一种低压管网温-压自适应保护系统及方法与流程

[0001]
本发明属于天然气民用供气管网保护技术领域，具体涉及一种低压管网温-压自适应保护系统及方法。


背景技术：

[0002]
天然气民用供气在我国的推广已经十分广泛，特别是近年来北方城市及农村的煤改气工程，大大助推了天然气的民用事业。
[0003]
目前，天然气民用供气通常是采用集中调压后、低压供气入户的方式，供气压力按国家标准为：2.4kpa。在调压设备与各用户之间的低压管道容积不变的前提下，当环境温度发生一定的温差变化时在该低压管道固定容积中，天然气会受温差影响产生较大的气压值变化。此气压值变化，易导致超压而造成用气安全隐患。
[0004]
但是针对上述问题，现有的城市管道应用中并没有专门性的解决方案，只是在低压管网上游的区域调压设备中设置了微量放散阀，仅用于监测区域调压设备的出站气压，并不能解决低压管道容积中气压因温度变化而改变的问题。这样会将低压管道的超压风险转嫁至用户端，居民用户在开启炉灶瞬间，可能因超压而发生火焰脱焰甚至爆燃的情况，轻则影响用户体验、重则出现安全事故。如图1所示，一旦低压管网出现超压，则会危及下游所有终端用户的安全。


