控制閥門的啟閉和報警。

中國專利申請cn203488999u公布了一種天然氣管道系統(tǒng)用調(diào)壓計量裝置。天然氣經(jīng)過箱體上的手動球閥、流量計、控制閥、調(diào)壓器等對天然氣進(jìn)行調(diào)壓計量。該裝置的優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠。但其實只是將傳統(tǒng)的流量計、調(diào)壓器、閥門等進(jìn)行整合，且控制需人工手動控制、不能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，極為不便。

中國專利申請cn105822904a公布了一種燃?xì)夤艿纼?nèi)置發(fā)電調(diào)壓裝置。通過在天然氣管道中加入葉輪及發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，發(fā)出的點儲存于蓄電池中，再供電給用電設(shè)備。該發(fā)明體積小、拆裝方便，可以解決偏遠(yuǎn)地區(qū)的燃?xì)夤芫€監(jiān)控設(shè)備用電問題。但該發(fā)明并不具備計量功能，不能檢測天然氣是否泄漏，想實現(xiàn)計量還需再加一個流量計，并不適合偏遠(yuǎn)、小型場站。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對上面提出的目前已有的天然氣計量裝置及管道內(nèi)置發(fā)電裝置的隱患及不足，提供一種天然氣管網(wǎng)智能發(fā)電計量的方法及裝置，以達(dá)到偏遠(yuǎn)無電缺電地區(qū)的準(zhǔn)確計量、平穩(wěn)運營，及時判斷天然氣是否存在泄漏、傳輸天然氣參數(shù)等目的。

本發(fā)明實現(xiàn)上述目的的技術(shù)方案為：

一種天然氣管網(wǎng)智能發(fā)電計量的裝置，包括發(fā)電裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、控制系統(tǒng)，所述發(fā)電裝置直接內(nèi)接于天然氣管道中，所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括設(shè)置在發(fā)電裝置上游的前置溫度壓力變送器、設(shè)置在發(fā)電裝置下游的后置溫度壓力變送器；所述控制系統(tǒng)包括高壓密封接線柱、導(dǎo)線、ups模塊、plc模塊、設(shè)置在發(fā)電裝置上游的截止閥和電動閥、設(shè)置在發(fā)電裝置下游的調(diào)壓閥，所述的ups模塊通過導(dǎo)線和高壓密封接線柱連接發(fā)電裝置儲存電能、監(jiān)控發(fā)電裝置發(fā)電參數(shù)，同時為plc模塊、截止閥、電動閥、調(diào)壓閥、前置溫度壓力變送器、后置溫度壓力變送器供電，所述的plc模塊與所述截止閥、電動閥、調(diào)壓閥、前置溫度壓力變送器、后置溫度壓力變送器電路連接，用于根據(jù)監(jiān)測的發(fā)電裝置前后壓力差或發(fā)電參數(shù)計算發(fā)電裝置所在位置的天然氣當(dāng)前流量數(shù)據(jù)。

進(jìn)一步地，所述的發(fā)電裝置包括發(fā)電機(jī)、固定鐵條、電機(jī)金屬套筒、葉輪，所述發(fā)電機(jī)通過螺絲固定在電機(jī)金屬套筒內(nèi)，所述電機(jī)金屬套筒通過固定鐵條固定在天然氣管道內(nèi)，所述葉輪固定在所述發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上，所述轉(zhuǎn)軸的前端設(shè)置有導(dǎo)流彈頭。

進(jìn)一步地，所述的天然氣管道內(nèi)還設(shè)置有位于葉輪前方的導(dǎo)流圈，用于改變天然氣流向，增大天然氣與葉輪的接觸面積，增大發(fā)電量。

