CN114877250B - 一种汽化自控式lng分布式能源物联网智能供气方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种汽化自控式LNG分布式能源物联网智能供气方法及装置，方法采集历史LNG灌装和汽化操作的流程数据和设备参数，并进行规范化处理后形成数据样本库；根据数据样本库分别提取灌装流程和汽化流程的参数特征和控制阈值，并进行人工标注得到灌装和汽化样本集；构建BP神经网络模型，利用改进共轭梯度法对BP神经网络模型进行训练优化，获得自动化控制模型；将自动化控制模型设置到中央控制系统中，并将用户输入的指令输入自动化控制模型进行流程识别，根据识别结果自动控制设备进行灌装或汽化。本发明提高了LNG分布式能源物联网智能供气自动化程度，实现了LNG灌装和汽化的自动化控制。

Description

一种汽化自控式LNG分布式能源物联网智能供气方法及装置
技术领域
本发明涉及液化天然气供气技术领域，尤其涉及一种汽化自控式LNG分布式能源物联网智能供气方法及装置。
背景技术
LNG 是英文Liquefied Natural Gas(液化天然气)的简称，它是应用超低温冷冻技术对油/气田产生的天然气进行加压、脱硫、脱水液化而成，并储存于超低温保冷气罐。主要成分是甲烷组，另有少量的乙、丙、丁烷和极少量其它烃类化合物，是清洁、环保的能源。
2021年8月，国家能源局石油天然气司等部门公布《中国天然气发展报告(2021)》，报告显示：我国天然气多元供应体系持续完善，“全国一张网”基本成形。累计建成长输管道4.6万千米，全国天然气管道总里程达到约11万千米。但是，仍然有大量的远郊区县、山区、农村等经济欠发达地区、管道辐射不足的区域内，无法使用优势明显、安全、洁净的天然气来进行生活、工作。据统计，目前国内近6亿人仍然无法使用天然气。
然而，远郊区县、山区、农村燃气市场是城镇燃气的潜在市场，这些地区的能源供应作为国家整个能源系统不可分割的组成部分，其供应与消费必然影响到中国能源的供求形势。目前城市建设的重点逐步从市区向远郊区县、山区、农村战略转移，需要建立高效、安全、经济的能源供应体系。2021年1月，中央“一号文件”正式发布了“燃气下乡”政策文件，提出“加强乡村公共基础设施建设，推进燃气下乡，支持建设安全可靠的乡村储气罐站和微管网供气系统”。
LNG作为清洁能源现备受关注，天然气燃烧后产生的二氧化碳和氮氧化合物仅为煤的50%和20%，污染为液化石油气的1/4，煤的1/800。由于管道铺设投资费用大，LNG气化站具有比管道气更好的经济性，在中小城镇可采用LNG气化站作为气源供居民使用，此外还可用于商业，事业单位的生活以及用户的采暖等。可通过构建虚拟管网体系，推进燃气下乡工作，解决国内近6亿人仍然无法使用天然气的现状。
现有的供气系统中对灌装过程和汽化过程的控制，通常采用人为控制或人工设定阈值方式进行控制，自动化程度不高，不能实现汽化自控式的供气，需要进一步的改进。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种汽化自控式LNG分布式能源物联网智能供气方法及装置，基于深度学习技术构建自动化控制模型，对灌装和汽化供气流程进行自动化控制，提高了LNG分布式能源物联网智能供气自动化程度，实现了LNG灌装和汽化的自动化控制。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种汽化自控式LNG分布式能源物联网智能供气方法，包括以下步骤：
S1：数据预处理，采集历史LNG灌装和汽化操作的流程数据和设备参数，并进行规范化处理后形成数据样本库；
S2：特征提取，根据数据样本库分别提取灌装流程和汽化流程的参数特征和控制阈值，并进行人工标注得到灌装和汽化样本集；
S3：自控模型训练，构建BP神经网络模型，利用改进共轭梯度法对BP神经网络模型进行训练优化，获得自动化控制模型；
S4：供气自动化，将自动化控制模型设置到中央控制系统中，并将用户输入的指令输入自动化控制模型进行流程识别，根据识别结果自动控制设备进行灌装或汽化。
