一種低壓熱負荷壓力穩(wěn)定的天然氣能源站系統(tǒng)及控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種低壓熱負荷壓力穩(wěn)定的天然氣能源站系統(tǒng)及控制方法，該系統(tǒng)包括高壓分汽缸、低壓分汽缸、蒸汽蓄能器、第二閥門、第三閥門、汽壓檢測器、第一汽壓控制單元和第二汽壓控制單元，高壓分汽缸輸出端通過第一閥門連接低壓分汽缸輸入端，低壓分汽缸輸出端連接低壓負荷，蒸汽蓄能器輸入端通過第二閥門連接高壓分汽缸輸出端，蒸汽蓄能器輸出端通過第三閥門連接低壓分汽缸輸入端，汽壓檢測器設(shè)置在低壓分汽缸輸入端，汽壓檢測器還連接第一汽壓控制單元和第二汽壓控制單元，第一汽壓控制單元連接第二閥門，第二汽壓控制單元連接第三閥門。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明實現(xiàn)對系統(tǒng)低壓用戶側(cè)熱負荷的增加或減少進行快速精確響應(yīng)，節(jié)約能源。
【專利說明】
一種低壓熱負荷壓力穩(wěn)定的天然氣能源站系統(tǒng)及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種天然氣能源站系統(tǒng)及控制方法，尤其是涉及一種低壓熱負荷壓力 穩(wěn)定的天然氣能源站系統(tǒng)及控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 采用天然氣作為能源，可減少煤和石油的用量，因而大大改善環(huán)境污染問題;天然 氣作為一種清潔能源，能減少二氧化硫和粉塵排放量近1〇〇%，減少二氧化碳排放量60%和 氮氧化合物排放量50 %，并有助于減少酸雨形成，舒緩地球溫室效應(yīng)，從根本上改善環(huán)境質(zhì) 量。隨著天然氣的逐漸普及，天然氣能源站也逐步建立。天然氣能源站系統(tǒng)包括高壓側(cè)和低 壓側(cè)，高壓側(cè)連接高壓負荷，低壓側(cè)連接低壓負荷，由于用戶熱負荷具有波形性大的特點， 從而導(dǎo)致熱負荷側(cè)汽壓具有不穩(wěn)定性的缺點，造成安全問題，同時當用戶熱負荷較小時會 造成天然氣的大量浪費。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種低壓熱負荷壓 力穩(wěn)定的天然氣能源站系統(tǒng)及控制方法。
[0004] 本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：
[0005] -種低壓熱負荷壓力穩(wěn)定的天然氣能源站系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括高壓分汽缸和低壓分 汽缸，高壓分汽缸輸入端連接天然氣，高壓分汽缸輸出端一部分連接高壓負荷，另一部分通 過第一閥門連接低壓分汽缸輸入端，所述的低壓分汽缸輸出端連接低壓負荷，其特征在于， 該系統(tǒng)還包括蒸汽蓄能器、第二閥門、第三閥門、汽壓檢測器、第一汽壓控制單元和第二汽 壓控制單元，所述的蒸汽蓄能器輸入端通過第二閥門連接高壓分汽缸輸出端，蒸汽蓄能器 輸出端通過第三閥門連接低壓分汽缸輸入端，所述的汽壓檢測器設(shè)置在低壓分汽缸輸入 端，汽壓檢測器還連接第一汽壓控制單元和第二汽壓控制單元，所述的第一汽壓控制單元 連接第二閥門，所述的第二汽壓控制單元連接第三閥門；
[0006] 第一汽壓控制單元和第二汽壓控制單元根據(jù)汽壓檢測器檢測的低壓分汽缸輸入 端的壓力分別對應(yīng)控制第二閥門和第三閥門的開度大小，進而控制低壓分汽缸輸入端汽壓 的穩(wěn)定。
[0007] 所述的第一汽壓控制單元包括第一數(shù)字調(diào)節(jié)器，所述的第一數(shù)字調(diào)節(jié)器輸入端設(shè) 有汽壓給定值輸入端口，第一數(shù)字調(diào)節(jié)器輸入端還連接汽壓檢測器，第一數(shù)字調(diào)節(jié)器輸出 端連接第二閥門；
[0008] 第一數(shù)字調(diào)節(jié)器根據(jù)汽壓給定值和汽壓檢測器檢測的汽壓檢測值進行調(diào)節(jié)，進而 控制第二閥門的開度。