進(jìn)一步地，所述發(fā)電機(jī)為防爆發(fā)電機(jī)。

進(jìn)一步地，所述的plc模塊還用于顯示前置溫度壓力變送器、后置溫度壓力變送器的壓力、溫度數(shù)據(jù)。

進(jìn)一步地，所述的plc模塊還用于顯示發(fā)電裝置輸出的電流及電壓。

進(jìn)一步地，所述的plc模塊還用于在計算出的流量數(shù)據(jù)與上、下游的差距超過安全閾值時報警及關(guān)閉截止閥。

一種天然氣管網(wǎng)智能發(fā)電計量的方法，基于所述裝置，分為用氣高峰情況下及用氣低谷情況下兩種不同的計量方法，包括步驟：

當(dāng)用氣高峰時，天然氣帶動發(fā)電裝置穩(wěn)定轉(zhuǎn)動并發(fā)電，plc模塊獲取發(fā)電裝置輸出的電流電壓；接著通過發(fā)電裝置的勵磁磁通及感應(yīng)電動勢常數(shù)，根據(jù)推導(dǎo)公式推算出天然氣的流量，且誤差在1％以下：

其中：q為管道內(nèi)天然氣流量，單位為m³/s；r為管道半徑，單位為m；u為發(fā)電機(jī)輸出電壓，單位為v；i為發(fā)電機(jī)輸出電流，單位為a；k感應(yīng)電動勢常數(shù)；φ勵磁磁通，單位為wb；

當(dāng)用氣低谷時，因天然氣不足以使葉輪轉(zhuǎn)動或轉(zhuǎn)速低于預(yù)定值時，則通過前置溫度壓力變送器與后置溫度壓力變送器將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絧lc模塊中，所述plc模塊根據(jù)流量與壓差的計算公式推算出天然氣流量，且誤差值在5％以下：

其中：q為管道內(nèi)天然氣流量，單位為m³/s；u為流量系數(shù)，根據(jù)通過該管道流量數(shù)據(jù)擬合得出；r為管道半徑，單位為m；δp為發(fā)電裝置前后壓力差，單位為pa；ρ為管道內(nèi)天然氣平均密度，單位為kg/m³。

進(jìn)一步地點，若葉輪不轉(zhuǎn)時，u的取值為0.57～0.65；當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)速低于預(yù)設(shè)值時，u的取值為0.5～0.57，通過擬合數(shù)據(jù)得出各管道具體的u值。

進(jìn)一步地點，當(dāng)推算出的天然氣流量與上、下游的天然氣流量差距大于安全閾值時，所述plc模塊報警并關(guān)閉截止閥。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下的有益效果：

1、設(shè)備實施成本低且安全系數(shù)高。該裝置其實只是在原本流程上加上發(fā)電裝置及plc模塊、ups模塊及高壓密封接線柱，溫度壓力變送器及閥門都為原本場站所有。無需外加流量計就能實現(xiàn)在無電缺電場站實現(xiàn)流量監(jiān)控及數(shù)據(jù)傳輸，為智能管網(wǎng)的實現(xiàn)提供了可能。一旦發(fā)生泄漏，即流量與上下游不符，則plc模塊會自動報警、嚴(yán)重時可關(guān)閉閥門。

2、整套裝置自動化程度高。該裝置無需人工操作便可自動運行及檢測，只需要定期進(jìn)行維修即可。減少了許多人工帶來的失誤，又節(jié)約了人力成本。通過計量過程針對不同流量情況進(jìn)行不同方法計量，智能程度高。

3、整套裝置占地面積小，應(yīng)用范圍廣。該裝置只占用了安放ups模塊及plc模塊的占地，占地面積不足半平米。且由于不需要加流量計，能在各種工況下進(jìn)行使用。

附圖說明

圖1為一種天然氣管網(wǎng)智能發(fā)電計量的裝置圖。

圖中示出：1-天然氣管道，2-截止閥，3-電動閥，4-溫度傳感器導(dǎo)流圈，5-葉輪，6-固定鐵條，7-電機(jī)金屬套筒，8-調(diào)壓閥，9-后置溫度壓力變送器，10-導(dǎo)線，11-螺絲，12-發(fā)電機(jī)，13-導(dǎo)流彈頭，14-前置溫度壓力變送器，15-ups模塊，16-高壓密封接線柱，17-plc模塊。

具體實施方式

為更好地理解本發(fā)明,下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但本發(fā)明要求保護(hù)的范圍并不局限于實施例表述的范圍。

