CN102748259A

CN102748259A - 基于高精度控压控温的天然气压差发电系统及其控制方法

Info

Publication number: CN102748259A
Application number: CN2012102372245A
Authority: CN
Inventors: 李建
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-07-10
Filing date: 2012-07-10
Publication date: 2012-10-24
Anticipated expiration: 2032-07-10
Also published as: CN102748259B

Abstract

本发明公开了一种基于高精度控压控温的天然气压差发电系统，包括发电系统及自动控压控温系统，发电系统包括换热器、单级或多级向心涡轮膨胀机组、再热器、齿轮、减速器以及发电机组；而自动控压控温系统则包括激光器、光纤光栅传感器、调制解码器、PC智能控制机组以及调压阀，所述的光纤光栅传感器包括内部封装有光纤光栅且由合金材料或聚合物材料制成的包层，波长分析器以及分别与该包层和波长分析器相连的3dB光纤定向耦合器。本发明解决了现有的天然气压差发电系统在气压输送过程中对气体的压力控制精度不高且不能检测气体温度的问题，不仅大幅度提高了整个发电系统的稳定性及发电效率，而且从根本上优化了整个天然气压差发电系统的性能。

Description

基于高精度控压控温的天然气压差发电系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种发电系统，具体地说，是涉及一种基于高精度控压控温的天然气压差发电系统及其控制方法。

背景技术

利用天然气压差发电技术发电自首次提出以来，已越来越受到人们的重视，我国自去年开始也涉及到这一方面的操作。由于利用天然气压差发电的一些独特优势，从环境保护、提高能源效率出发，因此，发展天然气压差发电是合理的。

与燃煤电厂相比，利用天然气压差发电的电厂具有投资少、对环境污染小、整体循环效率高、调峰性能好、占地少、建设周期短、厂用电率低、耗水少、可用率高等优点。

通常，利用管道高压天然气发电时，需要减压。天然气被压缩后，体积会因此而膨胀9倍，产生相当大的能量。天然气压差发电就是利用高压气体在降压时产生的能量发电，亦称“气体直接膨胀做功发电”。

现有的天然气压差发电系统通常利用调压站对气体的压力进行调节，并没有对气体的温度进行调节。由于在系统中没有设有用于调节温度的设备，并且因为系统中的换热设备自身的限制，导致很多时候系统都没能很好地使用气体的热能；此外，简单地利用调压站对天然气的压力进行调节也会存在着误差，并且因为这个误差的存在，很多时候，出于安全考虑，工作人员通常都会把气压调低至一个明显的安全值范围，然后再用来进行压差发电，因此，这也导致了发电系统没能很充分地利用这部分天然气的压差能量，影响了整个发电系统的发电效率，发电的稳定性也得不到保障，并且由于调压站要经常性地对气体的实时气压进行微调，从而也影响了发电系统的工作效率，大大降低了整个天然气压差发电系统的性能。

因此，如何提高整个天然气压差发电系统对传输的天然气的控压和控温精度，以便充分利用气体的热能和压差能量，从而大幅度提高发电系统的发电稳定性及效率，优化整个天然气压差发电系统的性能，便成为一道急需解决的技术难题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于高精度控压控温的天然气压差发电系统，主要解决现有的天然气压差发电系统在气压输送过程中对气体的压力控制精度不高且不能检测气体温度的问题。同时本发明还提供了该基于高精度控压控温的天然气压差发电系统的控制方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

基于高精度控压控温的天然气压差发电系统，包括由依次相连接的换热器、单级或多级向心涡轮膨胀机组、再热器、齿轮、减速器以及发电机组组成的发电系统，还包括与所述发电系统相连且由依次相连接的激光器、光纤光栅传感器、调制解码器、PC智能控制机组以及调压阀组成的自动控压控温系统；所述的控制机组还分别与激光器和换热器相连，所述的光纤光栅传感器与单级或多级向心涡轮膨胀机组相连接。

为了进一步提高光纤光栅传感器对气体实时压力和温度的检测灵敏度，所述的光纤光栅传感器包括内部封装有光纤光栅的包层，波长处理器以及分别与该包层和波长分析器相连的3dB光纤定向耦合器，且包层由合金材料或聚合物材料制成。