[0009] 所述的第一數(shù)字調(diào)節(jié)器為第一數(shù)字PID調(diào)節(jié)器。
[0010]所述的第一數(shù)字PID調(diào)節(jié)器控制算法為：
[0012] 其中，k為采樣時刻，u2(k)為第二閥門在k采樣時刻的開度，e(k)為k采樣時刻汽壓 檢測器檢測的汽壓檢測值和汽壓給定值的差值。
[0013] 所述的第二汽壓控制單元包括第二數(shù)字調(diào)節(jié)器，所述的第二數(shù)字調(diào)節(jié)器輸入端設(shè) 有汽壓給定值輸入端口，第二數(shù)字調(diào)節(jié)器輸入端還連接汽壓檢測器，第二數(shù)字調(diào)節(jié)器輸出 端連接第三閥門；
[0014] 第二數(shù)字調(diào)節(jié)器根據(jù)汽壓給定值和汽壓檢測器檢測的汽壓檢測值進行調(diào)節(jié)，進而 控制第三閥門的開度。
[0015] 所述的第二數(shù)字調(diào)節(jié)器為第二數(shù)字PID調(diào)節(jié)器。
[0016] 所述的第二數(shù)字PID調(diào)節(jié)器控制算法為：
[0018] 其中，k為采樣時刻，U3(k)為第三閥門在k采樣時刻的開度，e(k)為k采樣時刻汽壓 檢測器檢測的汽壓檢測值和汽壓給定值的差值。
[0019] -種低壓熱負荷壓力穩(wěn)定的天然氣能源站系統(tǒng)的控制方法，該方法包括具體為：
[0020] 通過汽壓檢測器檢測低壓分汽缸輸入端汽壓得到汽壓檢測值，當汽壓檢測值大于 汽壓給定值時，第一汽壓控制單元控制第二閥門打開設(shè)定開度，同時第二汽壓控制單元控 制第三閥門關(guān)閉；
[0021] 當汽壓檢測值小于汽壓給定值時，第一汽壓控制單元控制第二閥門關(guān)閉，同時第 二汽壓控制單元控制第三閥門打開設(shè)定開度。
[0022] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：
[0023] (1)本發(fā)明通過設(shè)置蒸汽蓄能器、第二閥門、第三閥門、汽壓檢測器、第一汽壓控制 單元和第二汽壓控制單元，通過第一汽壓控制單元和第二汽壓控制單元分別控制第二閥門 和第三閥門的開關(guān)狀態(tài)，實現(xiàn)蒸汽蓄能器的儲存蒸汽和釋放蒸汽，保證熱負荷側(cè)汽壓的穩(wěn) 定，實現(xiàn)了對系統(tǒng)低壓用戶側(cè)熱負荷的增加或減少進行快速精確響應(yīng)，對節(jié)能優(yōu)化有著積 極意義；
[0024] (2)第一汽壓控制單元和第二汽壓控制單元均采用數(shù)字PID調(diào)節(jié)器，實現(xiàn)了可靠調(diào) 節(jié)，保證了控制精度。
【附圖說明】
[0025] 圖1為本發(fā)明天然氣能源站系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026] 圖2為本發(fā)明第一汽壓控制單元的控制邏輯框圖；
[0027] 圖3為本發(fā)明第二汽壓控制單元的控制邏輯框圖。
[0028] 圖中，1為高壓分汽缸，2為低壓分汽缸，3為第一閥門，4為蒸汽蓄能器，5為第二閥 門，6為第三閥門，7a為第一汽壓控制單元的汽壓給定值輸入端口，7b為第一汽壓控制單元 汽壓檢測值輸入端口，7c為第一偏差模塊，7d為第一低限報警模塊，7e為第一比例控制器模 塊，7f為第一積分控制器模塊，7g為第一加法器模塊，7h為第一高限限制器模塊，7i為第一 低限限制器模塊，7j為第一跟蹤模塊，7k為第一手動切換模塊，7m為第一模擬信號發(fā)生器， 8a為第二汽壓控制單元的汽壓給定值輸入端口，8b為第二汽壓控制單元汽壓檢測值輸入端 口，8c為第二偏差模塊，8d為第二高限報警模塊，8e為第二比例控制器模塊，8f為第二積分 控制器模塊，8g為第二加法器模塊，8h為第二高限限制器模塊，8i為第二低限限制器模塊， 8j為第二跟蹤模塊，8k為第二手動切換模塊，8m為第二模擬信號發(fā)生器。
【具體實施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。
[0030] 實施例
