CN109690171B - 天然气分配网络控制系统、天然气分配网络及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种用于天然气分配网络(1)的控制系统(8)，包括：处理单元(9)，其适于通过相应信号与可操作地连接到分配网络(1)的一个或多个控制装置(4)连通；可再充电电池(10)，其向处理单元(9)供电；电力供应装置(11)，其适于对可再充电电池(10)再充电。电力供应装置(11)包括：连接到可再充电电池(10)的热电发电机(12)；第一热交换器(13)和第二热交换器(14；40；50)分别与热电发电机(12)的两个相对侧部接触；涡流管(15)，其接纳来自分配网络(1)的天然气的一部分并将其分成较冷的部分和较暖的部分；第一管道(16)适于将较冷的部分输送到第一热交换器(13)中；第二管道(17)适于将较暖的部分输送到第二热交换器(14；40；50)中。

Description

天然气分配网络控制系统、天然气分配网络及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种天然气分配网络，并且具体涉及一种适于将低压天然气分配给用户的分配网络。

本发明还涉及一种控制系统和用于控制所述网络的方法。

背景技术

众所周知，天然气通过合适的分配网络分配给用户，该分配网络设置成使到用户的递送压力保持尽可能恒定，该递送压力独立于网络进给压力和递送流量。

通过沿分配网络的管道布置的减压器单元的存在确保递送压力保持在恒定水平并且适于将网络进给压力降低到用户所需的值。具体地，减压器单元包括可移动的关闭件，该可移动的关闭件布置在管道中，以便限定引起所述压力降低的瓶颈，该瓶颈可以通过改变关闭件的位置来修改。传感器单元即时检测气体状况，并且如果压力值不同于预定的递送值，则修改关闭件的位置使得改变压力降低直到递送压力返回到所述预定值。

根据已知的实施例，关闭件的运动由控制系统控制，该控制系统包括电子处理单元，该电子处理单元接收来自传感器单元的输入数据并处理它们，如上所述，发出能够引导减压器单元的控制信号。

为了控制网络的操作条件，所述处理单元还能够用于控制与分配网络相关联的其它控制装置，例如阀和类似元件。

处理单元包括电力供应电池，该电力供应电池除了向处理单元本身供电之外，还能够向传感器单元和与处理单元相互作用的控制装置供电。电力供应电池的使用使得控制系统自主，并且具体地允许后者也在不由电网服务的隔离位置中操作，在使用灵活性方面具有明显的优点。

另一方面，所述电力供应电池造成缺点，即它具有有限的自主性，并因此需要定期更换。

众所周知，为了解决上述缺点，使用可再充电电池，其连接到现场的电力供应装置，例如太阳能电池板。

例如，专利文献US 200I/047621公开了一种用于天然气分配网络的控制系统的解决方案，其中可再充电电池用于向处理单元供电，并且辅助装置用于对可再充电电池进行再充电。

已知类型的电力供应装置通常造成的缺点是昂贵，并且在太阳能电池板的情形下会遭受盗窃。

太阳能电池板造成需要适当绝缘的进一步缺点，这在任何地方都不可用。

发明内容

本发明旨在参考上述已知类型的天然气分配网络克服上述缺点。

具体地，本发明的目标是在不需要外部电源(特别是连接到电网)的情况下控制天然气分配网络。

本发明的另一目标是与使用上述已知类型的控制技术时所承担的成本相比，以较低的成本获得该结果。

所述目标通过根据权利要求1实施的控制系统实现。所述目标还通过根据权利要求11的包括所述控制系统的天然气分配网络以及根据权利要求17的用于控制天然气分配网络的方法来实现。