具体的，所述数据预处理过程具体包括：按照操作设备的名称对历史LNG灌装和汽化操作的流程数据和设备参数进行分类；对分类后的LNG灌装和汽化操作的流程数据和设备参数依次进行缺失值处理、离群值检测处理、标准化和特征编码；将处理后的LNG灌装和汽化操作的流程数据和设备参数存储到数据库形成数据样本库。
具体的，所述特征提取过程具体包括：基于数据样本库，分别提取出灌装流程和汽化流程中每个操作对应的设备参数特征值、设备故障特征值和控制阈值，并人工标注出设备参数特征值与控制阈值、设备故障特征值与控制阈值之间的控制关系，从而得到灌装样本集和汽化样本集。
具体的，所述自控模型训练过程具体包括：构建BP神经网络模型结构；计算神经网络各层神经元的输入、输出，将BP神经网络模型输出层的输出作为自动化控制模型的可调控制参数；根据灌装和汽化样本集进行神经网络学习，并按改进共轭梯度算法修正BP网络的权值和阈值，调整BP神经网络模型的加权系数，实现控制参数的自适应调整，获得自动化控制模型；采集实际灌装流程和汽化流程的设备参数和实际操作数据，将设备参数输入自动化控制模型进行测试，并将测试结果与实际操作数据进行比对，验证自动化控制模型控制的有效性。
一种汽化自控式LNG分布式能源物联网智能供气装置，用于实现上述的一种汽化自控式LNG分布式能源物联网智能供气方法，包括中央控制系统、LNG对外供气系统以及分别与中央控制系统连接的LNG灌装系统、LNG存储系统、LNG汽化系统、LNG调压系统、触控显示器与信息录入模块接口、程序下载接口、燃气泄漏报警器、数据存储模块和通信模块；LNG灌装系统与LNG存储系统连接；LNG存储系统与LNG汽化系统连接；LNG汽化系统与LNG调压系统连接；LNG调压系统与LNG对外供气系统连接；LNG灌装系统用于将外部液化天然气向物联网智能供气装置灌装；LNG存储系统用于储存液化天然气；LNG汽化系统用于将LNG存储系统储存的液化天然气进行汽化；LNG调压系统用于对汽化后的液化天然气进行气压调节；LNG对外供气系统用于将经过气压调节的液化天然气运送至外部用气设备进行供气。
具体的，所述LNG灌装系统包括依次机械连接的灌装接口、智能灌装控制阀和安全进液阀。
具体的，所述LNG存储系统包括低温储罐、压力传感器、液位传感器、LNG增压系统、LNG降压系统、手动出气阀和气罐安全阀；压力传感器与低温储罐机械连接，用于实时测量储罐内部压力；压力传感器与中央控制系统电性连接，向中央控制系统实时传输储罐压力；液位传感器与低温储罐机械连接并与中央控制系统电性连接，用于实时监测低温储罐内LNG的储量；手动出气阀与低温储罐机械连接，用于输出低温储罐内的LNG；气罐安全阀与低温储罐机械连接，当低温储罐内部压力异常，且高于预设值时，气罐安全阀自动开启，低温储罐对外排气降压；低温储罐分别与LNG增压系统、LNG降压系统连接。
具体的，所述LNG汽化系统包括LNG汽化器、温度传感器和出气电磁阀；LNG汽化器与手动出气阀机械连接； 温度传感器与中央控制系统电性连接；LNG汽化器与出气电磁阀机械连接；出气电磁阀与中央控制系统电性连接。
具体的，所述LNG调压系统包括调压器和压力传感器，调压器用于对汽化后的天然气进行调压；压力传感器与中央控制系统电性连接，用于监测调压后的压力。
本发明的有益效果：本发明通过构建基于BP神经网络的自动化控制模型，实现了对LNG灌装和汽化的自动化控制，节约了人工控制成本。同时本发明还设计了汽化自控式LNG分布式能源物联网智能供气装置，通过将装置和自动化控制模型的结合，可实时监测对外供气的流量状态，实现对外供气的自动化控制。
附图说明
图1是本发明的方法流程图；
图2是本发明的装置结构图
图3是实施例三的装置结构图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案精选以下详细说明。显然，所描述的实施案例是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，不能理解为对本发明可实施范围的限定。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的其他所有实施例，都属于本发明的保护范围。
