CN113944634A - 一种lng加注潜液泵自动预冷控制系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种LNG加注潜液泵自动预冷控制系统及其控制方法，所述的控制系统包括控制器、检测泵池入口压力的泵池入口压力传感器、检测潜液泵出口压力的泵出口压力传感器、检测泵池回气温度的温度传感器和检测泵池液位的液位传感器，泵池入口压力传感器、泵出口压力传感器、温度传感器和液位传感器的信号输出端与控制器的输入端分别相连，控制器的第一、第二、第三和第四控制端分别与潜液泵、储罐出液阀、潜液泵循环阀和潜液泵出液阀相连。本发明通过设置控制器和各种传感器，控制器依据当前泵池温度、泵池液位、泵池入口压力和泵出口压力等状况，使潜液泵自动预冷，提升潜液泵预冷充分完成效率，而且无需手动操作，降低了人员的操作强度。

Description

一种LNG加注潜液泵自动预冷控制系统及其控制方法
技术领域
本发明属于液化天然气(LNG)车辆燃料加注领域，具体涉及一种LNG加注潜液泵自动预冷控制系统及其控制方法。
背景技术
液化天然气(LNG)作为化石能源体系当中处理最为干净、低温液态特色低碳化石能源，这十几年在我国发展迅速，并逐步形成了完整的产业链。LNG车比燃油车节省约30％的燃料成本，也得到了高速发展，市场发展前景广阔。车辆加注时，LNG从低温储罐流入泵池经潜液泵加注到车辆储气瓶。潜液泵若预冷不充分，泵池内会有大量气态天然气存在，此时启动潜液泵，由于低温液不足会在泵池内进一步气化，会发生气蚀现象，泵池抽空，潜液泵出口压力低，无法将LNG液加注到车辆，同时也会降低泵的使用寿命。
目前潜液泵预冷方式主要有以下两类：
第一类是LNG液体从低温储罐出液阀流入泵池，再经潜液泵加压回流到低温储罐，通过判断泵池温度<-120℃、泵出口压力≥1.0MPa作为预冷充分完成条件。这种预冷方式的缺点有：1)潜液泵工作在气蚀状态，会降低泵的使用寿命；2)低温储罐内LNG液温度升高速度较快，产生的BOG较多；3)潜液泵预冷时无效益做功，产生电力成本消耗。
第二类是LNG液体从低温储罐出液阀流入泵池，检测泵池温度小于设定温度值(一般为-120℃)，并维持该温度延迟一段时间后作为预冷充分完成条件。这种方式的缺点是：预冷达到温度后的延迟时间由人为设置，不容易量化。若延迟时间过短，潜液泵预冷不充分，泵会空转，无法正常加注，产生电力成本消耗；若延迟时间过长，潜液泵预冷充分，但车辆加注等待时间较长，加注效率较低。
发明内容
本发明旨在解决现有技术中存在的技术问题，本发明的第一个目的是提供一种LNG加注潜液泵自动预冷控制系统。本发明的第二个目的是提供前述的LNG加注潜液泵自动预冷控制系统的控制方法。
为达到上述第一个目的，本发明采用如下技术方案：一种LNG加注潜液泵自动预冷控制系统，潜液泵安装在泵池中，低温储罐出口与泵池入口之间设有储罐出液阀，潜液泵出口与加液机之间连接有潜液泵出液阀，潜液泵出口与低温储罐之间连接有潜液泵循环阀；控制系统包括控制器、检测泵池入口压力的泵池入口压力传感器、检测潜液泵出口压力的泵出口压力传感器、检测泵池回气温度的温度传感器和检测泵池液位的液位传感器，泵池入口压力传感器的信号输出端、泵出口压力传感器的信号输出端、温度传感器的信号输出端和液位传感器的信号输出端与控制器的输入端分别相连，控制器的第一控制端、第二控制端、第三控制端、第四控制端分别与潜液泵、储罐出液阀、潜液泵循环阀、潜液泵出液阀相连。
上述技术方案中，通过设置控制器和各种传感器，控制器依据当前泵池温度、泵池液位、泵池入口压力和泵出口压力等状况，使潜液泵自动预冷，提升潜液泵预冷充分完成效率，而且无需手动操作，降低了人员的操作强度。
为达到上述第二个目的，本发明采用如下技术方案：一种LNG加注潜液泵自动预冷控制系统的控制方法，包括如下步骤：
运行潜液泵，潜液泵出口压力大于出口压力设定值且持续一段时间，即潜液泵正常启动，记录该数据；
在潜液泵停止后的一段时间内，检测泵池回气温度小于第一温度设定值时，则置位潜液泵上次启动正常标志Pst，并记录泵池回气温度初始值为当前温度值；否则复位潜液泵上次启动正常标志Pst；
执行潜液泵预冷操作时，控制器控制打开储罐出液阀、潜液泵循环阀，关闭潜液泵出液阀，保持潜液泵处于停止状态；
预冷过程中，检测泵池入口压力和泵池液位，当泵池入口压力不小于入口压设定值，且泵池液位不低于液位设定值时，根据潜液泵上次启动正常标志Pst按如下逻辑执行：