在对应的从属权利要求中描述了本发明的其它特征和细节。

附图说明

所述目标和优点在对本发明的一些较佳实施例的以下描述中强调，所述目标和优点借助非限制性示例参照附图中示出，附图中：

-图1示出了本发明主题的分配网络的示意图；

-图2以侧剖视图示出了图1的分配网络的组件；

-图3以平面剖视图示出了图2的组件；

-图4以侧视图示出了图2的组件的变型；

-图5以侧视图示出了图2的组件的另一变型；

具体实施方式

本发明应用于图1中整体用1表示的天然气分配网络，并且包括用于根据流动方向X用于天然气流量通道的主管道2。

沿着主管道2存在减压器单元3，它适于使压力从减压器上游的给定进给值减小到减压器下游的预定递送值本身，独立于所述进给值和沿管道的气体流量。

较佳地但非必要地，减压器单元3包括可移动的关闭件(在图中未示出但是本身已知的)，该关闭件布置在主管道2中，以便在后者中产生瓶颈。可以通过移动关闭件本身来调节瓶颈的横截面。

减压器单元3还包括由隔膜界定的动力化室，该隔膜连接到可移动关闭件，使得动力化室中的压力变化引起膈膜的运动，并因此引起可移动关闭件的运动。反过来，基于减压器单元3下游的天然气的压力，通过引导装置调节动力化室中的压力。

分配网络1还包括一个或多个控制装置4，其可操作地连接到主管道2，以便与在其中流动的天然气相互作用。

例如，所述控制装置中的一个可以与减压器单元3相互作用，以便根据网络中的变化的操作需要(例如当从白天操作切换到夜间操作)，校正在减压器单元3下游调节的压力设定值本身。

在本身已知的解决方案中，所述控制装置可包括通过两个电磁阀连接到主管道2的储罐，这两个电磁阀可分别操作以使气体进入储罐中并使其离开储罐，以这样的方式增加或减少其内部的压力。储罐与气动致动器连通，气动致动器可操作地与可移动关闭件相关联，以便在后者上施加额外的力。基于主管道2中存在的气体的温度的两个电磁阀的操作使其可以获得上述校正。

更一般地，所述控制装置4可包括电磁阀，或更一般地致动器，适于由相应的信号激活以便影响分配网络的操作参数。

所述控制装置4还可以包括传感器单元28，其测量天然气的一个或多个物理参数的值并将它们转换成相应的信号。所述物理参数可包括减压器单元3的上游和/或下游的压力和/或温度和/或沿主管道2的天然气的流量。

所述控制装置4还可包括适于指示网络的其它操作参数的装置，未在附图中示出但本身是已知的。

应当强调，因为现在在本说明书中，词语“信号”表示适合以模拟或数字形式从远程位置传送的任何信号，特别是但非排它的是电信号。

分配网络1还包括适于与所述控制装置4通信的控制系统8。具体地，控制系统8包括处理单元9，其通过所述信号与控制装置4连通。较佳地，处理单元9接收由所述传感器单元28发出的信号并处理它们，以便发出旨在激活一个或多个所述致动器的输出信号。

处理单元9由电池10供电，以便允许控制系统8自主操作并且不需要连接到外部电源，例如电网。

较佳地，可再充电电池10还用于向控制装置4供电，具有使整个分配网络1自主的优点。具体地，控制装置4的电力供应和对应的信号都能通过单根连接电缆传送。

在致动器的情况下，激活它们的信号也能用于为它们供电。

电池10是可再充电的并且连接到适于对其充电的电力供应装置11。后者有利地允许控制系统8长时间连续工作而无需更换电池10。

根据本发明，电力供应装置11包括连接到可再充电电池10的热电发电机12。众所周知，热电发电机12是利用已知的“塞贝克效应(Seebeck effect)”将其两端之间的温度差转换为电压的装置。

具体地，根据本发明，所述温度差借助于涡流管15产生。众所周知，涡流管、也称为兰克-赫尔胥(Ranque-Hilsch)管，是管状本体，其通过入口接纳气体并将其分成在更靠近管状本体轴线的区域中的比流入气体较冷的气流和在管状本体的更外部区域中的比流入气体较暖的气流。

