CN107271765B - 一种天然气管网智能发电计量的装置及方法 - Google Patents

一种天然气管网智能发电计量的装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种天然气管网智能发电计量的装置，包括发电装置、数据采集系统、控制系统，所述发电装置直接内接于天然气管道中，所述数据采集系统包括前置温度压力变送器、后置温度压力变送器；所述控制系统包括高压密封接线柱、导线、UPS模块、PLC模块、截止阀和电动阀、调压阀，所述的PLC模块用于根据监测的发电装置前后压力差或发电参数计算发电装置所在位置的天然气当前流量数据。本发明还公开了一种天然气管网智能发电计量的方法。本发明具有无需外加电力、自控程度高、工作稳定等优点，还能判断天然气是否泄漏、减少人工监察、降低管道计量成本，大大提高管网运行安全性。未来可运用于整个天然气管网，实现管网智能化控制。

Description

一种天然气管网智能发电计量的装置及方法
技术领域
本发明属于气体计量领域，具体涉及一种天然气管网智能发电计量的装置及方法。
背景技术
随着社会的迅猛发展，天然气需求量也越来越大。这也对城市燃气管网的运营管理和安全建设提出了更高的要求。而目前城市燃气管网主要还是通过普通的巡检管理系统和人为管理为主，存在着许多问题，如数据无法采集，存在人为管理或操作失误等。因此，需要智能化的手段，提高燃气管网的安全性。
而智能管网的实现，需要用电。但目前许多调压站、调压箱都处于无电或缺电状态。特别是偏离市区地区，更缺少电源，想实现智能化管网更加困难。若拉市电，则需要高昂的拉电缆费用，且政府审批困难。采用太阳能或风能又有很多不稳定因素，并不能持续稳定发电。而且利用流量计计量费用过高，难以普及。
因此，需要一种智能发电计量的方法及装置，对温度压力变送器及阀门等进行供电，对管道内天然气数据进行采集并计量天然气流量，并自动控制阀门的启闭和报警。
中国专利申请CN203488999U公布了一种天然气管道系统用调压计量装置。天然气经过箱体上的手动球阀、流量计、控制阀、调压器等对天然气进行调压计量。该装置的优点在于结构简单、安全可靠。但其实只是将传统的流量计、调压器、阀门等进行整合，且控制需人工手动控制、不能进行数据传输，极为不便。
中国专利申请CN105822904A公布了一种燃气管道内置发电调压装置。通过在天然气管道中加入叶轮及发电机进行发电，发出的点储存于蓄电池中，再供电给用电设备。该发明体积小、拆装方便，可以解决偏远地区的燃气管线监控设备用电问题。但该发明并不具备计量功能，不能检测天然气是否泄漏，想实现计量还需再加一个流量计，并不适合偏远、小型场站。
发明内容
本发明的目的在于针对上面提出的目前已有的天然气计量装置及管道内置发电装置的隐患及不足，提供一种天然气管网智能发电计量的方法及装置，以达到偏远无电缺电地区的准确计量、平稳运营，及时判断天然气是否存在泄漏、传输天然气参数等目的。
本发明实现上述目的的技术方案为：
一种天然气管网智能发电计量的装置，包括发电装置、数据采集系统、控制系统，所述发电装置直接内接于天然气管道中，所述数据采集系统包括设置在发电装置上游的前置温度压力变送器、设置在发电装置下游的后置温度压力变送器；所述控制系统包括高压密封接线柱、导线、UPS模块、PLC模块、设置在发电装置上游的截止阀和电动阀、设置在发电装置下游的调压阀，所述的UPS模块通过导线和高压密封接线柱连接发电装置储存电能、监控发电装置发电参数，同时为PLC模块、截止阀、电动阀、调压阀、前置温度压力变送器、后置温度压力变送器供电，所述的PLC模块与所述截止阀、电动阀、调压阀、前置温度压力变送器、后置温度压力变送器电路连接，用于根据监测的发电装置前后压力差或发电参数计算发电装置所在位置的天然气当前流量数据。
进一步地，所述的发电装置包括发电机、固定铁条、电机金属套筒、叶轮，所述发电机通过螺丝固定在电机金属套筒内，所述电机金属套筒通过固定铁条固定在天然气管道内，所述叶轮固定在所述发电机的转轴上，所述转轴的前端设置有导流弹头。
进一步地，所述的天然气管道内还设置有位于叶轮前方的导流圈，用于改变天然气流向，增大天然气与叶轮的接触面积，增大发电量。
进一步地，所述发电机为防爆发电机。
进一步地，所述的PLC模块还用于显示前置温度压力变送器、后置温度压力变送器的压力、温度数据。
进一步地，所述的PLC模块还用于显示发电装置输出的电流及电压。
进一步地，所述的PLC模块还用于在计算出的流量数据与上、下游的差距超过安全阈值时报警及关闭截止阀。