实施例一：
本实施例中，如图1所示，一种汽化自控式LNG分布式能源物联网智能供气方法，包括以下步骤：
S1：数据预处理，采集历史LNG灌装和汽化操作的流程数据和设备参数，并进行规范化处理后形成数据样本库；
S2：特征提取，根据数据样本库分别提取灌装流程和汽化流程的参数特征和控制阈值，并进行人工标注得到灌装和汽化样本集；
S3：自控模型训练，构建BP神经网络模型，利用改进共轭梯度法对BP神经网络模型进行训练优化，获得自动化控制模型；
S4：供气自动化，将自动化控制模型设置到中央控制系统中，并将用户输入的指令输入自动化控制模型进行流程识别，根据识别结果自动控制设备进行灌装或汽化。
本实施例中，所述数据预处理过程具体包括：按照操作设备的名称对历史LNG灌装和汽化操作的流程数据和设备参数进行分类；对分类后的LNG灌装和汽化操作的流程数据和设备参数依次进行缺失值处理、离群值检测处理、标准化和特征编码；将处理后的LNG灌装和汽化操作的流程数据和设备参数存储到数据库形成数据样本库。
本实施例中，所述特征提取过程具体包括：基于数据样本库，分别提取出灌装流程和汽化流程中每个操作对应的设备参数特征值、设备故障特征值和控制阈值，并人工标注出设备参数特征值与控制阈值、设备故障特征值与控制阈值之间的控制关系，从而得到灌装样本集和汽化样本集。
本实施例中，所述自控模型训练过程具体包括：构建BP神经网络模型结构；计算神经网络各层神经元的输入、输出，将BP神经网络模型输出层的输出作为自动化控制模型的可调控制参数；根据灌装和汽化样本集进行神经网络学习，并按改进共轭梯度算法修正BP网络的权值和阈值，调整BP神经网络模型的加权系数，实现控制参数的自适应调整，获得自动化控制模型；采集实际灌装流程和汽化流程的设备参数和实际操作数据，将设备参数输入自动化控制模型进行测试，并将测试结果与实际操作数据进行比对，验证自动化控制模型控制的有效性。
其中，自动化控制模型将神经网络和PID控制策略相结合，具有神经网络自学习、自适应及逼近任意函数的能力。该控制器的算法采用共轭梯度法，它可以避免网络陷入局部极小点，同时加快网络的训练速度。并用这种改进的共轭梯度法对神经网络PID控制器参数实现在线修正。
实施例二：
本实施例中，如图2所示，设计了一种汽化自控式LNG分布式能源物联网智能供气装置，用于实现上述实施例一的一种汽化自控式LNG分布式能源物联网智能供气方法，装置包括中央控制系统、LNG对外供气系统以及分别与中央控制系统连接的LNG灌装系统、LNG存储系统、LNG汽化系统、LNG调压系统、触控显示器与信息录入模块接口、程序下载接口、燃气泄漏报警器、数据存储模块和通信模块；LNG灌装系统与LNG存储系统连接；LNG存储系统与LNG汽化系统连接；LNG汽化系统与LNG调压系统连接；LNG调压系统与LNG对外供气系统；LNG灌装系统用于将外部液化天然气向物联网智能供气装置灌装；LNG存储系统用于储存液化天然气；LNG汽化系统用于将LNG存储系统储存的液态液化天然气进行汽化；LNG调压系统用于对汽化后的液化天然气进行气压调节；LNG对外供气系统用于将经过气压调节的液化天然气对外部用气设备进行供气。
本实施例中，所述LNG灌装系统包括依次机械连接的灌装接口、智能灌装控制阀和安全进液阀。
本实施例中，所述LNG存储系统包括低温储罐、压力传感器、液位传感器、LNG增压系统、LNG降压系统、手动出气阀和气罐安全阀；压力传感器与低温储罐机械连接，用于实时测量储罐内部压力；压力传感器与中央控制系统电性连接，向中央控制系统实时传输储罐压力；液位传感器与低温储罐机械连接与与中央控制系统电性连，用于实时监测低温储罐内LNG的储量；手动出气阀与低温储罐机械连接，用于输出低温储罐内的LNG；气罐安全阀与低温储罐机械连接，当低温储罐内部压力异常，高于预设值时，气罐安全阀自动开启，低温储罐对外排气降压；低温储罐分别与LNG增压系统、LNG降压系统连接。
其中，LNG增压系统和LNG降压系统包括内置汽化器和升降压组合阀。内置汽化器用于储罐升、降压，升降压组合阀为机械阀，用于自动感应储罐压力并在预设压力值开启升压或降压通道。
