CN106090617A - 一种低压热负荷压力稳定的天然气能源站系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低压热负荷压力稳定的天然气能源站系统及控制方法，该系统包括高压分汽缸、低压分汽缸、蒸汽蓄能器、第二阀门、第三阀门、汽压检测器、第一汽压控制单元和第二汽压控制单元，高压分汽缸输出端通过第一阀门连接低压分汽缸输入端，低压分汽缸输出端连接低压负荷，蒸汽蓄能器输入端通过第二阀门连接高压分汽缸输出端，蒸汽蓄能器输出端通过第三阀门连接低压分汽缸输入端，汽压检测器设置在低压分汽缸输入端，汽压检测器还连接第一汽压控制单元和第二汽压控制单元，第一汽压控制单元连接第二阀门，第二汽压控制单元连接第三阀门。与现有技术相比，本发明实现对系统低压用户侧热负荷的增加或减少进行快速精确响应，节约能源。

Description

一种低压热负荷压力稳定的天然气能源站系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种天然气能源站系统及控制方法，尤其是涉及一种低压热负荷压力稳定的天然气能源站系统及控制方法。

背景技术

采用天然气作为能源，可减少煤和石油的用量，因而大大改善环境污染问题；天然气作为一种清洁能源，能减少二氧化硫和粉尘排放量近100％，减少二氧化碳排放量60％和氮氧化合物排放量50％，并有助于减少酸雨形成，舒缓地球温室效应，从根本上改善环境质量。随着天然气的逐渐普及，天然气能源站也逐步建立。天然气能源站系统包括高压侧和低压侧，高压侧连接高压负荷，低压侧连接低压负荷，由于用户热负荷具有波形性大的特点，从而导致热负荷侧汽压具有不稳定性的缺点，造成安全问题，同时当用户热负荷较小时会造成天然气的大量浪费。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种低压热负荷压力稳定的天然气能源站系统及控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种低压热负荷压力稳定的天然气能源站系统，该系统包括高压分汽缸和低压分汽缸，高压分汽缸输入端连接天然气，高压分汽缸输出端一部分连接高压负荷，另一部分通过第一阀门连接低压分汽缸输入端，所述的低压分汽缸输出端连接低压负荷，其特征在于，该系统还包括蒸汽蓄能器、第二阀门、第三阀门、汽压检测器、第一汽压控制单元和第二汽压控制单元，所述的蒸汽蓄能器输入端通过第二阀门连接高压分汽缸输出端，蒸汽蓄能器输出端通过第三阀门连接低压分汽缸输入端，所述的汽压检测器设置在低压分汽缸输入端，汽压检测器还连接第一汽压控制单元和第二汽压控制单元，所述的第一汽压控制单元连接第二阀门，所述的第二汽压控制单元连接第三阀门；

第一汽压控制单元和第二汽压控制单元根据汽压检测器检测的低压分汽缸输入端的压力分别对应控制第二阀门和第三阀门的开度大小，进而控制低压分汽缸输入端汽压的稳定。

所述的第一汽压控制单元包括第一数字调节器，所述的第一数字调节器输入端设有汽压给定值输入端口，第一数字调节器输入端还连接汽压检测器，第一数字调节器输出端连接第二阀门；

第一数字调节器根据汽压给定值和汽压检测器检测的汽压检测值进行调节，进而控制第二阀门的开度。

所述的第一数字调节器为第一数字PID调节器。

所述的第一数字PID调节器控制算法为：

$u_2\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}e\left(k\right)+460\underset{j=0}{\overset{k}{\&Sigma;}}e\left(j\right)& e\left(k\right)\&GreaterEqual;0\\ 0& e\left(k\right)<0\end{array}\right.,$

其中，k为采样时刻，u₂(k)为第二阀门在k采样时刻的开度，e(k)为k采样时刻汽压检测器检测的汽压检测值和汽压给定值的差值。

所述的第二汽压控制单元包括第二数字调节器，所述的第二数字调节器输入端设有汽压给定值输入端口，第二数字调节器输入端还连接汽压检测器，第二数字调节器输出端连接第三阀门；

第二数字调节器根据汽压给定值和汽压检测器检测的汽压检测值进行调节，进而控制第三阀门的开度。

所述的第二数字调节器为第二数字PID调节器。

所述的第二数字PID调节器控制算法为：

$u_3\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}e\left(k\right)+16\underset{j=0}{\overset{k}{\&Sigma;}}e\left(j\right)& e\left(k\right)\&le;0\\ 0& e\left(k\right)>0\end{array}\right.,$