根据本发明，减压器单元3的两侧之间的压力差用于使天然气的一部分流动通过所述涡流管15，并且在涡流管15的出口处可用的天然气的两部分之间的温度差用在所述热电发电机12中以对电池10再充电。

能够理解的是，上面刚刚描述的系统使得能够利用沿着主管道2流动的天然气的压力来对电池10再充电，并因此既不需要外部电源也不需要安装已知类型的发电机装置，例如太阳能电池板或其它等效装置。

具体地，与所述已知类型的发电机装置相比，本发明主题的系统需要较少的维护，因为它没有移动的机械部件并且没有经受磨损的部件。

较佳地，并且如图2和3所示，天然气压力转换成电压通过第一热交换器13和第二热交换器14进行，第一热交换器13和第二热交换器14分别与热电发电机12的两个相对面接触。

从涡流管15流出的天然气的较冷部分通过第一输送管道16朝向第一热交换器13输送，而较暖的部分通过第二输送管道17朝向第二热交换器14输送。

第一管道5使得可以将来自减压器单元3上游的主管道2的天然气输送到涡流管15的入口。然后，在热交换器13、14的出口处抽出所述气体，并且通过第二管道6重新引入减压器单元3下游的主管道2中。

较佳地，所述电磁阀中的一个，如图1中的7所示，沿着第一管道5布置，第一管道5将涡流管15的入口连接到减压器单元3上游的主管道2。

在附图中未示出的替代变型实施例中，所述电磁阀7可沿第二管道6布置，第二管道6将热交换器13、14连接到减压器单元3下游的主管道2。在两种情形下，所述电磁阀有利地使得在需求不足或根本没有需求的情形下能够关闭供给涡流管15的回路，使得防止减压器单元3下游的压力增加并超过预定的递送值。

替代地，流动通过涡流管15的中断能通过气动装置进行，气动装置在附图中未示出但本身是已知的。例如，所述气动装置可以包括二级压力调节器，该二级压力调节器设置成使得其以低于减压器单元3的设定值的压力值关闭流动。

较佳地，每个热交换器13、14包括设置有入口20和出口21的相应腔室19。在附图中，腔室19在平面视图中的形状是圆形的，但是在本发明的变型实施例中，所述形状显然可能明显不同。

与热电发电机12接触的多个区段22插入在腔室19的口20、21之间。有利地，区段22增大了气体与热电发电机12之间的热交换表面，从而提高了热交换效率。

较佳地，区段22以这样的方式布置：迫使在腔室19中流动的天然气沿着入口20和出口21之间的蜿蜒路径，具有增加在腔室19内的流动时间的优点并从而提高了热交换的效率。

较佳地，上面刚刚描述的路径是通过布置第一系列区段而获得的，第一系列区段的一端连接到腔室19的壁并且其相对端与腔室19的相对壁间隔开并面向它，以便定义气体的相应通道。第一系列的区段与第二系列区段交替，第二系列区段类似于第一系列的区段，但其端部相对于腔室19的两个相对的壁与第一系列的区段相对布置。

在上面刚刚描述的构造中，气体通道交替地邻近腔室19的两个相对的壁，以便限定增强了上述优点的蛇形路径。

较佳地，腔室19在其面向热电发电机12的侧部由第一壁23界定，第一壁23由导热材料制成并且与热电发电机12本身接触放置，而在其余侧部上由第二壁24界定，第二壁24由绝热材料制成。