1)若Pst为真，再次启动潜液泵P101，跳过预冷时间；
2)若Pst为假，控制器计算泵池温降时间：泵池回气温度由第一温度设定值降低到第二温度设定值的时间t12，泵池回气温度由第二温度设定值降低到第三温度设定值的时间t23，泵池回气温度由第三温度设定值降低到第四温度设定值的时间t34；控制器再根据t12、t23和t34计算得出潜液泵的预冷时间tcool，当泵池回气温度小于第四温度设定值且持续时间tcool时，判定潜液泵预冷完成，启动潜液泵给车辆加注LNG。
上述技术方案中，需要执行潜液泵预冷操作时，控制器控制各阀门的开闭，预冷时，控制器依据当前泵池温度、泵池液位、泵池入口压力和泵出口压力等状况，使潜液泵自动预冷，无需手动操作，降低了人员的操作强度；而且潜液泵自动预冷，还可缩短预冷时间，提升潜液泵预冷充分完成效率；另外，潜液泵预冷时不启动，减少了无效的电力消耗。
在本发明的一种优选实施方式中，预冷过程中，当泵池入口压力小于入口压力设定值且持续一段时间，或泵池液位低于液位设定值且持续一段时间时，警报器发出报警。
上述技术方案中，当泵池入口压力或泵池液位不符合设定需求时，报警器报警，提示工作人员处理，提高工作效率。
在本发明的一种优选实施方式中，预冷过程中，检测泵池回气温度大于第四温度设定值且持续一段时间时，警报器发出预冷超时报警。
上述技术方案中，由警报器发出预冷超时报警，提示操作人员检查故障，提高工作效率。
在本发明的一种优选实施方式中，当Pst为真时，控制器计算泵池气化率GR，在气化率小于气化率设定值时，判定潜液泵预冷完成，否则复位Pst，按照Pst为假执行。
上述技术方案中，当Pst为真时，还可根据泵池气化率GR来判定潜液泵预冷是否完成，避免泵池内的潜液泵产生气蚀现象。
在本发明的另一种优选实施方式中，泵池气化率GR按照如下公式GR＝[(TT101-T0)/|T0|]*Km计算得到，其中TT101为当前泵池回气温度，T0为上次潜液泵正常运行后控制器记录泵池回气温度的初始值，Km为预先设定在控制器中的气化经验常数。
在本发明的另一种优选实施方式中，预冷时间tcool按照如下公式tcool＝K1*t12+K2*t23+K3*t34+tmin计算得到，其中K1、K2、K3为潜液泵各个温度区间温降时间常数，tmin为潜液泵最小预冷时间，K1、K2、K3和tmin均预先设定在控制器中。
本发明的控制系统及其控制方法的有益效果为：控制器依据当前泵池温度、泵池液位、泵池入口压力和泵出口压力等状况，在泵池不产生气蚀的前提下缩短预冷时间，提升潜液泵预冷充分完成效率，使潜液泵启动后能正常加注不产生抽空现象，且预冷完成后潜液泵空转现象明显降低，减少了无效的电力消耗；而且利用控制器使潜液泵自动预冷，无需手动操作，降低了人员的操作强度。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本申请实施例的一种LNG加注潜液泵自动预冷控制系统的结构示意图。
图2是本申请实施例的一种LNG加注潜液泵自动预冷控制系统的各元器件与PLC控制器连接的示意图。
图3是本申请实施例的一种LNG加注潜液泵自动预冷控制系统的控制方法的流程图。
说明书附图中的附图标记包括：泵池V01、潜液泵P101、泵池入口压力传感器PT201、温度传感器TT101、液位传感器LT101、泵出口压力传感器PT101、储罐出液阀XV201、潜液泵循环阀XV102、潜液泵出液阀XV101、控制器PLC。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“竖向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
本发明提供了一种LNG加注潜液泵自动预冷控制系统及其控制方法。如图1所示，潜液泵P101安装在泵池V01中，低温储罐出口与泵池V01入口之间设有储罐出液阀XV201，泵池V01的BOG回低温储罐；潜液泵P101出口与加液机之间连接有潜液泵出液阀XV101，潜液泵P101出口与低温储罐之间连接有潜液泵循环阀XV102。