其中，k为采样时刻，u₃(k)为第三阀门在k采样时刻的开度，e(k)为k采样时刻汽压检测器检测的汽压检测值和汽压给定值的差值。

一种低压热负荷压力稳定的天然气能源站系统的控制方法，该方法包括具体为：

通过汽压检测器检测低压分汽缸输入端汽压得到汽压检测值，当汽压检测值大于汽压给定值时，第一汽压控制单元控制第二阀门打开设定开度，同时第二汽压控制单元控制第三阀门关闭；

当汽压检测值小于汽压给定值时，第一汽压控制单元控制第二阀门关闭，同时第二汽压控制单元控制第三阀门打开设定开度。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明通过设置蒸汽蓄能器、第二阀门、第三阀门、汽压检测器、第一汽压控制单元和第二汽压控制单元，通过第一汽压控制单元和第二汽压控制单元分别控制第二阀门和第三阀门的开关状态，实现蒸汽蓄能器的储存蒸汽和释放蒸汽，保证热负荷侧汽压的稳定，实现了对系统低压用户侧热负荷的增加或减少进行快速精确响应，对节能优化有着积极意义；

(2)第一汽压控制单元和第二汽压控制单元均采用数字PID调节器，实现了可靠调节，保证了控制精度。

附图说明

图1为本发明天然气能源站系统的结构示意图；

图2为本发明第一汽压控制单元的控制逻辑框图；

图3为本发明第二汽压控制单元的控制逻辑框图。

图中，1为高压分汽缸，2为低压分汽缸，3为第一阀门，4为蒸汽蓄能器，5为第二阀门，6为第三阀门，7a为第一汽压控制单元的汽压给定值输入端口，7b为第一汽压控制单元汽压检测值输入端口，7c为第一偏差模块，7d为第一低限报警模块，7e为第一比例控制器模块，7f为第一积分控制器模块，7g为第一加法器模块，7h为第一高限限制器模块，7i为第一低限限制器模块，7j为第一跟踪模块，7k为第一手动切换模块，7m为第一模拟信号发生器，8a为第二汽压控制单元的汽压给定值输入端口，8b为第二汽压控制单元汽压检测值输入端口，8c为第二偏差模块，8d为第二高限报警模块，8e为第二比例控制器模块，8f为第二积分控制器模块，8g为第二加法器模块，8h为第二高限限制器模块，8i为第二低限限制器模块，8j为第二跟踪模块，8k为第二手动切换模块，8m为第二模拟信号发生器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，一种低压热负荷压力稳定的天然气能源站系统，该系统包括高压分汽缸1和低压分汽缸2高压分汽缸1输入端连接天然气，高压分汽缸1输出端一部分连接高压负荷，另一部分通过第一阀门3连接低压分汽缸2输入端，低压分汽缸2输出端连接低压负荷，该系统还包括蒸汽蓄能器4、第二阀门5、第三阀门6、汽压检测器、第一汽压控制单元和第二汽压控制单元，蒸汽蓄能器4输入端通过第二阀门5连接高压分汽缸1输出端，蒸汽蓄能器4输出端通过第三阀门6连接低压分汽缸2输入端，汽压检测器设置在低压分气缸2输入端，汽压检测器用于检测低压分汽缸输入端的压力，汽压检测器还连接第一汽压控制单元和第二汽压控制单元，第一汽压控制单元连接第二阀门5，第二汽压控制单元连接第三阀门6，第二阀门5、第三阀门6用于不同负荷段下对低压分汽缸输入端的压力控制，第一汽压控制单元和第二汽压控制单元根据汽压检测器检测的低压分汽缸2输入端的压力分别对应控制第二阀门5和第三阀门6的开度大小，进而控制低压分汽缸2输入端汽压的稳定。汽压检测器检测低压分汽缸2输入端的压力，汽压检测值记作P2，经实验，第二阀门5从0开到100％对汽压检测值P2的可调范围为(0.8MPa，0.804915Mpa)，相应的能够克服热负荷小范围的波动为0.08748t/h～0。第三阀门6从0开到100％对汽压检测值P2的可调范围为(0.637279MPa，0.8MPa)，相应的能够克服热负荷小范围的波动为0～6.25356t/h。由此可知第二阀门5和第三阀门6对汽压检测值P2的可调范围为(0.637279MPa，0.804915MPa)，因此在此范围内设计第一汽压控制单元和第二汽压控制单元。

第一汽压控制单元包括第一数字调节器，第一数字调节器输入端设有汽压给定值输入端口，第一数字调节器输入端还连接汽压检测器，第一数字调节器输出端连接第二阀门5；第一数字调节器根据汽压给定值和汽压检测器检测的汽压检测值进行调节，进而控制第二阀门5的开度。第一数字调节器为第一数字PID调节器。第一数字PID调节器控制算法为：