有利地，第二壁24防止在对应的热交换器13、14中流动的气体与外部而不是与热电发电机12交换热量。

较佳地，区段22布置成与第一壁23接触，以便获得最大的热交换效率。

根据本文未示出的发明的变型实施例，第一壁23可以属于热电发电机12，在这种情形下，区段22能布置成与发电机本身直接接触。

较佳地，每个热交换器13、14的腔室19、入口20、出口21和第一壁23属于对应的容纳本体25，容纳本体25由导热材料制成单件。

有利地，上面刚刚描述的构造使得能够获得更有效的热交换器，减小它们的整体尺寸并减少它们包含的部件的数量，从而降低对应的装配成本。

仍然有利地，所述构造使得能够减少防止气体从腔室19流出所需的垫圈的数量。

较佳地，区段22也属于容纳本体25，增强了上述优点。

更较佳地，第二壁24的相对于腔室19与第一壁23相对的部分属于与容纳本体25分开制造并且适于可拆卸地与其相关联的盖26。

有利地，盖26便于腔室19的构建，例如通过压铸和/或机械加工工艺。

较佳地，盖26通过一个或多个螺钉与对应的容纳本体25相关联，并且甚至更较佳地，使腔室19紧密的垫圈(例如O形环31)插入其间。

关于热电发电机12，它较佳地呈现市场上通常可获得的方形或矩形小板的形状，或者并排放置并彼此连接的多个板的形状。

较佳地，热电发电机12容纳在由绝热材料制成的中间元件27中，该中间元件27将两个热交换器13、14彼此分开。

后者较佳地通过螺钉30连接到彼此，螺钉30保持它们与热电发电机12接触并且还允许中间元件27保持就位。所述螺钉30还能够提高热交换器13、14和热电发电机12的表面之间的接触，为了优化后者的性能的目的。

在图4所示的变型实施例中，涡流管15容纳在第二热交换器的盖41中，第二热交换器这里用40表示。有利地，该构造使得能够从涡流管15的热的外表面直接传递热量到盖41，从而提高了热交换的整体效率。

在该变型实施例中，第二输送管道17部分地属于盖41，使得流出涡流管15的热气体被直接输送到对应的腔室19中，具有限制第二输送管道17的长度的优点，并因此限制沿它的气体压力下降以及向外部的气体散热。

较佳地，第二输送管道17设置有延伸部43，该延伸部43属于第二热交换器40的容纳本体25，使得连接到腔室19的入口20。

此外，较佳地，涡流管的入口44也属于输送本体25。

较佳地，涡流管15直接在盖41中获得，使得盖41还用作涡流管15的本体。更具体地，涡流管15由属于盖41的孔42界定。这种构造使得能够进一步提高热交换效率，使交换器-涡流管系统更紧凑，优化涡流管的几何形状并降低构建复杂性。

根据图5中所示的另一变型实施例，涡流管15制成为第二热交换器50的盖51的延伸部，较佳地在带有它的单件中。具体地，涡流管15由属于盖51的孔52界定，其热出口与第二热交换器50的入口20直接连通。

有利地，上述构造实际上使得能够使第二输送管道17的长度等于零，使其中压力下降最小化。此外，与前面情形相比，该构造还能够限制第二热交换器50的高度，尽管至少部分地保持了通过从涡流管15的热的外表面传导到盖51的热量传递的优点。具体地，第二热交换器50的盖26能大致等于在上述第一实施例中使用的盖。

在图5中，涡流管15通过入口53进给，而使冷流对冷出口54可用，冷出口54连接到第一冷热交换器13。

较佳地，在上述所有实施例中，还存在介于热电发电机12和可再充电电池10之间的升压器装置18，其适于增加由热电发电机12产生的电压并使其达到足以为可再充电电池10供电的值。

有利地，所述升压器装置18使得能够限制朝向涡流管15并且因此朝向热交换器13、14偏离的气体的流量，尤其是在用于低压用户的分配网络中的应用中，从而限制所述组件的尺寸。此外，由于朝向涡流管偏离的气体流量不通过减压器单元3，并因此影响在减压器单元的下游的压力，限制所述偏离的流量使得能够以更精确的方式控制减压器单元下游的压力。

