專利名稱：用于控制流動介質(zhì)分配的管道系統(tǒng)及其操作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于分配流動介質(zhì)的管道系統(tǒng)，它包括一根主管，主管在某一分叉點上分叉為多根支管；在每一根支管中包括一個可變節(jié)流閥，可用以調(diào)節(jié)每一根支管中的介質(zhì)流量；還包括用于每個節(jié)流閥的第一測壓裝置，可用于測量流動介質(zhì)在各節(jié)流閥處的壓力降。
本發(fā)明此外還涉及一種用于操作該管道系統(tǒng)的方法。
在收電站技術(shù)及至其他應(yīng)用領(lǐng)域，經(jīng)常存在下述要求，即用一種可壓縮或不可壓縮的介質(zhì)(如冷卻水、蒸氣、油或同類物)物流供應(yīng)許多用戶。用于此種目的的供應(yīng)系統(tǒng)典型地由一套管道網(wǎng)絡(luò)組成，管道網(wǎng)絡(luò)以分叉點(節(jié)點)為特色，在這里，一根主管(介質(zhì)主流)分叉成為兩根或更多的支管(支流)，它們通向單個用戶或用戶群。因此，在許多情況下，有必要根據(jù)用戶們的要求，控制在每一單個的支管內(nèi)的流量。為此，可以例如在支管中設(shè)置一個控制閥，控制它的行程，使所需流量流過閥門。
控制介質(zhì)經(jīng)過控制閥的流量和一個簡單方法，就是計算閥門為實現(xiàn)規(guī)定流量所必需的行程。閥門行程的計算典型地以在控制閥處所測得的壓力損失(即壓降)、閥門的特征以及介質(zhì)的性質(zhì)為基礎(chǔ)。最簡單地得到一種如

圖1中所示的管道系統(tǒng)(例如用于工業(yè)燃氣輪機的燃料供應(yīng)系統(tǒng))。在圖1的管道系統(tǒng)10中，主管11在分叉點12(例如)分叉為三根支管13,14和15。在每根支管13,14,15中設(shè)置一個閥門V1或V2或V3，借助于這些閥門，流經(jīng)各支管的流量得以調(diào)節(jié)(控制)。閥門V1、V2、V3各自同時配置測壓裝置PM1或PM2或PM3，用以測量閥門處的壓降。
如果閥門V1,..,V3的閥門行程用h表示，那么h就是閥門特征Kv的一個函數(shù)，即(1)h=h(Kv)對于可壓縮介質(zhì)(如燃氣輪機的燃氣)來說得到，面臨界流體情況的Kv值為值為
(2)Ky=α(dm/dt)[TM/(pM-Δp)]1/2[1/Δp]1/2，式中常數(shù)α，在交叉點12，準確地說在主管內(nèi)流量dm/dt，壓力pM和溫度TM以及在閥門處的壓降ΔP。對于規(guī)定的流量dm/dt來說，Kv值可以根據(jù)實測值的TM,pM及ΔP按式(2)確定。閥門行程可以根據(jù)規(guī)定的閥門特征Kv(h)進行計算。對于不可壓縮的介質(zhì)來說，也可進行類似的確定。
計算閥門行程時最重要的值是在閥門V1,…V3處測得的壓降。如果這一測量出現(xiàn)錯誤，將導(dǎo)致供應(yīng)系統(tǒng)出現(xiàn)不能接受的結(jié)束(如果是燃氣輪機，將導(dǎo)致閥門快速關(guān)閉或者甚至)如發(fā)生在冷卻水系統(tǒng)的情況下導(dǎo)致安全風(fēng)險。因此，在許多情況下，值得對閥門V1,、、,V3的壓力降進行重復(fù)測量，這樣，在進行壓力降ΔP的單個測量時的錯誤，就不會波及或影響到工廠連續(xù)可靠的運行(即可用性要求或利用率要求)。
重復(fù)測量方案有兩重目的(1)應(yīng)該發(fā)覺測量錯誤的發(fā)生并鑒別有缺陷的測量裝置及測量通道。(2)(不能)使用的測量值應(yīng)該由冗余的測量值代替。
在這里應(yīng)考慮到兩種基本的錯誤類型被通知的錯誤(NF)這種錯誤類型包括由傳送器或其它輸入/輸出(I/O)裝置通過一個“壞數(shù)據(jù)質(zhì)量”(BDQ)信號通知給控制系統(tǒng)的所有錯誤?？刂葡到y(tǒng)從BDQ信號中知道那一個ΔP信號是錯誤的。這種情況典型地是當(dāng)測量管道被中斷或者在測量鏈中的某一元件內(nèi)出現(xiàn)錯誤的時候發(fā)生。