在上述硬件系统的基础上，本发明还提供了该基于高精度控压控温的天然气压差发电系统的控制方法，包括以下步骤：

（1）在天然气压差发电系统中通入天然气，且换热器对通入的气体进行加热；

（2）PC智能控制机组控制激光器向光纤光栅传感器发射光源；

（3）光纤光栅传感器根据通入天然气压力和温度的变化使发射在该光纤光栅传感器中的光源产生相对应的光信号，光纤光栅传感器将该光信号传输至调制解码器；

（4）调制解码器将接收到的光信号转换成电信号，并将该电信号传输至PC智能控制机组；

（5）控制机组对接收到的电信号进行分析、处理，并根据处理结果分别对气体的压力和温度进行调节，使气体的压力和温度均符合发电的要求；

（6）经过步骤（5）处理后，天然气在发电系统中加热膨胀做功并带动齿轮高速转动，该高速转动的齿轮经减速器减速后带动发电机组发电。

具体地说，步骤（3）包括以下步骤：

（3a）光源进入光纤光栅传感器后，包层将外界天然气压力和温度的变化传至光纤光栅，光纤光栅感应该变化并对射入光源发生相应的反射并将反射后的光信号传输到3dB光纤定向耦合器；

（3b）3dB光纤定向耦合器将接收到的反射光信号进行耦合并传输至波长分析器进行处理，波长处理器将处理后的光信号传输到调制解码器。

具体地说，步骤（5）中PC智能控制机组对调制解码器传输的电信号进行分析，判断气体的压力和温度是否均符合发电要求，是，则不需对气体的压力和温度进行调节，否，则控制调压阀对气体的压力进行调节，同时还控制换热器对气体的温度进行调节。

或者说，步骤（5）中PC智能控制机组对调制解码器传输的电信号进行分析，判断气体的压力和温度是否均符合发电要求，气体的压力符合要求，而气体的温度不符合要求，则不需对气体的压力进行调节，而控制换热器对气体的温度进行调节，气体的压力不符合要求，而气体的温度符合要求，则控制调压阀对气体的压力进行调节，而不需对气体的温度进行调节。

本发明的设计原理在于，利用自动控压控温系统中的光纤光栅传感器在所处环境的压力和温度两种物理量发生变化时，光纤光栅的周期和有效折射率将发生变化，从而使反射光的中心波长发生变化，通过检测物理量变化前后反射光波长的变化量，并利用PC智能控制机组对检测结果进行分析就可以获得待测物理量的变化情况，通过PC智能控制机组控制调压阀控制调节气体压力，以及控制换热器控制调节气体温度，便能实现整个天然气压差发电系统对气体压力和温度的实时同步控制调节。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明构思严谨，设计巧妙，实现方便。

（2）本发明在天然气压差发电系统中加入一套自动控压控温系统，利用光纤光栅传感技术及其检测原理，通过PC智能控制机组根据实际情况对检测结果进行处理，不仅可以实现天然气压差发电系统对天然气气体的压力和温度的高精度智能控制，而且通过对气体压力和温度的精确调节，也充分利用了气体的压差能量和热能来进行发电，从而大幅度地提高了整个发电系统的发电稳定性及效率，与现有技术相比，其具有实质性的特点和显著的进步。

（3）本发明中光纤光栅的包层采用合金材料或聚合物材料制成，相较于传统的金属材料，包层的制作材料极大地提高了光纤光栅传感器的灵敏性能。

（4）本发明利用光纤光栅传感器对气体压力和温度进行检测，通过PC智能控制机组对测量结果的分析，并分别控制调压阀和换热器对气体的压力和温度进行控制调节，实现了对气体压力和温度的实时和同步检测调节，其不仅从侧面上降低了整个发电系统发生安全事故的概率，而且极大地提高了发电系统的工作稳定性及效率，从根本上优化了整个天然气压差发电系统的性能。

（5）本发明不仅提高了资源的利用率，而且节约了成本，其很好地响应了国家关于能源利用方面的号召，性价比高，具有相当大的市场潜力和广泛的应用前景，因此，本发明具有很高的实用价值和推广价值。

附图说明

图1为本发明的系统框图。

图2为光纤光栅传感器的结构示意图。

图3为光纤光栅及其包层的结构示意图。

图4为自动控压控温系统的工作流程示意框图。

图5为光纤光栅传感器的工作原理图。

上述附图中，附图标记对应名称为：

1—换热器，2—单级或多级向心涡轮膨胀机组，3—再热器，4—齿轮，5—减速器，6—发电机组，7—激光器，8—光纤光栅传感器，9—调制解码器，10—PC智能控制机组，11—调压阀，12—光纤光栅，13—包层，14—波长分析器，15—3dB光纤定向耦合器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

实施例

如图1所示，本发明由发电系统和自动控压控温系统组成，其中，发电系统包括依次相连接的换热器1、单级或多级向心涡轮膨胀机组2、再热器3、齿轮4、减速器5以及发电机组6；而自动控压控温系统则由依次相连接的激光器7、光纤光栅传感器8、调制解码器9、PC智能控制机组10以及调压阀11组成，所述的PC智能控制机组10还分别与激光器7和换热器1相连。