如图1和图2所示，在本发明的一种优选实施方式中，该LNG加注潜液泵自动预冷控制系统(简称控制系统)，包括控制器PLC、检测泵池入口压力的泵池入口压力传感器PT201、检测潜液泵P101出口压力的泵出口压力传感器PT101、检测泵池回气温度的温度传感器TT101和检测泵池液位的液位传感器LT101。泵池入口压力传感器PT201的信号输出端与控制器PLC的第一压力输入端相连，泵出口压力传感器PT101的信号输出端与控制器PLC的第二压力输入端相连，温度传感器TT101信号输出端与控制器PLC的温度输入端相连，液位传感器LT101的信号输出端与控制器PLC的液位输入端相连。控制器PLC的第一控制端、第二控制端、第三控制端、第四控制端分别与潜液泵P101、储罐出液阀XV201、潜液泵循环阀XV102、潜液泵出液阀XV101的使能端相连。
如图1所示，预冷过程中，LNG从低温储罐排出经储罐出液阀XV201后进入泵池V01，经潜液泵P101后从潜液泵P101出口排出，再经潜液泵循环阀XV102回流至低温储罐，形成预冷循环回路。给车辆加注LNG时，LNG从低温储罐排出经储罐出液阀XV201后进入泵池V01，经潜液泵P101加压后从潜液泵P101出口排出，再经潜液泵出液阀XV101排至加液机。
本发明的控制器PLC采用可编程逻辑控制器，潜液泵P101预冷控制逻辑嵌入在控制器PLC中，该控制逻辑根据前述各传感器采集的泵池入口压力、泵池回气温度、泵池液位和潜液泵出口压力的实时数据，进行计算，推算出泵池V01的工况，并修正潜液泵P101预冷过程参数。
具体地，如图2和图3所示，该控制系统的控制方法包括如下步骤：
运行潜液泵P101，泵出口压力传感器PT101检测潜液泵出口压力大于出口压力设定值(比如1.2MPa)且持续一段时间(比如持续2min)，即潜液泵P101正常启动，控制器PLC记录该数据。
在潜液泵P101停止后的一段时间内(比如10min内)，温度传感器TT101检测泵池回气温度小于第一温度设定值(比如-100℃)时，则置位潜液泵P101上次启动正常标志Pst，控制器PLC并记录泵池回气温度初始值为当前温度值；否则复位潜液泵P101上次启动正常标志Pst。
当车辆加注或操作员执行潜液泵P101预冷操作时，启动潜液泵P101的预冷程序，控制器PLC控制打开储罐出液阀XV201和潜液泵循环阀XV102，关闭潜液泵出液阀XV101，并保持潜液泵P101处于停止状态。
预冷过程中，当泵池入口压力传感器PT201检测泵池入口压力小于入口压设定值(根据潜液泵P101必需气蚀余量NPSHr要求，优选入口压设定值为0.2MPa)且持续一段时间(比如持续5秒)，或液位传感器LT101检测泵池液位低于液位设定值(比如为泵池V01满量程高度的95％)且持续一段时间(比如持续10秒)时，则判定低温储罐进液不足或进液管路不畅，警报器发出报警，提示操作人员检查。
预冷过程中，温度传感器TT101检测泵池回气温度大于第四温度设定值(比如-120℃)且持续一段时间(比如持续5min)，即潜液泵P101长时间无法达到预冷要求，警报器发出预冷超时报警，提示操作人员检查。
预冷过程中，当泵池入口压力≥0.2MPa，同时泵池液位≥泵池V01满量程高度的95％时，根据潜液泵P101上次启动正常标志Pst按如下逻辑执行：
1)若Pst为真(比如Pst＝1)，即潜液泵P101停止运行间隔时间不长，LNG液温保持较好，可再次启动潜液泵P101，跳过预冷时间。在Pst为真时，控制器PLC计算泵池气化率GR，在气化率GR小于气化率设定值(比如5％)时，即泵池V01内LNG没有大量气化，判定潜液泵P101预冷完成，否则复位Pst，按照Pst如下的为假执行。泵池气化率GR按照如下公式GR＝[(TT101-T0)/|T0|]*Km计算得到，其中TT101为当前泵池回气温度，T0为上次潜液泵P101正常运行后控制器PLC记录泵池回气温度的初始值，Km为预先设定在控制器PLC中的气化经验常数。具体地，Km取值可为[0.1,1],优选取0.5。
2)若Pst为假(比如Pst＝0)，控制器PLC分别计算泵池V01温降时间：泵池回气温度由第一温度设定值-100℃降低到第二温度设定值(比如-110℃)的时间t12，泵池回气温度由第二温度设定值-110℃降低到第三温度设定值(比如-115℃)的时间t23，泵池回气温度由第三温度设定值的-115℃降低到第四温度设定值-120℃的时间t34。控制器PLC再根据t12、t23和t34计算得出潜液泵P101的预冷时间tcool，当泵池回气温度小于第四温度设定值120℃且持续时间tcool时，判定潜液泵P101预冷完成，启动潜液泵P101通过LNG加液枪给车辆加注LNG。潜液泵P101预冷时间tcool按照如下公式