一种天然气管网智能发电计量的方法，基于所述装置，分为用气高峰情况下及用气低谷情况下两种不同的计量方法，包括步骤：
当用气高峰时，天然气带动发电装置稳定转动并发电，PLC模块获取发电装置输出的电流电压；接着通过发电装置的励磁磁通及感应电动势常数，根据推导公式推算出天然气的流量，且误差在1％以下：
Figure BDA0001359235010000041
其中：Q为管道内天然气流量，单位为m3/s；r为管道半径，单位为m；U为发电机输出电压，单位为V；I为发电机输出电流，单位为A；K感应电动势常数；Φ励磁磁通，单位为Wb；
当用气低谷时，因天然气不足以使叶轮转动或转速低于预定值时，则通过前置温度压力变送器与后置温度压力变送器将数据传输到PLC模块中，所述PLC模块根据流量与压差的计算公式推算出天然气流量，且误差值在5％以下：
Figure BDA0001359235010000042
其中：Q为管道内天然气流量，单位为m3/s；u为流量系数，根据通过该管道流量数据拟合得出；r为管道半径，单位为m；ΔP为发电装置前后压力差，单位为Pa；ρ为管道内天然气平均密度，单位为kg/m3。
进一步地点，若叶轮不转时，u的取值为0.57～0.65；当叶轮转速低于预设值时，u的取值为0.5～0.57，通过拟合数据得出各管道具体的u值。
进一步地点，当推算出的天然气流量与上、下游的天然气流量差距大于安全阈值时，所述PLC模块报警并关闭截止阀。
本发明与现有技术相比具有以下的有益效果：
1、设备实施成本低且安全系数高。该装置其实只是在原本流程上加上发电装置及PLC模块、UPS模块及高压密封接线柱，温度压力变送器及阀门都为原本场站所有。无需外加流量计就能实现在无电缺电场站实现流量监控及数据传输，为智能管网的实现提供了可能。一旦发生泄漏，即流量与上下游不符，则PLC模块会自动报警、严重时可关闭阀门。
2、整套装置自动化程度高。该装置无需人工操作便可自动运行及检测，只需要定期进行维修即可。减少了许多人工带来的失误，又节约了人力成本。通过计量过程针对不同流量情况进行不同方法计量，智能程度高。
3、整套装置占地面积小，应用范围广。该装置只占用了安放UPS模块及PLC模块的占地，占地面积不足半平米。且由于不需要加流量计，能在各种工况下进行使用。
附图说明
图1为一种天然气管网智能发电计量的装置图。
图中示出：1-天然气管道，2-截止阀，3-电动阀，4-温度传感器导流圈，5-叶轮，6-固定铁条，7-电机金属套筒，8-调压阀，9-后置温度压力变送器，10-导线，11-螺丝，12-发电机，13-导流弹头，14-前置温度压力变送器，15-UPS模块，16-高压密封接线柱，17-PLC模块。
具体实施方式
为更好地理解本发明,下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。
以某天然气管道为例，该管道内天然气流量在8～20时流量稳定，每小时流量达到2000Nm3/h，其余时间流量不稳定。
实施例一
如图1所示，一种天然气管网智能发电计量的装置，包括发电装置、数据采集系统、控制系统，所述发电装置直接内接于天然气管道1中，所述数据采集系统包括设置在发电装置上游的前置温度压力变送器14、设置在发电装置下游的后置温度压力变送器9；所述控制系统包括高压密封接线柱16、导线10、UPS模块15、PLC模块17、设置在发电装置上游的截止阀2和电动阀3、设置在发电装置下游的调压阀8，所述的UPS模块15通过导线和高压密封接线柱16连接发电装置储存电能、监控发电装置发电参数，同时为PLC模块17、截止阀2、电动阀3、调压阀8、前置温度压力变送器14、后置温度压力变送器9供电，所述的PLC模块17与所述截止阀2、电动阀3、调压阀8、前置温度压力变送器14、后置温度压力变送器9电路连接，用于根据监测的发电装置前后压力差或发电参数计算发电装置所在位置的天然气当前流量数据，本实施例的采用的PLC模块的型号为：西门子S7-200，采用的UPS模块15的具体型号为：APC-Smart UPS sua2200/3000UXICH。
本实施例中，所述的发电装置包括发电机12、固定铁条6、电机金属套筒7、叶轮5，所述发电机12为防爆发电机，其通过螺丝11固定在电机金属套筒7内，所述电机金属套筒7通过固定铁条6固定在天然气管道1内，所述叶轮5固定在所述发电机12的转轴上，所述转轴的前端设置有导流弹头13。所述的天然气管道1内还设置有位于叶轮5前方的导流圈4。