$u_2\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}e\left(k\right)+460\underset{j=0}{\overset{k}{\&Sigma;}}e\left(j\right)& e\left(k\right)\&GreaterEqual;0\\ 0& e\left(k\right)<0\end{array}\right.,$

其中，k为采样时刻，u₂(k)为第二阀门5在k采样时刻的开度，e(k)为k采样时刻汽压检测器检测的汽压检测值和汽压给定值的差值。

具体地，第一汽压控制单元的控制逻辑框图如图2所示，图中7a为第一汽压控制单元的汽压给定值输入端口，7b为第一汽压控制单元汽压检测值输入端口，7c为第一偏差模块，7d为第一低限报警模块，7e为第一比例控制器模块，7f为第一积分控制器模块，7g为第一加法器模块，7h为第一高限限制器模块，7i为第一低限限制器模块，7j为第一跟踪模块，7k为第一手动切换模块，7m为第一模拟信号发生器，首先由第一偏差模块7c计算汽压检测值和汽压给定值的差值，然后对偏差值进行比例和积分的求和运算，接着通过第一高限限制器模块7h和第一低限限制器模块7i进行限幅控制，最后通过第一跟踪模块7j输出第二阀门5的开度指令，其中设置第一高限限制器模块7h和第一低限限制器模块7i因为第二阀门5的开度可调范围是0～100％，所以需在控制器中设定输出值的上下限。当汽压检测值大于汽压给定值时说明低压侧负荷多于用户侧需求，此时应关闭第三阀门6，打开第二阀门5，使多余的蒸汽经第二阀门5存储于蒸汽蓄能器中，第一汽压控制单元根据汽压检测值与汽压给定值的偏差计算调整第二阀门5的开度指令，汽压检测值也随着阀门第二阀门5的开度的不断变化慢慢降回设定值。当汽压检测值一旦小于汽压给定值时，此时应该立刻关闭第二阀门5，此时通过第一偏差模块7c和第一低限报警模块7d触发手动超驰信号，第一手动切换模块7k工作，将第二阀门5开度指令切换到手动，第二阀门5开度立刻降为0，同时打开第三阀门6。

第二汽压控制单元包括第二数字调节器，第二数字调节器输入端设有汽压给定值输入端口，第二数字调节器输入端还连接汽压检测器，第二数字调节器输出端连接第三阀门6；第二数字调节器根据汽压给定值和汽压检测器检测的汽压检测值进行调节，进而控制第三阀门6的开度。第二数字调节器为第二数字PID调节器。第二数字PID调节器控制算法为：

$u_3\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}e\left(k\right)+16\underset{j=0}{\overset{k}{\&Sigma;}}e\left(j\right)& e\left(k\right)\&le;0\\ 0& e\left(k\right)>0\end{array}\right.,$

其中，k为采样时刻，u₃(k)为第三阀门6在k采样时刻的开度，e(k)为k采样时刻汽压检测器检测的汽压检测值和汽压给定值的差值。

具体地，第二汽压控制单元的控制逻辑框图如图3所示，图中8a为第二汽压控制单元的汽压给定值输入端口，8b为第二汽压控制单元汽压检测值输入端口，8c为第二偏差模块，8d为第二高限报警模块，8e为第二比例控制器模块，8f为第二积分控制器模块，8g为第二加法器模块，8h为第二高限限制器模块，8i为第二低限限制器模块，8j为第二跟踪模块，8k为第二手动切换模块，8m为第二模拟信号发生器，首先由第二偏差模块8c计算汽压检测值和汽压给定值的差值，然后对偏差值进行比例和积分的求和运算，接着通过第二高限限制器模块8h和第二低限限制器模块8i进行限幅控制，最后通过第一跟踪模块8j输出第三阀门6的开度指令，其中设置第二高限限制器模块8h和第二低限限制器模块8i因为第三阀门6的开度可调范围是0～100％，所以需在控制器中设定输出值的上下限。当汽压检测值小于汽压给定值时说明低压侧负荷满足不了用户侧需求，此时应关闭第二阀门5，打开第三阀门6，将存储于蒸汽蓄能器中的蒸汽释放，第二气压控制单元根据汽压检测值与汽压给定值的偏差计算调整第三阀门6的开度指令，汽压检测值也随着阀门第三阀门6的开度的不断变化慢慢上升至设定值。当汽压检测值一旦大于汽压给定值时，此时应该立刻关闭第三阀门6，此时通过第二偏差模块8c和第二低限报警模块8d触发手动超驰信号，第二手动切换模块8m工作，将第三阀门6开度指令切换到手动，第三阀门6开度立刻降为0，同时打开第二阀门5。