測量值漂移這種錯誤類型描述了測量信號漸漸惡化，導(dǎo)致所傳送的信息不再是對壓力降的有效測量值。它無法探測，相應(yīng)地也無法通知給控制系統(tǒng)。因而必須采用其他途徑來處理這種錯誤類型。
壓力降的重復(fù)測量可以根據(jù)圖2采用雙重重復(fù)信息進行。在雙重重復(fù)信息的情形中，每個閥門除了已經(jīng)存在的測壓裝置PM1、..、PM3以外，各自還同時配置了第二套測壓裝置PM4,..,PM6。如果(每一閥門)兩個壓力測量值過程中的一個發(fā)現(xiàn)錯誤，它可以轉(zhuǎn)接到另一壓力測量值。然而，這僅對于被通知的錯誤來說是可能的，這時值可以通過BDQ信號探測到錯誤的測量過程。與此相反，測量過程的漂移無法通過雙重重復(fù)信息克服，因為對于每個閥門僅有的兩個獨立的測量過程來說，不可能確定其中哪一個受到破壞，準確地說漂移。
為了克服這個問題，壓力降的重復(fù)測量可以根據(jù)圖3采用三重重復(fù)信息進行。在三重重復(fù)信息的情況下，每個閥門除已有的測壓裝置PM1,..,PM9。發(fā)生漂移時，為了確定錯誤的測量過程，采用3中取2的選擇原則。在3中取2的選擇原則中。在3中取2的選擇原則中采用如果二條測量通道中的兩條提供相同的測量值，那么這兩條測量通道工作無缺陷，而第三條測量通道發(fā)生了則錯誤。
不僅對于圖2中所示的雙重重復(fù)信息來說，而且對于圖3中所示的三重重復(fù)信息來說，均存在下述缺點，即必須使用大量獨立的測壓裝置PM1、..、PM6以及PM1、..、PM9，這尤其對于每條支管采用三個測壓裝置的三重重復(fù)信息來說導(dǎo)致可觀的費用。
本發(fā)明的目標是把上述類型的管道系統(tǒng)作如下改進，即在記錄測量值的時候，以相對較低的附加費用獲得增加了的錯誤容限。
對于上述類型的管道系統(tǒng)來說，該目標這樣實現(xiàn)為了在壓力測量值中實現(xiàn)重復(fù)，至少在支管中的兩條之間沿流動方向在節(jié)流點之后，設(shè)置一套第二測壓裝置，用于測量各支管之間的壓力差。設(shè)置一套第二測壓裝置，用于測量各支管之間的壓力差。通過以規(guī)定的方式補加第二測壓裝置，就可以在兩個相關(guān)支管的節(jié)流點處為壓力降測量過程獲得雙重重復(fù)信息。這三個測壓裝置測量全部三個壓力(即主管內(nèi)的壓力以及兩條支管內(nèi)節(jié)流點之后的壓力)之間的差值，這里的三個壓力中的每一個分別被兩個測壓裝置當(dāng)成參照值。因此，當(dāng)測量無缺陷時，三個測壓裝置的三個測量值是線性相關(guān)的測量值的總和(當(dāng)正負號選擇正確時)為零。因此，支管的每個壓力測量值可以通過兩種不同的方式(雙重重復(fù))確定一方面，作為附屬第一測壓裝置的直接測量值，另一方面，來自另外兩個測壓裝置測量值的總和。因此，根據(jù)本發(fā)明，使用兩條支管的三個測壓裝置可以實現(xiàn)雙重重復(fù)信息，而如果采用圖2的模式，可能四個測壓裝置是必不可少的。
如果要為所有支管實現(xiàn)雙重重復(fù)信息，則根據(jù)本發(fā)明的第一優(yōu)選實施形式，在每條支管分別與另一支管之間設(shè)置第二測壓裝置，用于測量各支管之間的壓力差。因此，如有n根支管，就需要n-1第二個測壓裝置。
如果采用本發(fā)明的原理實現(xiàn)三重重復(fù)信息的話，節(jié)省將更加顯著。根據(jù)本發(fā)明的第二種優(yōu)選實施形式，通過在每條支管，與每兩條另外的支管之間設(shè)置一只第二測壓裝置，用于測量各支管間的壓差；實現(xiàn)三重重復(fù)信息。
根據(jù)本發(fā)明用于操作管道系統(tǒng)的方法，其特征在于對于每一對支管來說，每只附屬的第一測壓裝置和設(shè)置于每一對支管之間的第二測壓裝置結(jié)合為一組測壓裝置的功能正常時，測壓值總和等于零；該操作方法的特色還在于如果某一組內(nèi)的其中一只測壓裝置失靈，則附屬的測壓值將由該組另外兩個測壓裝置的測量值決定。