在流量稳定时，天然气流经装置冲击叶轮5使叶轮5转动，叶轮5转动带动发电机12转动，可发出200W的电量。发出的电通过导线储存在UPS模块15中。同时为PLC模块17、截止阀2、电动阀3、调压阀8、前置温度压力变送器14、后置温度压力变送器9供电。此时发电机12发出电的参数在PLC模块17上显示。
同时，所述的PLC模块17还用于显示传送的压力温度数据、显示发电装置输出的电流及电压、在计算出的流量数据与上、下游的差距超过安全阈值时报警及关闭截止阀2，停止供气，保证管道运行安全。
实施例二
一种天然气管网智能发电计量的方法，基于所述装置，分为用气高峰情况下及用气低谷情况下两种不同的计量方法，包括步骤：
S1、当用气高峰时，天然气带动发电装置稳定转动并发电，PLC模块17获取发电装置输出的电流电压；接着通过发电装置的励磁磁通及感应电动势常数，根据推导公式推算出天然气的流量，误差在1％以下：
Figure BDA0001359235010000071
其中：Q为管道内天然气流量，单位为m3/s；r为管道半径，单位为m；U为发电机输出电压，单位为V；I为发电机输出电流，单位为A；K感应电动势常数；Φ励磁磁通，单位为Wb；
当用气低谷时，因天然气不足以使叶轮转动或转动低于预定值时，则通过前置温度压力变送器与后置温度压力变送器将数据传输到PLC模块中，所述PLC模块根据流量与压差的计算公式推算出天然气流量，误差值在5％以下：
Figure BDA0001359235010000081
其中：Q为管道内天然气流量，单位为m3/s；u为流量系数，若叶轮不转时，u的取值为0.57～0.65；当叶轮转速低于预设值时u的取值为0.5～0.57，通过拟合数据得出各管道具体的u值；r为管道半径，单位为m；ΔP为装置前后压力差，单位为Pa；ρ为管道内天然气平均密度，单位为kg/m3。
当用气高峰时，在UPS模块15为PLC模块17、截止阀2、电动阀3、调压阀8、前置温度压力变送器14、后置温度压力变送器9供电，并监控发电机12发电参数，发电机12输出的电流电压在PLC模块17上显示。
本实施例根据公式计算得出天然气流量，并判断、提示是否为正常状态。当流量不稳定时，储存在UPS中的电量继续为各设备供电。前置温度压力变送器与后置温度压力变送器可以将天然气的温度流量数据传输到PLC模块17中，所述PLC模块17根据相应的计算公式进行计算给出流量数据，并判断、提示是否为正常状态。
当推算出的天然气流量与上下游的天然气流量差距大于阈值时，也即流量数据不正常时，表明天然气管道存在泄漏问题，所述PLC模块17会进行报警，严重情况下自动切断阀门停止供气。
两种不同的计量方法，可确保不管任何情况下都能实现天然气流量的准确计量，实现智能发电计量。
综上所述，上述实施例提供的装置是一种内置于天然气管道内利用天然气压力能发电的装置，同时发出的电用于管道内天然气流量的计量及管道仪表供电。在使计量成本降低的同时实现自动控制。本发明通过天然气流经发电装置产生的电能，为数据采集系统及控制系统供电；根据设备本身参数及天然气相关温压数据推算出天然气的流量，其误差值小于5％。当管道天然气流量处于用气高峰时，通过此时PLC模块上显示的电流电压，通过相关公式计算得出发电机发电参数，在通过相关公式推算出此时天然气的流量；当管道天然气流量处于用气低谷时，则通过天然气流经发电装置产生的压差，通过经验推算出流量系数计算出流量。
整套装置设备简单，在现有设施的基础上无需另外增设流量计及供电系统，通过发电装置前后压差温差数据及公式进行计量，且发电装置为整个系统供电，PLC模块17进行精确控制，UPS模块15储存电量，所得温度用于纠正天然气密度，能够进行处后及时判断反馈是否存在漏气现象，实现了在低成本的条件下持续监测管道内天然气流量、实现数据传输，为管网的安全运营及智能化提供一个可靠的保障。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种天然气管网智能发电计量的装置，其特征在于：包括发电装置、数据采集系统、控制系统，所述发电装置直接内接于天然气管道(1)中，所述数据采集系统包括设置在发电装置上游的前置温度压力变送器(14)、设置在发电装置下游的后置温度压力变送器(9)；所述控制系统包括高压密封接线柱(16)、导线(10)、UPS模块(15)、PLC模块(17)、设置在发电装置上游的截止阀(2)和电动阀(3)、设置在发电装置下游的调压阀(8)，所述的UPS模块(15)通过导线和高压密封接线柱(16)连接发电装置储存电能、监控发电装置发电参数，同时为PLC模块(17)、截止阀(2)、电动阀(3)、调压阀(8)、前置温度压力变送器(14)、后置温度压力变送器(9)供电，所述的PLC模块(17)与所述截止阀(2)、电动阀(3)、调压阀(8)、前置温度压力变送器(14)、后置温度压力变送器(9)电路连接，用于根据监测的发电装置前后压力差或发电参数计算发电装置所在位置的天然气当前流量数据；所述装置的工作过程包括：