所述的光纤光栅传感器8包括内部封装有光纤光栅12的包层13，波长分析器14，以及分别与该包层13和波长分析器14相连的3dB光纤定向耦合器15，其结构如图2所示。本实施例中的光纤光栅传感器8设为四个，两个设置在调压阀11的两旁，一个与单级或多级向心涡轮膨胀机组2相连接，用于对在单级或多级向心涡轮膨胀机组2中进行加热的气体实时温度的检测，并将检测出来的结果传输给PC智能控制机组10，由PC智能控制机组10控制换热器1对气体温度进行调节，由于天然气在输送时的压力大约为4.0MPa，在进入城市管网时需将其压力降到约0.4MPa，故最后一个光纤光栅传感器8设置在天然气通入城市管网的传输管道中，用于对流向城市管网的天然气进行再次的调压，并且与设置在调压阀11两侧的光纤光栅传感器8一起，实现对系统气体压力的并联控制调节。本发明中采用的调压方式也可以运用于各类利用余压发电的系统。

本发明光纤光栅传感器8中的包层13由合金材料或聚合物材料制成，可以进一步提高光纤光栅传感器8对气体实时压力和温度的检测灵敏度。在本发明中，光纤光栅传感器8对气体压力和温度的检测精度和灵敏度是关键，而光纤光栅传感器8起主要检测作用的部分，则是设置在其中的光纤光栅12，针对本发明的使用范围，该光纤光栅12及其包层13的制作方法如下：

（1）选择光敏单模光纤，该光敏单模光纤由纤芯和光纤涂覆层组成，选择纤芯的直径约为3ｕm～4ｕm，采用相位掩模板技术，以248nmKrF准分子激光器作为紫外光源在所述的光敏单模光纤中写入周期为0.530ｕm、栅格数为25000的光纤光栅；该种光纤光栅是一种参数周期性变化的波导，其纵向折射率的变化将引起不同光波模式之间的耦合，并且可以通过将一个光纤模式的功率部分或完全地转移到另一个光纤模式中去来改变入射光的频谱；

（2）通过伺服电机控制砂磨纸对该光纤光栅进行研磨，使其透射谱线宽度增加约0.05nm；

（3）选取长方形的包层，包层的宽度尺寸大于3cm，由合金材料或是聚合物材料制成，在包层的两端分别开两个半圆槽，其功能是用来固定光敏单模光纤在包层中的两个端点，再在包层的中央位置，使用激光加工技术，加工一个用于装载光纤光栅的光纤槽，光纤槽的直径比光纤直径略大；

（4）将制作好的光纤光栅放置于包层的光纤槽中，并使光纤光栅位于包层正中间的位置，同时在高倍率的显微镜的监控下，保证光纤光栅平的一面与包层的上端面基本水平；

（5）在包层的两端的两个半圆槽中加入半透明的环氧树脂，功能是把光纤光栅的两端粘合在包层的两个半圆槽中，再使用半透明的环氧树脂填满光纤槽的空隙部分，从而便完成了整个光纤光栅及其包层的制作，如图3所示。

通过上述制备方法，便可以确保光纤光栅传感器8应用在天然气压差发电系统的气体压力和温度方面的检测时其具有非常优异的抗电磁干扰、电绝缘、难腐蚀等性能，并且该光纤光栅传感器8自身还具有体积小、重量轻、传输损耗小、传输容量大等特点。因此，通过加入的自动控压控温系统便能提高整个天然气压差发电系统对气体压力和温度的精确检测和精密控制。此外，为了配合上述硬件系统设置，本发明还提供了该天然气压差发电系统的控制方法，对该系统的实现过程进行详细说明，其中，自动控压控温系统的工作流程如图4所示。

首先，将天然气管道出气口与天然气压差发电系统相连并对其进行通气，换热器1对通入的气体进行加热，接着，整个天然气压差发电系统便会进行如下工作流程：

（1）PC智能控制机组控制激光器向光纤光栅传感器发射光源；

（2）光纤光栅传感器根据通入天然气压力和温度的变化使发射在该光纤光栅传感器中的光源产生相对应的光信号，光纤光栅传感器将该光信号传输至调制解码器；该步骤为光纤光栅传感器对光源的处理过程，如图5所示，具体地说，该过程为：

（a）光源进入光纤光栅传感器后，包层将外界天然气压力和温度的变化传至光纤光栅，光纤光栅感应该变化并对射入光源发生相应的反射并将反射后的光信号传输到3dB光纤定向耦合器；

（b）3dB光纤定向耦合器将接收到的反射光信号进行耦合并传输至波长分析器进行处理，波长分析器将处理后的光信号传输到调制解码器；

（3）调制解码器将接收到的光信号转换成电信号，并将该电信号传输至PC智能控制机组；

（4）PC智能控制机组对接收到的电信号进行分析、处理，并根据处理结果分别对气体的压力和温度进行调节，使气体的压力和温度均符合发电的要求，该步骤中，对气体压力和温度的检测情况包括：