[0031] 如圖1所示，一種低壓熱負荷壓力穩(wěn)定的天然氣能源站系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括高壓分汽 缸1和低壓分汽缸2高壓分汽缸1輸入端連接天然氣，高壓分汽缸1輸出端一部分連接高壓負 荷，另一部分通過第一閥門3連接低壓分汽缸2輸入端，低壓分汽缸2輸出端連接低壓負荷， 該系統(tǒng)還包括蒸汽蓄能器4、第二閥門5、第三閥門6、汽壓檢測器、第一汽壓控制單元和第二 汽壓控制單元，蒸汽蓄能器4輸入端通過第二閥門5連接高壓分汽缸1輸出端，蒸汽蓄能器4 輸出端通過第三閥門6連接低壓分汽缸2輸入端，汽壓檢測器設(shè)置在低壓分氣缸2輸入端，汽 壓檢測器用于檢測低壓分汽缸輸入端的壓力，汽壓檢測器還連接第一汽壓控制單元和第二 汽壓控制單元，第一汽壓控制單元連接第二閥門5,第二汽壓控制單元連接第三閥門6,第二 閥門5、第三閥門6用于不同負荷段下對低壓分汽缸輸入端的壓力控制，第一汽壓控制單元 和第二汽壓控制單元根據(jù)汽壓檢測器檢測的低壓分汽缸2輸入端的壓力分別對應(yīng)控制第二 閥門5和第三閥門6的開度大小，進而控制低壓分汽缸2輸入端汽壓的穩(wěn)定。汽壓檢測器檢測 低壓分汽缸2輸入端的壓力，汽壓檢測值記作P2,經(jīng)實驗，第二閥門5從0開到100%對汽壓檢 測值P2的可調(diào)范圍為（0.8MPa，0.804915Mpa)，相應(yīng)的能夠克服熱負荷小范圍的波動為 0.08748t/h~0。第三閥門6從0開到100%對汽壓檢測值？2的可調(diào)范圍為（0.63727910^， 0.8MPa)，相應(yīng)的能夠克服熱負荷小范圍的波動為0~6.25356t/h。由此可知第二閥門5和第 三閥門6對汽壓檢測值P2的可調(diào)范圍為(0.637279MPa，0.804915MPa)，因此在此范圍內(nèi)設(shè)計 第一汽壓控制單元和第二汽壓控制單元。
[0032] 第一汽壓控制單元包括第一數(shù)字調(diào)節(jié)器，第一數(shù)字調(diào)節(jié)器輸入端設(shè)有汽壓給定值 輸入端口，第一數(shù)字調(diào)節(jié)器輸入端還連接汽壓檢測器，第一數(shù)字調(diào)節(jié)器輸出端連接第二閥 門5;第一數(shù)字調(diào)節(jié)器根據(jù)汽壓給定值和汽壓檢測器檢測的汽壓檢測值進行調(diào)節(jié)，進而控制 第二閥門5的開度。第一數(shù)字調(diào)節(jié)器為第一數(shù)字PID調(diào)節(jié)器。第一數(shù)字PID調(diào)節(jié)器控制算法 為：
[0034]其中，k為采樣時刻，u2(k)為第二閥門5在k采樣時刻的開度，e(k)為k采樣時刻汽 壓檢測器檢測的汽壓檢測值和汽壓給定值的差值。
[0035] 具體地，第一汽壓控制單元的控制邏輯框圖如圖2所示，圖中7a為第一汽壓控制單 元的汽壓給定值輸入端口，7b為第一汽壓控制單元汽壓檢測值輸入端口，7c為第一偏差模 塊，7d為第一低限報警模塊，7e為第一比例控制器模塊，7f為第一積分控制器模塊，7g為第 一加法器模塊，7h為第一高限限制器模塊，7i為第一低限限制器模塊，7j為第一跟蹤模塊， 7k為第一手動切換模塊，7m為第一模擬信號發(fā)生器，首先由第一偏差模塊7c計算汽壓檢測 值和汽壓給定值的差值，然后對偏差值進行比例和積分的求和運算，接著通過第一高限限 制器模塊7h和第一低限限制器模塊7i進行限幅控制，最后通過第一跟蹤模塊7j輸出第二閥 門5的開度指令，其中設(shè)置第一高限限制器模塊7h和第一低限限制器模塊7i因為第二閥門5 的開度可調(diào)范圍是〇~100%，所以需在控制器中設(shè)定輸出值的上下限。當汽壓檢測值大于 汽壓給定值時說明低壓側(cè)負荷多于用戶側(cè)需求，此時應(yīng)關(guān)閉第三閥門6,打開第二閥門5,使 多余的蒸汽經(jīng)第二閥門5存儲于蒸汽蓄能器中，第一汽壓控制單元根據(jù)汽壓檢測值與汽壓 給定值的偏差計算調(diào)整第二閥門5的開度指令，汽壓檢測值也隨著閥門第二閥門5的開度的 不斷變化慢慢降回設(shè)定值。當汽壓檢測值一旦小于汽壓給定值時，此時應(yīng)該立刻關(guān)閉第二 閥門5,此時通過第一偏差模塊7c和第一低限報警模塊7d觸發(fā)手動超馳信號，第一手動切換 模塊7k工作，將第二閥門5開度指令切換到手動，第二閥門5開度立刻降為0,同時打開第三 閥門6。