根據(jù)本發(fā)明的方法，其優(yōu)選實施形式的特色在于每只第一測壓裝置分別存在于兩組測壓裝置內(nèi)；其特征在于如果由兩組中每一組的另外兩個測壓裝置所確定附屬的壓值互相一致，但卻不同于第一測壓裝置所表示的測壓值，那么來自第一測壓裝置將的測壓值被視作有誤。
下面要借助于與附圖有關(guān)的實施例更詳細地解釋本發(fā)明。圖中所示為圖1是根據(jù)技術(shù)現(xiàn)狀帶有三條支管的管道系統(tǒng)，在每個限流位置(閥門)帶有一只測壓裝置；圖2是圖1所示系統(tǒng)，在每個限位置(閥門)帶有兩只測壓裝置，以便實現(xiàn)雙重重復(fù)信息；圖3是圖1所示系統(tǒng)，在每個限流位置(閥門)帶有三個測壓裝置，以便實現(xiàn)三重重復(fù)信息；以及圖4是本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，它以根據(jù)圖1的管道系統(tǒng)為基礎(chǔ)，并且有別于圖3，通過位于支管之間的，少數(shù)幾個附加測壓裝置實現(xiàn)三重重復(fù)信息。
在圖4中表現(xiàn)了根據(jù)本發(fā)明的管道系統(tǒng)的一種優(yōu)選實施例，它的一條主管和三條支管，僅僅使用三只附加的測壓裝置就實現(xiàn)了三重重復(fù)信息。管道系統(tǒng)10包含一主管11，主管11在分叉點12分叉為三條支管13,14,15。在每條支管中安裝了作為可控制節(jié)流點的閥門V1,V2及V3。閥門V1,V2,V3處的壓力降(壓力損失)首先直接由一只位置并聯(lián)于閥門的第一測壓裝置PM1，或PM2或PM3直接測量。為此，如圖中所示，在閥門兩側(cè)從支管上引出管道與測壓裝置相連。然而，也可以作以下完全一樣合適的設(shè)想，即把壓力傳感器直接設(shè)置于閥門前后的支管上，并且把信號線從壓力傳感器引向?qū)嶋H的測壓裝置。就此而言圖4中的系統(tǒng)就可以與圖1中的系統(tǒng)直接比較。
有別于圖1(以及圖3)，在圖4的實施例中有三個第二測壓裝置PM10,PM11及PM12，它們分別設(shè)置于閥門V1,V2及V3的后面支管之間，并測量管道13、14及15兩兩之間的壓力差。測壓裝置PM1,PM2及PM3也測量閥門V1,V2及V3處的壓力降ΔP1,ΔP2及ΔP3。測壓裝置PM10,PM11及PM12測量支管13/14,13/15及14/15之間的壓力差ΔP10,ΔP11及ΔP12。由于到閥門V1,V2及V3之間的壓力在所有的支管中都應(yīng)該是一致的，所以壓力差并非線性獨立，而是應(yīng)該符合下面的等式(符合電子網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)孔定則與節(jié)點定則，即Kirchhoff第一、第二定律)(3)G=ΔP1+ΔP1-ΔP2=0(4)G2=ΔP2+ΔP12-ΔP3=0(5)G3=ΔP3-ΔP11-ΔP1=0(6)G4=ΔP11-ΔP10-ΔP12=0從這些等式闡明了能夠得出重復(fù)壓力信息的條件(制約因素C1至C4)。因此，例如支管13內(nèi)閥門V1處的壓力差(壓力降)ΔP1可通過三種不同的方式各處獨立地測定，即(ⅰ)直接通過測壓裝置PM1，(ⅱ)借助于等式(3)間接地通過測壓裝置PM2和PM10，以及(ⅲ)借助于等式(5)間接地通過測壓裝置PM3及PM11。這同樣地適用于兩個閥門V2及V3處的壓力降。
只要測壓裝置及附屬管道正常工作，等式(3)至(6)及其相關(guān)條件就得以滿足，即，C1=C2=C3=C4=0。一旦某一壓力測量值出錯，C1至C4中的一個或幾個制約因素就不等于零，并違背了與它們相關(guān)的條件。例如如果ΔP1的壓力測量值出錯，那么C1≠=，而且C3≠0。對于一個出錯的測量過程導(dǎo)致違背某些條件的不同情況，可以列出下述系統(tǒng)邏輯表表格