升压或降压流程：根据需要通过升降压组合阀预设罐内低压或高压感应值，罐内压力低于或高于预设值时，升降压组合阀开启升压或降压通道，罐内液体依次经过内置汽化器、升压或降压通道，实现升压或降压。当升压或降压达到预设值范围内时，升降压组合阀自动关闭，升降压结束；
本实施例中，所述LNG汽化系统包括LNG汽化器、温度传感器和出气电磁阀；LNG汽化器与手动出气阀机械连接；温度传感器与中央控制系统电性连接；LNG汽化器与出气电磁阀机械连接；出气电磁阀与中央控制系统电性连接。
本实施例中，所述LNG调压系统用于实现对外供气前，对汽化后的天然气进行调压，并对调压后的供气压力进行监控。LNG调压系统包括调压器和压力传感器，调压器用于对汽化后的天然气进行调压；压力传感器与中央控制系统电性连接，用于监测调压后的压力。
燃气泄漏报警器与中央控制系统电性连接，用于监测装置内部是否存在燃气泄漏；若有泄漏，则向中央控制系统触发报警信号，由中央控制系统控制出气电磁阀关闭，停止供气。
中央控制系统还分别与数据存储模块、程序下载接口、通信模块电性连接。中央控制系统的各种处理数据均存储于数据存储模块；中央控制系统可通过程序下载接口实现内部密钥程序本地更新；中央控制系统通过通信模块实现与外部管理系统的通信，可将设备工作状态、安全状态等感知信息向管理系统传输，并获取管理系统的控制指令。
本实施例中，利用上述装置进行灌装的流程如下：
1、车辆软管连接灌装接口；
2、灌装工作人员通过触控显示器与信息录入模块接口录入灌装请求信息以及灌装车身份认证信息，中央控制系统获取录入信息并对灌装车进行本地身份认证；通过身份认证后，中央控制系统向智能灌装控制阀发送开阀指令，同时通过触控显示与信息录入模块反馈认证通过信息；
3、智能灌装控制阀完成开阀指令后，向中央控制系统反馈开阀状态，中央控制系统通过触控显示器与信息录入模块反馈开阀状态；现场工作人员手动打开安全进液阀，即可开始LNG灌装。
4、LNG灌装结束后，现场工作人员通过触控显示器与信息录入模块接口发送结束灌装指令，中央控制系统获取指令后，向智能灌装控制阀发送关阀指令，智能灌装控制阀关阀并反馈关阀状态。中央控制系统根据液位传感器传输的灌装前后的液位信息，计算本次灌装量，并通过触控显示器本地显示，通过通信模块向管理系统进行灌装数据传输。
实施例三：
本实施例中，如图3所示，在实施例二的基础上，对供气装置进行了改进，具体改进内容如下：
1、低温储罐对外出气的阀门由手动出气阀改为智能出气控制阀，与中央控制系统电性连接并接受控制；
2、LNG汽化系统增加了小型汽化储罐，可存储一定量汽化后的天然气，用于装置对外的稳定供气；
3、LNG对外供气管路系统包括流量传感器，用于实时监测对外供气的流量状态；
4、流量传感器监测到LNG对外供气管路系统存在对外供气流量时，智能出气控制阀、出气电磁阀等均处于开阀状态，装置持续对LNG进行汽化供气；
5、当流量传感器监测到LNG对外供气管路系统无对外供气流量时，中央控制系统向智能出气控制阀、出气电磁阀触发关阀命令，停止汽化，确保装置内管路系统安全；
6、当流量传感器监测到LNG对外供气管路系统无对外供气流量时，中央控制系统向智能出气控制阀、出气电磁阀触发开阀命令，装置开始LNG汽化；
7、将通信模块更换为内置网关，实现与外部管理系统的通信，可自行对供气装置对外传输的数据进行解析、分类、编码等预处理，或者对外部输入的通信数据进行解析、分类、编码等预处理，提高系统的处理能力，降低了中央控制系统的负荷。
本实施例中，供气装置设有内置网关，内置网关至少包括通信数据预处理模块、信息安全管理模块、通信模块；通信数据预处理模块与中央控制系统、信息安全管理模块电性连接，用于对中央控制系统对外传输的数据进行解析、分类、编码等预处理，以及对外部输入的通信数据进行解析、分类、编码等预处理后，再传输至中央控制系统。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种汽化自控式LNG分布式能源物联网智能供气方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：数据预处理，采集历史LNG灌装和汽化操作的流程数据和设备参数，并进行规范化处理后形成数据样本库，具体包括：按照操作设备的名称对历史LNG灌装和汽化操作的流程数据和设备参数进行分类；对分类后的LNG灌装和汽化操作的流程数据和设备参数依次进行缺失值处理、离群值检测处理、标准化和特征编码；将处理后的LNG灌装和汽化操作的流程数据和设备参数存储到数据库形成数据样本库；