举例来说，提交本发明的申请人已经在低压分配网络中对上述系统进行了一些测试，其中减压器单元上游和下游的天然气的相对压力分别约为1.5巴和20毫巴。已经使用了处理单元，其平均消耗量等于大约8.5mA，当需要引导用于调节气体压力的控制装置时，峰值为50mA。

在上述情形中，能够从热电发电机12获得大约15mA的电流，该电流足以满足上述平均消耗。

具体地，电压增加装置18使得能够将热电发电机12的端部处的电压(大约等于3.6V)增加到大约4.2V的值，这足以用3.75V的电压对为处理单元供电的锂电池再充电。

根据以上，能够理解，本发明主题的控制系统允许实现设定的目标。

具体地，通过利用分配网络的减压器单元的上游和下游点之间的压力差来为连接到热电发电机的涡流管供电，能够获得足以对控制旨在控制天然气操作条件的装置的处理单元的电池充电的电流。这消除了定期更换电池的需要，并且在还消除了在没有电网可用时提供昂贵的发电机(例如的太阳能电池板)来为电池本身充电的需要。

具体地，本发明使得能够仅通过可再充电电池为控制装置供电，使得控制系统完全自主。

Claims (17)

1.用于天然气分配网络(1)的控制系统(8)，包括：

-处理单元(9)，所述处理单元(9)适于通过相应信号与可操作地连接到所述分配网络(1)的一个或多个控制装置(4)连通；

-可再充电电池(10)，所述可再充电电池(10)向所述处理单元(9)供电；

-电力供应装置(11)，所述电力供应装置(11)适于对所述可再充电电池(10)再充电；

其特征在于，所述电力供应装置(11)包括：

-热电发电机(12)，所述热电发电机(12)连接到所述可再充电电池(10)；

-第一热交换器(13)和第二热交换器(14；40；50)，所述第一热交换器(13)和第二热交换器(14；40；50)分别与所述热电发电机(12)的两个相互相对的侧部接触；

-涡流管(15)，所述涡流管(15)构造成接纳来自所述分配网络(1)的天然气的一部分并将所述部分分成比流动进入所述涡流管(15)的所述天然气的一部分冷的较冷的部分和比流动进入所述涡流管(15)的所述天然气的一部分暖的较暖的部分；

-第一输送管道(16)，所述第一输送管道(16)适于将所述较冷的部分输送到所述第一热交换器(13)中；

-第二输送管道(17)，所述第二输送管道(17)适于将所述较暖的部分输送到所述第二热交换器(14；40；50)中，

其中，所述涡流管(15)容纳在所述第二热交换器(40)的盖(41)中。

2.根据权利要求1所述的控制系统(8)，其特征在于，所述电力供应装置(11)包括插入在所述热电发电机(12)和所述可再充电电池(10)之间的升压器装置(18)，以便增加由所述热电发电机(12)产生的电压并达到足以为所述可再充电电池(10)供电的值。

3.根据权利要求1所述的控制系统(8)，其特征在于，每个热交换器(13、14；40；50)包括相应的腔室(19)，所述腔室(19)设置有入口(20)和出口(21)，具有插入其间的多个部段(22)，所述部段限定了用于所述天然气从其通过所述入口(20)流入所述腔室(19)的点到其通过所述出口(21)流出所述腔室(19)的点的蜿蜒路径，所述部段(22)与所述热电发电机(12)接触。

4.根据权利要求3所述的控制系统(8)，其特征在于，所述腔室(19)在面向所述热电发电机(12)的侧部上由第一壁(23)界定，所述第一壁(23)由导热材料制成并且接触所述热电发电机(12)，并且在其余侧部上由第二壁(24)界定，所述第二壁(24)由绝热材料制成。

5.根据权利要求4所述的控制系统(8)，其特征在于，所述腔室(19)、所述入口(20)、所述出口(21)和所述第一壁(23)属于容纳本体(25)，所述容纳本体(25)由导热材料制成并制成在单件中。