以某天然氣管道為例，該管道內(nèi)天然氣流量在8～20時流量穩(wěn)定，每小時流量達(dá)到2000nm3/h，其余時間流量不穩(wěn)定。

實施例一

如圖1所示，一種天然氣管網(wǎng)智能發(fā)電計量的裝置，包括發(fā)電裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、控制系統(tǒng)，所述發(fā)電裝置直接內(nèi)接于天然氣管道1中，所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括設(shè)置在發(fā)電裝置上游的前置溫度壓力變送器14、設(shè)置在發(fā)電裝置下游的后置溫度壓力變送器9；所述控制系統(tǒng)包括高壓密封接線柱16、導(dǎo)線10、ups模塊15、plc模塊17、設(shè)置在發(fā)電裝置上游的截止閥2和電動閥3、設(shè)置在發(fā)電裝置下游的調(diào)壓閥8，所述的ups模塊15通過導(dǎo)線和高壓密封接線柱16連接發(fā)電裝置儲存電能、監(jiān)控發(fā)電裝置發(fā)電參數(shù)，同時為plc模塊17、截止閥2、電動閥3、調(diào)壓閥8、前置溫度壓力變送器14、后置溫度壓力變送器9供電，所述的plc模塊17與所述截止閥2、電動閥3、調(diào)壓閥8、前置溫度壓力變送器14、后置溫度壓力變送器9電路連接，用于根據(jù)監(jiān)測的發(fā)電裝置前后壓力差或發(fā)電參數(shù)計算發(fā)電裝置所在位置的天然氣當(dāng)前流量數(shù)據(jù)，本實施例的采用的plc模塊的型號為：西門子s7-200，采用的ups模塊15的具體型號為：apc-smartupssua2200/3000uxich。

本實施例中，所述的發(fā)電裝置包括發(fā)電機(jī)12、固定鐵條6、電機(jī)金屬套筒7、葉輪5，所述發(fā)電機(jī)12為防爆發(fā)電機(jī)，其通過螺絲11固定在電機(jī)金屬套筒7內(nèi)，所述電機(jī)金屬套筒7通過固定鐵條6固定在天然氣管道1內(nèi)，所述葉輪5固定在所述發(fā)電機(jī)12的轉(zhuǎn)軸上，所述轉(zhuǎn)軸的前端設(shè)置有導(dǎo)流彈頭13。所述的天然氣管道1內(nèi)還設(shè)置有位于葉輪5前方的導(dǎo)流圈4。

在流量穩(wěn)定時，天然氣流經(jīng)裝置沖擊葉輪5使葉輪5轉(zhuǎn)動，葉輪5轉(zhuǎn)動帶動發(fā)電機(jī)12轉(zhuǎn)動，可發(fā)出200w的電量。發(fā)出的電通過導(dǎo)線儲存在ups模塊15中。同時為plc模塊17、截止閥2、電動閥3、調(diào)壓閥8、前置溫度壓力變送器14、后置溫度壓力變送器9供電。此時發(fā)電機(jī)12發(fā)出電的參數(shù)在plc模塊17上顯示。

同時，所述的plc模塊17還用于顯示傳送的壓力溫度數(shù)據(jù)、顯示發(fā)電裝置輸出的電流及電壓、在計算出的流量數(shù)據(jù)與上、下游的差距超過安全閾值時報警及關(guān)閉截止閥2，停止供氣，保證管道運行安全。

實施例二

一種天然氣管網(wǎng)智能發(fā)電計量的方法，基于所述裝置，分為用氣高峰情況下及用氣低谷情況下兩種不同的計量方法，包括步驟：

s1、當(dāng)用氣高峰時，天然氣帶動發(fā)電裝置穩(wěn)定轉(zhuǎn)動并發(fā)電，plc模塊17獲取發(fā)電裝置輸出的電流電壓；接著通過發(fā)電裝置的勵磁磁通及感應(yīng)電動勢常數(shù)，根據(jù)推導(dǎo)公式推算出天然氣的流量，誤差在1％以下：

其中：q為管道內(nèi)天然氣流量，單位為m³/s；r為管道半徑，單位為m；u為發(fā)電機(jī)輸出電壓，單位為v；i為發(fā)電機(jī)輸出電流，單位為a；k感應(yīng)電動勢常數(shù)；φ勵磁磁通，單位為wb；