S2：特征提取，根据数据样本库分别提取灌装流程和汽化流程的参数特征和控制阈值，并进行人工标注得到灌装和汽化样本集，具体包括：基于数据样本库，分别提取出灌装流程和汽化流程中每个操作对应的设备参数特征值、设备故障特征值和控制阈值，并人工标注出设备参数特征值与控制阈值、设备故障特征值与控制阈值之间的控制关系，从而得到灌装样本集和汽化样本集；
S3：自控模型训练，构建BP神经网络模型，利用改进共轭梯度法对BP神经网络模型进行训练优化，获得自动化控制模型，具体包括：构建BP神经网络模型结构；计算神经网络各层神经元的输入、输出，将BP神经网络模型输出层的输出作为自动化控制模型的可调控制参数；根据灌装和汽化样本集进行神经网络学习，并按改进共轭梯度算法修正BP网络的权值和阈值，调整BP神经网络模型的加权系数，实现控制参数的自适应调整，获得自动化控制模型；采集实际灌装流程和汽化流程的设备参数和实际操作数据，将设备参数输入自动化控制模型进行测试，并将测试结果与实际操作数据进行比对，验证自动化控制模型控制的有效性；
S4：供气自动化，将自动化控制模型设置到中央控制系统中，并将用户输入的指令输入自动化控制模型进行流程识别，根据识别结果自动控制设备进行灌装或汽化。
2.一种汽化自控式LNG分布式能源物联网智能供气装置，用于实现权利要求1所述的一种汽化自控式LNG分布式能源物联网智能供气方法，其特征在于，包括中央控制系统、LNG对外供气系统以及分别与中央控制系统连接的LNG灌装系统、LNG存储系统、LNG汽化系统、LNG调压系统、触控显示器与信息录入模块接口、程序下载接口、燃气泄漏报警器、数据存储模块和通信模块；LNG灌装系统与LNG存储系统连接；LNG存储系统与LNG汽化系统连接；LNG汽化系统与LNG调压系统连接；LNG调压系统与LNG对外供气系统；LNG灌装系统用于将外部液化天然气向物联网智能供气装置灌装；LNG存储系统用于储存液化天然气；LNG汽化系统用于将LNG存储系统储存的液态液化天然气进行汽化；LNG调压系统用于对汽化后的液化天然气进行气压调节；LNG对外供气系统用于将经过气压调节的液化天然气对外部用气设备进行供气。
3.根据权利要求2所述的一种汽化自控式LNG分布式能源物联网智能供气装置，其特征在于，所述LNG灌装系统包括依次机械连接的灌装接口、智能灌装控制阀和安全进液阀。
4.根据权利要求2所述的一种汽化自控式LNG分布式能源物联网智能供气装置，其特征在于，所述LNG存储系统包括低温储罐、压力传感器、液位传感器、LNG增压系统、LNG降压系统、手动出气阀和气罐安全阀；压力传感器与低温储罐机械连接，用于实时测量储罐内部压力；压力传感器与中央控制系统电性连接，向中央控制系统实时传输储罐压力；液位传感器与低温储罐机械连接与与中央控制系统电性连，用于实时监测低温储罐内LNG的储量；手动出气阀与低温储罐机械连接，用于输出低温储罐内的LNG；气罐安全阀与低温储罐机械连接，当低温储罐内部压力异常，高于预设值时，气罐安全阀自动开启，低温储罐对外排气降压；低温储罐分别与LNG增压系统、LNG降压系统连接。
5.根据权利要求2所述的一种汽化自控式LNG分布式能源物联网智能供气装置，其特征在于，所述LNG汽化系统包括LNG汽化器、温度传感器和出气电磁阀；LNG汽化器与手动出气阀机械连接； 温度传感器与中央控制系统电性连接；LNG汽化器与出气电磁阀机械连接；出气电磁阀与中央控制系统电性连接。
6.根据权利要求2所述的一种汽化自控式LNG分布式能源物联网智能供气装置，其特征在于，所述LNG调压系统包括调压器和压力传感器，调压器用于对汽化后的天然气进行调压；压力传感器与中央控制系统电性连接，用于监测调压后的压力。
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