每個條件Ci,i=1,..,4確定了矩陣的一行，而每個壓力測量值ΔPj,j=1,…,3,10,…,12確定了矩陣的一列。對于一個出錯的壓力測量值ΔPj來說，條件Ci的違背由一個第j列第I行的矩陣元素“1”來標示。未被違背的條件則相應(yīng)地用矩陣元素“0”來標示。如果象在上述實施例中那樣，ΔP1的測量值出錯，則根據(jù)表格，條件C1和C3就被違背(其矩陣元素都為“1”)。條件C2及C4并不受這一錯誤的影響(其矩陣元素都為“0”)。
反過來，上述表格還允許從被違背的條件來推斷出錯的壓力測量值。出錯的測量值可以由其他的壓力測量值求解所涉及到的等式推導(dǎo)得出。
實例測量值表明條件C2和C3來能滿足(C2≠0；C3≠0)。由上面的表格可以推導(dǎo)出，ΔP3的壓力測量值是錯誤的(即附屬于ΔP3這列的矩陣值為“1”)。缺少的ΔP3測量值可以由ΔP2和ΔP12的測量值通過等式(4)，或者由ΔP1和ΔP11的測量值通過等式(5)推導(dǎo)得出。
上面解釋的步驟可以適用于只有一個壓力測量值出錯的情形。而當(dāng)多個(兩個或更多)壓力測量值同時出錯時，情況就不一樣了。上面以表格形式所列的矩陣元素值分配，就不再明確了。雖然可以(根據(jù)條件C1至C4的違背情況)，斷定存在錯誤的壓力測量值，但無法明確地確定哪幾個壓力測量值是錯誤的。
實例當(dāng)條件C1,C2及C3被違背(C1≠0；C2≠0；C3≠0)時，則ΔP1-及ΔP2，或ΔP2及ΔP3，或ΔP1及ΔP3或ΔP1、ΔP2和ΔP3的測量值可能出錯。如果只有兩個測量值是錯誤的，而且例如通過相應(yīng)的BDQ信號可以識別ΔP1和ΔP3的測量值是錯誤的，那么可以由ΔP10及ΔP2通過等式(3)推導(dǎo)算出ΔP1，以及由ΔP2及ΔP12通過等式(4)推導(dǎo)算出ΔP3。
如果同時三個測量值出錯，那么只有當(dāng)ΔP1,ΔP2及ΔP3中至少一個測量值準確無誤時，才能重現(xiàn)閥門V1,V2,V3處的錯誤測量值。
實例如果ΔP1,ΔP2及ΔP10的壓力測量值是錯誤的，那么可以由ΔP3及ΔP11通過使用式(5)算出ΔP1，并且可以由ΔP3及ΔP12通過使用等式(4)算出ΔP2。
只有當(dāng)ΔP1,ΔP2及ΔP3同時出錯時，由于等式系統(tǒng)(3)至(6)在這種情況下是奇特類型的，就無法由其他測量值來計算上述值。所對應(yīng)的(物理學(xué))環(huán)境是就支管13,14,15之間的壓力差本身來說不包含關(guān)于閥門V1,V2及V3處壓力降的任何信息。
總之如圖4所示的系統(tǒng)可以實現(xiàn)下述校正a)如果某一單個的壓力測量值由于漂移出錯，探測和辨別錯誤的壓力測量值，并推導(dǎo)出正確的測量值；b)當(dāng)任意兩個測量值同時出錯，例如通過BDQ信號探測錯誤的測量值，并在辨別出錯的測量值之后，推導(dǎo)出正確的測量值；以及c)當(dāng)任意三個測量值同時出錯時，例如通過BDQ信號測量錯誤的測量值，并在判別出錯的測量值之后推導(dǎo)出正確的測量值；這時不包括位于閥門處的所有三個壓力測量值都同時出錯的這種特殊情況。
在上面所討論的三條支管的實施例中，三只附加的測壓裝置PM10,PM11及PM12足以充分地獲得與在圖3所示的系統(tǒng)中一樣的重復(fù)信息。如果增加其它支管，則每條附加支管需要在附加支管與任意兩條其它支管之間設(shè)置兩只附加的測壓裝置。此時，與圖3的布置方式相比，在三條支管的情況下，測壓裝置可以被最大程度的節(jié)省。
顯然，根據(jù)上面的講述，可以對本發(fā)明進行各種改進和變化。因此可以理解在附屬的權(quán)利要求范圍內(nèi)，本發(fā)明可以以與其中逐條描述不同的方式實施。
圖示標號表10管道系統(tǒng)11主管12分叉點13、14、15支管PM1,…、PM2測壓裝置V1、V2、V3閥門
權(quán)利要求