[0036] 第二汽壓控制單元包括第二數(shù)字調(diào)節(jié)器，第二數(shù)字調(diào)節(jié)器輸入端設(shè)有汽壓給定值 輸入端口，第二數(shù)字調(diào)節(jié)器輸入端還連接汽壓檢測器，第二數(shù)字調(diào)節(jié)器輸出端連接第三閥 門6;第二數(shù)字調(diào)節(jié)器根據(jù)汽壓給定值和汽壓檢測器檢測的汽壓檢測值進行調(diào)節(jié)，進而控制 第三閥門6的開度。第二數(shù)字調(diào)節(jié)器為第二數(shù)字PID調(diào)節(jié)器。第二數(shù)字PID調(diào)節(jié)器控制算法 為：
[0038]其中，k為采樣時刻，u3(k)為第三閥門6在k采樣時刻的開度，e(k)為k采樣時刻汽 壓檢測器檢測的汽壓檢測值和汽壓給定值的差值。
[0039]具體地，第二汽壓控制單元的控制邏輯框圖如圖3所示，圖中8a為第二汽壓控制單 元的汽壓給定值輸入端口，8b為第二汽壓控制單元汽壓檢測值輸入端口，8c為第二偏差模 塊，8d為第二高限報警模塊，8e為第二比例控制器模塊，8f為第二積分控制器模塊，8g為第 二加法器模塊，8h為第二高限限制器模塊，8i為第二低限限制器模塊，8 j為第二跟蹤模塊， 8k為第二手動切換模塊，8m為第二模擬信號發(fā)生器，首先由第二偏差模塊8c計算汽壓檢測 值和汽壓給定值的差值，然后對偏差值進行比例和積分的求和運算，接著通過第二高限限 制器模塊8h和第二低限限制器模塊8i進行限幅控制，最后通過第一跟蹤模塊8j輸出第三閥 門6的開度指令，其中設(shè)置第二高限限制器模塊8h和第二低限限制器模塊8i因為第三閥門6 的開度可調(diào)范圍是〇~100%，所以需在控制器中設(shè)定輸出值的上下限。當汽壓檢測值小于 汽壓給定值時說明低壓側(cè)負荷滿足不了用戶側(cè)需求，此時應(yīng)關(guān)閉第二閥門5,打開第三閥門 6，將存儲于蒸汽蓄能器中的蒸汽釋放，第二氣壓控制單元根據(jù)汽壓檢測值與汽壓給定值的 偏差計算調(diào)整第三閥門6的開度指令，汽壓檢測值也隨著閥門第三閥門6的開度的不斷變化 慢慢上升至設(shè)定值。當汽壓檢測值一旦大于汽壓給定值時，此時應(yīng)該立刻關(guān)閉第三閥門6， 此時通過第二偏差模塊8c和第二低限報警模塊8d觸發(fā)手動超馳信號，第二手動切換模塊8m 工作，將第三閥門6開度指令切換到手動，第三閥門6開度立刻降為0，同時打開第二閥門5。
[0040] -種用于上述低壓熱負荷壓力穩(wěn)定的天然氣能源站系統(tǒng)的控制方法，該方法包括 具體為：
[0041] 通過汽壓檢測器檢測低壓分汽缸2輸入端汽壓得到汽壓檢測值，當汽壓檢測值大 于汽壓給定值時，第一汽壓控制單元控制第二閥門5打開設(shè)定開度，同時第二汽壓控制單元 控制第三閥門6關(guān)閉；
[0042] 當汽壓檢測值小于汽壓給定值時，第一汽壓控制單元控制第二閥門5關(guān)閉，同時第 二汽壓控制單元控制第三閥門6打開設(shè)定開度。
【主權(quán)項】
1. 一種低壓熱負荷壓力穩(wěn)定的天然氣能源站系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括高壓分汽缸（1)和低壓 分汽缸(2)，高壓分汽缸（1)輸入端連接天然氣，高壓分汽缸（1)輸出端一部分連接高壓負 荷，另一部分通過第一閥口（3)連接低壓分汽缸(2)輸入端，所述的低壓分汽缸(2)輸出端連 接低壓負荷，其特征在于，該系統(tǒng)還包括蒸汽蓄能器(4)、第二閥口（5)、第Ξ閥口（6)、汽壓 檢測器、第一汽壓控制單元和第二汽壓控制單元，所述的蒸汽蓄能器(4)輸入端通過第二閥 Π (5)連接高壓分汽缸（1)輸出端，蒸汽蓄能器(4)輸出端通過第Ξ閥口（6)連接低壓分汽缸 (2)輸入端，所述的汽壓檢測器設(shè)置在低壓分汽缸(2)輸入端，汽壓檢測器還連接第一汽壓 控制單元和第二汽壓控制單元，所述的第一汽壓控制單元連接第二閥口巧），所述的第二汽 壓控制單元連接第Ξ閥口（6); 第一汽壓控制單元和第二汽壓控制單元根據(jù)汽壓檢測器檢測的低壓分汽缸(2)輸入端 的壓力分別對應(yīng)控制第二閥口（5)和第Ξ閥口（6)的開度大小，進而控制低壓分汽缸(2)輸 入端汽壓的穩(wěn)定。