当用气高峰时，天然气带动发电装置稳定转动并发电，PLC模块(17)获取发电装置输出的电流电压；接着通过发电装置的励磁磁通及感应电动势常数，根据推导公式推算出天然气的流量：
Figure FDA0003997038710000011
其中：Q为管道内天然气流量，单位为m3/s；r为管道半径，单位为m；U为发电机输出电压，单位为V；I为发电机输出电流，单位为A；K感应电动势常数；Φ励磁磁通，单位为Wb；
当用气低谷时，因天然气不足以使叶轮(5)转动或转速低于预定值时，则通过前置温度压力变送器(14)与后置温度压力变送器(9)将数据传输到PLC模块(17)中，所述PLC模块(17)根据流量与压差的计算公式推算出天然气流量：
Figure FDA0003997038710000012
其中：Q为管道内天然气流量，单位为m3/s；u为流量系数，根据通过该管道流量数据拟合得出；r为管道半径，单位为m；ΔP为发电装置前后压力差，单位为Pa；ρ为管道内天然气平均密度，单位为kg/m3。
2.根据权利要求1所述的天然气管网智能发电计量的装置，其特征在于：所述的发电装置包括发电机(12)、固定铁条(6)、电机金属套筒(7)、叶轮(5)，所述发电机(12)通过螺丝(11)固定在电机金属套筒(7)内，所述电机金属套筒(7)通过固定铁条(6)固定在天然气管道(1)内，所述叶轮(5)固定在所述发电机(12)的转轴上，所述转轴的前端设置有导流弹头(13)。
3.根据权利要求2所述的天然气管网智能发电计量的装置，其特征在于：所述的天然气管道(1)内还设置有位于叶轮(5)前方的导流圈(4)。
4.根据权利要求2所述的天然气管网智能发电计量的装置，其特征在于：所述发电机(12)为防爆发电机。
5.根据权利要求1所述一种天然气管网智能发电计量的装置，其特征在于：所述的PLC模块(17)还用于显示前置温度压力变送器(14)、后置温度压力变送器(9)的压力、温度数据。
6.根据权利要求1所述一种天然气管网智能发电计量的装置，其特征在于：所述的PLC模块(17)还用于显示发电装置输出的电流及电压。
7.根据权利要求1所述一种天然气管网智能发电计量的装置，其特征在于：所述的PLC模块(17)还用于在计算出的流量数据与上、下游的差距超过安全阈值时报警及关闭截止阀(2)。
8.一种天然气管网智能发电计量的方法，基于权利要求1至7中任一项所述装置，分为用气高峰情况下及用气低谷情况下两种不同的计量方法，其特征在于，包括如下步骤：
当用气高峰时，天然气带动发电装置稳定转动并发电，PLC模块(17)获取发电装置输出的电流电压；接着通过发电装置的励磁磁通及感应电动势常数，根据推导公式推算出天然气的流量：
Figure FDA0003997038710000021
其中：Q为管道内天然气流量，单位为m3/s；r为管道半径，单位为m；U为发电机输出电压，单位为V；I为发电机输出电流，单位为A；K感应电动势常数；Φ励磁磁通，单位为Wb；
当用气低谷时，因天然气不足以使叶轮(5)转动或转速低于预定值时，则通过前置温度压力变送器(14)与后置温度压力变送器(9)将数据传输到PLC模块(17)中，所述PLC模块(17)根据流量与压差的计算公式推算出天然气流量：
Figure FDA0003997038710000022
其中：Q为管道内天然气流量，单位为m3/s；u为流量系数，根据通过该管道流量数据拟合得出；r为管道半径，单位为m；ΔP为发电装置前后压力差，单位为Pa；ρ为管道内天然气平均密度，单位为kg/m3。
9.根据权利要求8所述的一种天然气管网智能发电计量的方法，其特征值在于：若叶轮不转时，u的取值为0.57～0.65；当叶轮转速低于预设值时，u的取值为0.5～0.57，通过拟合数据得出各管道具体的u值。
10.根据权利要求8所述的一种天然气管网智能发电计量的方法，其特征值在于：当推算出的天然气流量与上、下游的天然气流量差距大于安全阈值时，所述PLC模块(17)报警并关闭截止阀(2)。
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