第一种：PC智能控制机组对调制解码器传输的电信号进行分析，判断气体的压力和温度是否均符合发电要求，是，则不需对气体的压力和温度进行调节，否，则控制调压阀对气体的压力进行调节，同时还控制换热器对气体的温度进行调节；

第二种：PC智能控制机组对调制解码器传输的电信号进行分析，判断气体的压力和温度是否均符合发电要求，气体的压力符合要求，而气体的温度不符合要求，则不需对气体的压力进行调节，而控制换热器对气体的温度进行调节，气体的压力不符合要求，而气体的温度符合要求，则控制调压阀对气体的压力进行调节，而不需对气体的温度进行调节；

（5）经过步骤（4）处理后，天然气在发电系统中加热膨胀做功并带动齿轮高速转动，该高速转动的齿轮经减速器减速后带动发电机组发电。

本发明发电系统的发电过程为：天然气通过换热器1对天然气进行预热，再热器3对天然气进行再次加热，加热后的天然气经过单级或多级向心涡轮膨胀机组2后，输出机械能并带动齿轮4高速转动并通过减速器5减速后带动发电机组6发出电能。值得一提的是，在步骤（5）中的气体做完功，并在流向城市管网以便向用户提供天然气前，将会再次重复上述步骤（1）～（4）对气体进行调压，然后再输送至城市管网，通过这样的措施，不仅能够最大限度地利用天然气的压差能量来进行发电，提高发电稳定性及效率，而且还能安全地将天然气输送给用户。

并且经过测试，发现本发明中的光纤光栅传感器8在检测光源信号方面，其检测精度可达1×10^-5nm，超高精度的光源信号检测极大方便了换热器1和调压阀11对气体压力和温度的精确控制调节，不仅能监测温度，而且还能监测压力，从而使发电系统能够最大限度地利用天然气的压差能量来进行发电，大幅度提高了整个系统发电的稳定性及效率。并且自动控压控温系统的设置不仅从侧面上降低了天然气压差发电系统发生安全事故的概率，而且提高了天然气压差发电系统的工作效率，从根本上优化了整个发电系统的性能，并且还很好地响应了国家的号召，本发明较现有技术来说，是相当具有实质性特点和显著进步的。

按照上述实施例，便可很好地实现本发明。

Claims

1.基于高精度控压控温的天然气压差发电系统，包括由依次相连接的换热器（1）、单级或多级向心涡轮膨胀机组（2）、再热器（3）、齿轮（4）、减速器（5）以及发电机组（6）组成的发电系统，其特征在于，还包括与所述发电系统相连且由依次相连接的激光器（7）、光纤光栅传感器（8）、调制解码器（9）、PC智能控制机组（10）以及调压阀（11）组成的自动控压控温系统；所述的控制机组（10）还分别与激光器（7）和换热器（1）相连，所述的光纤光栅传感器（8）与单级或多级向心涡轮膨胀机组（2）相连接。

2.根据权利要求1所述的基于高精度控压控温的天然气压差发电系统，其特征在于，所述的光纤光栅传感器（8）包括内部封装有光纤光栅（12）的包层（13），波长处理器（14）以及分别与该包层（13）和波长分析器（14）相连的3dB光纤定向耦合器（15），且包层（13）由合金材料制成。

3.根据权利要求1所述的基于高精度控压控温的天然气压差发电系统，其特征在于，所述的光纤光栅传感器（8）包括内部封装有光纤光栅（12）的包层（13），波长分析器（14）以及分别与该包层（13）和波长分析器（14）相连的3dB光纤定向耦合器（15），且包层（13）由聚合物材料制成。

4.基于高精度控压控温的天然气压差发电系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的基于高精度控压控温的天然气压差发电系统的控制方法，其特征在于，步骤（3）包括以下步骤：

6.根据权利要求4或5所述的基于高精度控压控温的天然气压差发电系统的控制方法，其特征在于，步骤（5）中PC智能控制机组对调制解码器传输的电信号进行分析，判断气体的压力和温度是否均符合发电要求，是，则不需对气体的压力和温度进行调节，否，则控制调压阀对气体的压力进行调节，同时还控制换热器对气体的温度进行调节。

7.根据权利要求4或5所述的基于高精度控压控温的天然气压差发电系统的控制方法，其特征在于，步骤（5）中PC智能控制机组对调制解码器传输的电信号进行分析，判断气体的压力和温度是否均符合发电要求，气体的压力符合要求，而气体的温度不符合要求，则不需对气体的压力进行调节，而控制换热器对气体的温度进行调节，气体的压力不符合要求，而气体的温度符合要求，则控制调压阀对气体的压力进行调节，而不需对气体的温度进行调节。