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低壓熱負荷壓力穩(wěn)定的天然氣能源站系統(tǒng)，其特征在于， 所述的第一汽壓控制單元包括第一數(shù)字調(diào)節(jié)器，所述的第一數(shù)字調(diào)節(jié)器輸入端設(shè)有汽壓給 定值輸入端口，第一數(shù)字調(diào)節(jié)器輸入端還連接汽壓檢測器，第一數(shù)字調(diào)節(jié)器輸出端連接第 二閥 n(5); 第一數(shù)字調(diào)節(jié)器根據(jù)汽壓給定值和汽壓檢測器檢測的汽壓檢測值進行調(diào)節(jié)，進而控制 第二閥口（5)的開度。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種低壓熱負荷壓力穩(wěn)定的天然氣能源站系統(tǒng)，其特征在于， 所述的第一數(shù)字調(diào)節(jié)器為第一數(shù)字PID調(diào)節(jié)器。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種低壓熱負荷壓力穩(wěn)定的天然氣能源站系統(tǒng)，其特征在于， 所述的第一數(shù)字PID調(diào)節(jié)器控制算法為：其中，k為采樣時刻，化化)為第二閥口（5)在k采樣時刻的開度，e化)為k采樣時刻汽壓檢 測器檢測的汽壓檢測值和汽壓給定值的差值。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低壓熱負荷壓力穩(wěn)定的天然氣能源站系統(tǒng)，其特征在于， 所述的第二汽壓控制單元包括第二數(shù)字調(diào)節(jié)器，所述的第二數(shù)字調(diào)節(jié)器輸入端設(shè)有汽壓給 定值輸入端口，第二數(shù)字調(diào)節(jié)器輸入端還連接汽壓檢測器，第二數(shù)字調(diào)節(jié)器輸出端連接第 Ξ閥 n(6); 第二數(shù)字調(diào)節(jié)器根據(jù)汽壓給定值和汽壓檢測器檢測的汽壓檢測值進行調(diào)節(jié)，進而控制 第Ξ閥口（6)的開度。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種低壓熱負荷壓力穩(wěn)定的天然氣能源站系統(tǒng)，其特征在于， 所述的第二數(shù)字調(diào)節(jié)器為第二數(shù)字PID調(diào)節(jié)器。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種低壓熱負荷壓力穩(wěn)定的天然氣能源站系統(tǒng)，其特征在于， 所述的第二數(shù)字PID調(diào)節(jié)器控制算法為：其中，k為采樣時刻，U3化)為第Ξ閥口（6)在k采樣時刻的開度，e化)為k采樣時刻汽壓檢 測器檢測的汽壓檢測值和汽壓給定值的差值。8. -種如權(quán)利要求1所述的低壓熱負荷壓力穩(wěn)定的天然氣能源站系統(tǒng)的控制方法，該 方法包括具體為： 通過汽壓檢測器檢測低壓分汽缸（2)輸入端汽壓得到汽壓檢測值，當汽壓檢測值大于 汽壓給定值時，第一汽壓控制單元控制第二閥口巧)打開設(shè)定開度，同時第二汽壓控制單元 控制第Ξ閥口（6)關(guān)閉； 當汽壓檢測值小于汽壓給定值時，第一汽壓控制單元控制第二閥口（5)關(guān)閉，同時第二 汽壓控制單元控制第Ξ閥口（6)打開設(shè)定開度。
【文檔編號】F17D3/01GK106090617SQ201610546010
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年7月12日
【發(fā)明人】錢虹, 陳丹, 王渡, 楊明
【申請人】上海電力學(xué)院