1．用于有控制地分配流動介質(zhì)的管道系統(tǒng)(10)，包括一根主管(11)，主管(11)在分叉點(12)上分叉為多根支管(13,14,15)；每根支管內(nèi)的可變節(jié)流閥(V1,V2,V3)，可用于調(diào)節(jié)在每根支管(13,14,15)內(nèi)的物料流量，以及附屬于每個節(jié)流閥(V1,V2,V3)的第一測壓裝置(PM1,PM2,PM3)，用于測量在相應(yīng)節(jié)流閥處的流動介質(zhì)壓力降，其特征在于，為了在壓力測量值中得到重復(fù)信息，在兩條支管(13,14或13,15或14,15)之間、沿流動方向在節(jié)流閥(V1,V2或V1,V3或V2,V3)之后至少設(shè)置一只第二測壓裝置(PM10或PM11或PM12)，用于測量相應(yīng)支管(13,14或13,15或14,15)之間的壓力差。
2．如權(quán)利要求1所述的管道系統(tǒng)，其特征在于，在每條支管(13,14,15)及相應(yīng)的另一條支管(14或13或14)之間設(shè)置一只第一測壓裝置(PM10或PM12)，用于測量相應(yīng)的支管(13,14或14,13或15,14)之間的壓力差。
3．如權(quán)利要求1及2之一所述的管道系統(tǒng)，其特征在于，在每條支管(13,14,15)及相應(yīng)的另外兩條支管(14,15或13,15或13,14)之間分別設(shè)置一只第二測壓裝置(PM10,PM11或PM10,PM12或PM11,PM12)，用于測量相應(yīng)支管(13,14,15)之間的壓力差。
4．如權(quán)利要求1至3之一所述的管道系統(tǒng)，其特征在于節(jié)流閥被設(shè)計成閥門(V1,V2,V3)。
5．如權(quán)利要求1至4之一所述的管道系統(tǒng)，其特征在于，使用三條支管(13,14,15)。
6．用于操作如權(quán)利要求1所述的管道系統(tǒng)的方法，其特征在于，對于每一對支管(13,14或14,15或13,15)而言，附屬的第一測壓裝置(PM1,PM2或者PM2,PM3或者PM1,PM3)與設(shè)置在支管對之間的第二測壓裝置(PM10或PM12或PM11)分別聯(lián)合成組，當(dāng)每組測壓裝置的測壓裝置功能正常時，測壓值的總和為零，如果某一組內(nèi)的其中一只第一測壓裝置(PM1或PM2,PM2或PM3,PM1或PM3)出錯時，附屬測壓值由該組另外兩只測壓裝置所測壓力值確定。
7．如權(quán)利要求5中所述的方法，其特征在于，每只第一測壓裝置(PM1,PM2,PM3)存在于測壓裝置組內(nèi)，而且如果由兩個組中的某一個組的另外兩只測壓裝置確定的附屬測壓值互相一致，但卻不同于由第一測壓裝置表示的測壓值，認為第一測壓裝置的測壓值出錯。
全文摘要
用于控制流動介質(zhì)分配的管道系統(tǒng)(10)包括一根主管(11),它在分叉點(12)上分叉為每根支管(13,14,15),每根支管內(nèi)的可變節(jié)流閥(V1,V2,V3)可用于調(diào)節(jié)在,每條支管道(13,14,15)中的物料流量,以及附屬于每只節(jié)流閥(V1,V2,V3)的第一測壓裝置(PM1,PM2,PM3),用于測量相應(yīng)節(jié)流閥(V1,V2,V3)處的流動介質(zhì)的壓力降。在有限的附加費用情況下通過下述方式實現(xiàn)測量過程中的重復(fù)信息:即在兩條支管(13,14或13,15或14,15)之間、沿流動方向在節(jié)流閥(V1,V2或V1,V3或V2,V3)之后至少設(shè)置一只第二測壓裝置(PM10或PM11或PM12),用于測量在相應(yīng)支管(13,14或13,15或14,15)之間的壓力差。
文檔編號F17D3/18GK1208831SQ98118369
公開日1999年2月24日 申請日期1998年8月17日 優(yōu)先權(quán)日1997年8月15日
發(fā)明者S·赫普內(nèi)爾 申請人:亞瑞亞·勃朗勃威力有限公司