一种用于上述低压热负荷压力稳定的天然气能源站系统的控制方法，该方法包括具体为：

通过汽压检测器检测低压分汽缸2输入端汽压得到汽压检测值，当汽压检测值大于汽压给定值时，第一汽压控制单元控制第二阀门5打开设定开度，同时第二汽压控制单元控制第三阀门6关闭；

当汽压检测值小于汽压给定值时，第一汽压控制单元控制第二阀门5关闭，同时第二汽压控制单元控制第三阀门6打开设定开度。

Claims (8)

1.一种低压热负荷压力稳定的天然气能源站系统，该系统包括高压分汽缸(1)和低压分汽缸(2)，高压分汽缸(1)输入端连接天然气，高压分汽缸(1)输出端一部分连接高压负荷，另一部分通过第一阀门(3)连接低压分汽缸(2)输入端，所述的低压分汽缸(2)输出端连接低压负荷，其特征在于，该系统还包括蒸汽蓄能器(4)、第二阀门(5)、第三阀门(6)、汽压检测器、第一汽压控制单元和第二汽压控制单元，所述的蒸汽蓄能器(4)输入端通过第二阀门(5)连接高压分汽缸(1)输出端，蒸汽蓄能器(4)输出端通过第三阀门(6)连接低压分汽缸(2)输入端，所述的汽压检测器设置在低压分汽缸(2)输入端，汽压检测器还连接第一汽压控制单元和第二汽压控制单元，所述的第一汽压控制单元连接第二阀门(5)，所述的第二汽压控制单元连接第三阀门(6)；

第一汽压控制单元和第二汽压控制单元根据汽压检测器检测的低压分汽缸(2)输入端的压力分别对应控制第二阀门(5)和第三阀门(6)的开度大小，进而控制低压分汽缸(2)输入端汽压的稳定。

2.根据权利要求1所述的一种低压热负荷压力稳定的天然气能源站系统，其特征在于，所述的第一汽压控制单元包括第一数字调节器，所述的第一数字调节器输入端设有汽压给定值输入端口，第一数字调节器输入端还连接汽压检测器，第一数字调节器输出端连接第二阀门(5)；

第一数字调节器根据汽压给定值和汽压检测器检测的汽压检测值进行调节，进而控制第二阀门(5)的开度。

3.根据权利要求2所述的一种低压热负荷压力稳定的天然气能源站系统，其特征在于，所述的第一数字调节器为第一数字PID调节器。

4.根据权利要求3所述的一种低压热负荷压力稳定的天然气能源站系统，其特征在于，所述的第一数字PID调节器控制算法为：

$u_2\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}e\left(k\right)+460\underset{j=0}{\overset{k}{\&Sigma;}}e\left(j\right)& e\left(k\right)\&GreaterEqual;0\\ 0& e\left(k\right)<0\end{array}\right.,$

其中，k为采样时刻，u₂(k)为第二阀门(5)在k采样时刻的开度，e(k)为k采样时刻汽压检测器检测的汽压检测值和汽压给定值的差值。

5.根据权利要求1所述的一种低压热负荷压力稳定的天然气能源站系统，其特征在于，所述的第二汽压控制单元包括第二数字调节器，所述的第二数字调节器输入端设有汽压给定值输入端口，第二数字调节器输入端还连接汽压检测器，第二数字调节器输出端连接第三阀门(6)；

第二数字调节器根据汽压给定值和汽压检测器检测的汽压检测值进行调节，进而控制第三阀门(6)的开度。

6.根据权利要求5所述的一种低压热负荷压力稳定的天然气能源站系统，其特征在于，所述的第二数字调节器为第二数字PID调节器。

7.根据权利要求6所述的一种低压热负荷压力稳定的天然气能源站系统，其特征在于，所述的第二数字PID调节器控制算法为：

$u_3\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}e\left(k\right)+16\underset{j=0}{\overset{k}{\&Sigma;}}e\left(j\right)& e\left(k\right)\&le;0\\ 0& e\left(k\right)>0\end{array}\right.,$

其中，k为采样时刻，u₃(k)为第三阀门(6)在k采样时刻的开度，e(k)为k采样时刻汽压检测器检测的汽压检测值和汽压给定值的差值。

8.一种如权利要求1所述的低压热负荷压力稳定的天然气能源站系统的控制方法，该方法包括具体为：

通过汽压检测器检测低压分汽缸(2)输入端汽压得到汽压检测值，当汽压检测值大于汽压给定值时，第一汽压控制单元控制第二阀门(5)打开设定开度，同时第二汽压控制单元控制第三阀门(6)关闭；

当汽压检测值小于汽压给定值时，第一汽压控制单元控制第二阀门(5)关闭，同时第二汽压控制单元控制第三阀门(6)打开设定开度。