6.根据权利要求5所述的控制系统(8)，其特征在于，所述第二壁(24)的、相对于所述腔室(19)与所述第一壁(23)相对的部分属于盖(26；41)，所述盖(26；41)适于与所述容纳本体(25)可拆卸地关联。

7.根据权利要求5所述的控制系统(8)，其特征在于，所述涡流管(15)容纳在所述盖(41；51)中，所述第二输送管道(17)属于所述盖(41；51)。

8.根据权利要求7所述的控制系统(8)，其特征在于，所述盖(41；51)包括界定所述涡流管(15)的孔(42；52)。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的控制系统(8)，其特征在于，所述热电发电机(12)容纳在由隔热材料制成的中间元件(27)中，所述中间元件(27)将两个所述热交换器(13、14；40；50)彼此分开。

10.根据权利要求1至8中任一项所述的控制系统(8)，其特征在于，所述处理单元(9)构造成接收一个或多个输入信号，所述一个或多个输入信号表示沿着主管道(2)流动的所述天然气的相应物理参数并将它们转换成一个或多个输出信号，所述一个或多个输出信号适于激活与沿着所述主管道(2)流动的所述天然气相互作用的一个或多个致动器。

11.天然气分配网络(1)，包括：

-主管道(2)，所述主管道(2)适于根据一定的流动方向(X)输送天然气的流量；

-减压器单元(3)，所述减压器单元(3)沿所述主管道(2)布置；

-一个或多个控制装置(4)，所述一个或多个控制装置(4)可操作地连接到所述主管道(2)，以便与在所述主管道(2)中流动的所述天然气相互作用；

-控制系统(8)，所述控制系统(8)构造成通过相应的信号与所述控制装置(4)连通；

其特征在于，所述控制系统(8)根据权利要求1至10中任一项进行，其中所述控制系统(8)的所述涡流管(15)通过第一管道(5)与根据所述流动方向(X)在所述减压器单元(3)上游的所述主管道(2)连通，以便截取所述天然气流量的一部分，其中所述控制系统(8)的两个热交换器(13、14；40；50)通过一个或多个第二管道(6)与所述减压器单元(3)下游的所述主管道(2)连通，所述一个或多个第二管道(6)适于将流量的所述部分重新引入所述主管道(2)，所述控制系统(8)的所述处理单元(9)构造成通过所述信号与所述一个或多个控制装置(4)连通。

12.根据权利要求11所述的分配网络(1)，其特征在于，所述一个或多个控制装置(4)包括适于由所述信号的相应信号操作的阀(7)。

13.根据权利要求12所述的分配网络(1)，其特征在于，所述阀属于所述减压器单元(3)。

14.根据权利要求12所述的分配网络(1)，其特征在于，所述阀(7)沿着所述第一管道(5)或沿着所述一个或多个第二管道(6)布置。

15.根据权利要求11至14中任一项所述的分配网络(1)，其特征在于，所述一个或多个控制装置(4)包括适于测量所述天然气的一个或多个物理参数的值并将它们转换成所述相应信号的传感器单元(28)。

16.根据权利要求11至14中任一项所述的分配网络(1)，其特征在于，所述一个或多个控制装置(4)仅由所述控制系统(8)的所述可再充电电池(10)供电。

17.用于控制天然气分配网络(1)的方法，包括：

-主管道(2)，所述主管道(2)适于输送天然气流量；

-减压器单元(3)，所述减压器单元(3)沿所述主管道(2)布置；

-根据权利要求1-10中任一项所述的控制系统(8)；

所述控制方法的特征在于，所述控制方法包括以下操作：

-利用所述减压器单元(3)上游和下游的点之间的压力差，使天然气的一部分流动通过涡流管(15)；

-利用热电发电机(12)中从所述涡流管(15)流出的两部分天然气之间的温度差来对所述可再充电电池(10)再充电。

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