tcool＝K1*t12+K2*t23+K3*t34+tmin计算得到，其中K1、K2、K3为潜液泵P101各个温度区间温降时间常数，tmin为潜液泵P101最小预冷时间，K1、K2、K3和tmin均预先设定在控制器PLC中。具体地，K1取值可为[0.5,4],优选取1；K2取值可为[0.5,4],优选取1；K3取值可为[1,3],优选取2.5；tmin取值可为[10,60],一般取30。
需要说明的是，前述的入口压设定值、出口压力设定值、液位设定值、第一温度设定值、第二温度设定值、第三温度设定值、第四温度设定值仅为本发明优选的一个示例，可根据实际情况进行设定，各状况的持续时间也可根据实际情况进行设定。
在本说明书的描述中，参考术语“优选的实施方式”、“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种LNG加注潜液泵自动预冷控制系统，所述潜液泵安装在泵池中，低温储罐出口与泵池入口之间设有储罐出液阀，潜液泵出口与加液机之间连接有潜液泵出液阀，潜液泵出口与低温储罐之间连接有潜液泵循环阀；其特征在于，所述控制系统包括控制器、检测泵池入口压力的泵池入口压力传感器、检测潜液泵出口压力的泵出口压力传感器、检测泵池回气温度的温度传感器和检测泵池液位的液位传感器，所述泵池入口压力传感器的信号输出端、泵出口压力传感器的信号输出端、温度传感器的信号输出端和液位传感器的信号输出端与控制器的输入端分别相连，所述控制器的第一控制端、第二控制端、第三控制端、第四控制端分别与潜液泵、储罐出液阀、潜液泵循环阀、潜液泵出液阀相连。
2.一种如权利要求1所述的LNG加注潜液泵自动预冷控制系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
运行潜液泵，潜液泵出口压力大于出口压力设定值且持续一段时间，即潜液泵正常启动，记录该数据；
在潜液泵停止后的一段时间内，检测泵池回气温度小于第一温度设定值时，则置位潜液泵上次启动正常标志Pst，并记录泵池回气温度初始值为当前温度值；否则复位潜液泵上次启动正常标志Pst；
执行潜液泵预冷操作时，控制器控制打开储罐出液阀、潜液泵循环阀，关闭潜液泵出液阀，保持潜液泵处于停止状态；
预冷过程中，检测泵池入口压力和泵池液位，当泵池入口压力不小于入口压设定值，且泵池液位不低于液位设定值时，根据潜液泵上次启动正常标志Pst按如下逻辑执行：
1)若Pst为真，再次启动潜液泵P101，跳过预冷时间；
2)若Pst为假，控制器计算泵池温降时间：泵池回气温度由第一温度设定值降低到第二温度设定值的时间t12，泵池回气温度由第二温度设定值降低到第三温度设定值的时间t23，泵池回气温度由第三温度设定值降低到第四温度设定值的时间t34；控制器再根据t12、t23和t34计算得出潜液泵的预冷时间tcool，当泵池回气温度小于第四温度设定值且持续时间tcool时，判定潜液泵预冷完成，启动潜液泵给车辆加注LNG。
3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，预冷过程中，当泵池入口压力小于入口压力设定值且持续一段时间，或泵池液位低于液位设定值且持续一段时间时，警报器发出报警。
4.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，预冷过程中，检测泵池回气温度大于第四温度设定值且持续一段时间时，警报器发出预冷超时报警。
5.根据权利要求2-4中任一项所述的控制方法，其特征在于，当所述Pst为真时，控制器计算泵池气化率GR，在气化率小于气化率设定值时，判定潜液泵预冷完成，否则复位Pst，按照Pst为假执行。
6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，泵池气化率GR按照如下公式GR＝[(TT101-T0)/|T0|]*Km计算得到，其中TT101为当前泵池回气温度，T0为上次潜液泵正常运行后控制器记录泵池回气温度的初始值，Km为预先设定在控制器中的气化经验常数。
7.根据权利要求2-4中任一项所述的控制方法，其特征在于，预冷时间tcool按照如下公式tcool＝K1*t12+K2*t23+K3*t34+tmin计算得到，其中K1、K2、K3为潜液泵各个温度区间温降时间常数，tmin为潜液泵最小预冷时间，K1、K2、K3和tmin均预先设定在控制器中。
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