當(dāng)用氣低谷時，因天然氣不足以使葉輪轉(zhuǎn)動或轉(zhuǎn)動低于預(yù)定值時，則通過前置溫度壓力變送器與后置溫度壓力變送器將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絧lc模塊中，所述plc模塊根據(jù)流量與壓差的計算公式推算出天然氣流量，誤差值在5％以下：

其中：q為管道內(nèi)天然氣流量，單位為m³/s；u為流量系數(shù)，若葉輪不轉(zhuǎn)時，u的取值為0.57～0.65；當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)速低于預(yù)設(shè)值時u的取值為0.5～0.57，通過擬合數(shù)據(jù)得出各管道具體的u值；r為管道半徑，單位為m；δp為裝置前后壓力差，單位為pa；ρ為管道內(nèi)天然氣平均密度，單位為kg/m³。

當(dāng)用氣高峰時，在ups模塊15為plc模塊17、截止閥2、電動閥3、調(diào)壓閥8、前置溫度壓力變送器14、后置溫度壓力變送器9供電，并監(jiān)控發(fā)電機(jī)12發(fā)電參數(shù)，發(fā)電機(jī)12輸出的電流電壓在plc模塊17上顯示。

本實施例根據(jù)公式計算得出天然氣流量，并判斷、提示是否為正常狀態(tài)。當(dāng)流量不穩(wěn)定時，儲存在ups中的電量繼續(xù)為各設(shè)備供電。前置溫度壓力變送器與后置溫度壓力變送器可以將天然氣的溫度流量數(shù)據(jù)傳輸?shù)絧lc模塊17中，所述plc模塊17根據(jù)相應(yīng)的計算公式進(jìn)行計算給出流量數(shù)據(jù)，并判斷、提示是否為正常狀態(tài)。

當(dāng)推算出的天然氣流量與上下游的天然氣流量差距大于閾值時，也即流量數(shù)據(jù)不正常時，表明天然氣管道存在泄漏問題，所述plc模塊17會進(jìn)行報警，嚴(yán)重情況下自動切斷閥門停止供氣。

兩種不同的計量方法，可確保不管任何情況下都能實現(xiàn)天然氣流量的準(zhǔn)確計量，實現(xiàn)智能發(fā)電計量。

綜上所述，上述實施例提供的裝置是一種內(nèi)置于天然氣管道內(nèi)利用天然氣壓力能發(fā)電的裝置，同時發(fā)出的電用于管道內(nèi)天然氣流量的計量及管道儀表供電。在使計量成本降低的同時實現(xiàn)自動控制。本發(fā)明通過天然氣流經(jīng)發(fā)電裝置產(chǎn)生的電能，為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及控制系統(tǒng)供電；根據(jù)設(shè)備本身參數(shù)及天然氣相關(guān)溫壓數(shù)據(jù)推算出天然氣的流量，其誤差值小于5％。當(dāng)管道天然氣流量處于用氣高峰時，通過此時plc模塊上顯示的電流電壓，通過相關(guān)公式計算得出發(fā)電機(jī)發(fā)電參數(shù)，在通過相關(guān)公式推算出此時天然氣的流量；當(dāng)管道天然氣流量處于用氣低谷時，則通過天然氣流經(jīng)發(fā)電裝置產(chǎn)生的壓差，通過經(jīng)驗推算出流量系數(shù)計算出流量。

整套裝置設(shè)備簡單，在現(xiàn)有設(shè)施的基礎(chǔ)上無需另外增設(shè)流量計及供電系統(tǒng)，通過發(fā)電裝置前后壓差溫差數(shù)據(jù)及公式進(jìn)行計量，且發(fā)電裝置為整個系統(tǒng)供電，plc模塊17進(jìn)行精確控制，ups模塊15儲存電量，所得溫度用于糾正天然氣密度，能夠進(jìn)行處后及時判斷反饋是否存在漏氣現(xiàn)象，實現(xiàn)了在低成本的條件下持續(xù)監(jiān)測管道內(nèi)天然氣流量、實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，為管網(wǎng)的安全運營及智能化提供一個可靠的保障。

本發(fā)明的上述實施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。