技术实现要素：

[0005]
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种低压管网温-压自适应保护系统及方法，对低压管网出现超压风险工况进行泄放以保证低压管网及后端用户的用气安全，同时判定超压风险发生的原因，从而实现低压管网的安全保护和超压诊断。
[0006]
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
[0007]
本发明首先公开了一种低压管网温-压自适应保护系统，包括：
[0008]
放空立管，设于低压管网的主管路上；
[0009]
监测单元，用于实时监测所述主管路的气压和温度；
[0010]
控制单元，用于采集所述监测单元的实时气压、温度值并与预设值进行计算判定；及
[0011]
执行单元，设于所述放空立管上且与所述控制单元电性连接、用于所述主管路的放空泄压；
[0012]
其中，所述预设值包括初始温度值、初始气压值及超压临界值，当所述实时气压值大于所述超压临界值时，所述控制单元控制所述执行单元开启所述放空立管泄压以实现低压管网的安全保护；并且所述控制单元根据所述初始气压值、实时气压值及实时温度值得到超压温度值，以对低压管网进行超压诊断和发出远程报警。
[0013]
在本申请公开的一个实施例中，所述放空立管与所述主管路连通，所述监测单元安装在与所述放空立管连通的支路上。
[0014]
在本申请公开的一个实施例中，所述监测单元由压力变送器和温度变送器组成，所述压力变送器和温度变送器分别与所述控制单元电性连接。
[0015]
在本申请公开的一个实施例中，所述控制单元为系统控制器，所述系统控制器内置有采集模块、存储模块及计算模块，所述采集模块对所述压力变送器和温度变送器的实时监测数据进行采集并传送给所述存储模块记录；所述计算模块比对所述实时气压值和超压临界值、算出超压温度值，并发出指令给所述执行单元执行。
[0016]
在本申请公开的一个实施例中，所述执行单元为电磁阀。
[0017]
在本申请公开的一个实施例中，还包括供电单元，为所述控制单元单独提供电力。
[0018]
在本申请公开的一个实施例中，所述供电单元包括依次电性连接的太阳能光伏板、供电控制器及蓄电池组；所述控制单元通过直流配电器与所述供电控制器电性连接。
[0019]
在本申请公开的一个实施例中，所述执行单元前后的放空立管上分别安装有手动阀门，所述手动阀门在所述执行单元正常工作时处于常开状态。
[0020]
本发明还公开了一种低压管网温-压自适应保护方法，包括以下步骤：
[0021]
s1、监测低压管网的实时气压和温度值；
[0022]
s2、判定实时气压值是否超过超压临界值；
[0023]
s3、若是，执行低压管网放空泄压和超压诊断；若否，返回执行第一步。
[0024]
在本申请公开的一个实施例中，所述超压诊断包括以下步骤：
[0025]
s4、根据初始气压值、实时气压值及实时温度值得到超压温度值；
[0026]
s5、对比超压温度值与初始温度值是否不超过允许范围；
[0027]
s6、若是，继续执行低压管网放空泄压；若否，发出远程报警。
[0028]
通过上述技术方案的启示可知，可归纳出本发明的有益效果是：
[0029]
通过本发明，可以对低压管网的气压和温度进行实时监测，并根据监测数据自动对超压风险工况进行释压以保证低压管网及后端用户的用气安全，同时通过温-压方程算法判定超压风险以及超压发生的原因，从而实现低压管网的安全保护和超压诊断。
附图说明
[0030]
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0031]
图1为现有低压管网示意图；
[0032]
图2为本发明的工艺流程图；
[0033]
图3为本发明的逻辑控制图。
具体实施方式
[0034]
在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
[0035]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“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。
[0036]
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。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在本发明中的具体含义。
[0037]
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。
[0038]
下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
[0039]
参见图2所示，本发明申请实施例所公开的一种低压管网温-压自适应保护系统，包括：
[0040]
放空立管20，设于低压管网的主管路10上；
[0041]
监测单元30，用于实时监测主管路10的气压和温度；
[0042]
控制单元40，用于采集监测单元30的实时气压、温度值并与预设值进行计算判定；及
[0043]
执行单元50，设于放空立管10上且与控制单元40电性连接、用于主管路10的放空泄压；
[0044]
其中，预设值包括初始温度值、初始气压值及超压临界值，当实时气压值大于超压临界值时，控制单元40控制执行单元50开启放空立管10泄压以实现低压管网的安全保护；并且控制单元40根据初始气压值、实时气压值及实时温度值得到超压温度值，以对低压管网进行超压诊断和发出远程报警。
[0045]
以下结合理想气体状态方程式对本发明作进一步详细的解释和说明。
[0046]
1、温-压关系的方程式推导
[0047]
理想气体状态方程式为：pv＝nrt
[0048]
其中，p——气压(绝对压力)
[0049]
v——容器的几何容积(即管道的水容积)
[0050]
n——物质的摩尔量(即相同组分气质下，摩尔量相等)
[0051]
r——普适气体常数(即相同组分气质下，常数相等)
[0052]
t——热力学温度(开氏温度，1个热力学温度为：273℃)
[0053]
根据理想气体状态方程，可以推导出温-压关系的方程式为：
[0054][0055]
从式
①
可知，在相同组分的天然气气质下，天然气在不同时段时，其摩尔量n是相等的，在相同的管道配置下，其管道几何容积v是相等的，r为常数，即为定值，则式
①
中气压p与温度t成正比关系，即温度t越高，则气压p也越高。
[0056]
可进一步推导方程式为：
[0057][0058]
其中，p
1
——工况1的气压值(绝对压力)
[0059]
p
2
——工况2的气压值(绝对压力)
[0060]
t
1
——工况1的热力学温度(开氏温度，1个热力学温度为：273℃)
[0061]
t
2
——工况2的热力学温度(开氏温度，1个热力学温度为：273℃)
[0062]
根据热力学温度与摄氏温度的关系可得：t＝273+t
[0063]
其中，t为摄氏温度℃，则式
②
可推导为：
[0064][0065]
根据式
③
可推导出计算气温变化后气压值的方程式：
[0066][0067]
根据式
③
可推导出计算工况2气温的方程式：
[0068][0069]
2、实例计算验证
[0070]
低压管网通常处于常温之下，故在常温中取3个温度值0℃、10℃、20℃作为工况1的温度(即t
1
)，以实例计算可造成低压管网超压的预警值。
[0071]
工况1的气压按标准规定值2.4kpa计，鉴于民用天然气超压设定系数通常按1.5倍，故超压上限按2.4*1.5＝3.6kpa计。在气体状态计算中，气压值为绝对压力，而上述2.4kpa、3.6kpa均为表压，则在计算中需加上1个标准大气压转换为绝对压力值，1个标准大气压取值按101kpa计。
[0072]
即：
[0073]
p
1
＝101+2.4＝103.4kpa
[0074]
p
2
＝101+3.6＝104.6kpa
[0075]
t
1
分别按0℃、10℃、20℃计算工况2的t
2
值。
[0076]
2.1、t1＝0℃时的计算
[0077]
将已知参数代入式
⑤
，得：
[0078][0079]
2.2、t
1
＝10℃时的计算
[0080]
将已知参数代入式
⑤
，得：
[0081]
[0082]
2.3、t
1
＝20℃时的计算
[0083]
将已知参数代入式
⑤
，得：
[0084][0085]
根据3次计算结果，计算发生的温度差如下：
[0086][0087][0088]
根据上述3次计算，可明显看出在固定容积的低压管网中，当气温升高3℃以上时，天然气的气压就会有超压的风险。
[0089]
在实际运行中，气温发生3℃以上变化的情况并不难出现，例如夜间气温与午间气温，若夜间时气压为2.4kpa，则午间气温一旦升高3℃以上，则午间气压则可能发生超压。
[0090]
因此，该计算已足够证明低压管网在不采取任何保护措施的情况下，气温上升一定值后，是很容易造成超压现象的，在一定时间段内的持续超压容易导致民用用气的安全隐患。
[0091]
上述的低压管网温-压自适应保护系统是基于上面式
④
和式
⑤
的推导演算作为内嵌计算基础的智能保护系统，可以根据温度或者气压作为监测值进行系统保护、诊断超压发生的原因，并根据超压原因作出不同的报警。
[0092]
具体地，参见图2所示，相较于现有技术，本发明申请在低压管网的主管路10上增加了一根与其连通的放空立管20，并通过安装在与放空立管20连通的支路上的监测单元30对低压管网主管路10的气压和温度进行实时监测，监测单元30由分别与控制单元40电性连接的压力变送器31和温度变送器32组成；控制单元40为系统控制器，通过系统控制器采集压力变送器31和温度变送器32的实时数据，并自行根据内嵌公式和初始数据对当前气压和温度进行计算判定，执行以下逻辑：
[0093]
1、安全保护逻辑
[0094]
该逻辑原理是：根据压力变送器31监测的当前工况实时气压，与超压临界值(如3.6kpa)进行对比，当实测工况气压超过超压临界值时，系统控制器将控制作为执行单元50的电磁阀打开，对低压管网进行放空泄压，以适时解除低压管网超压问题，直到管网内气压恢复到正常运行值(如2.4kpa)，再自动关闭电磁阀，以实现最常规的管网超压安全保护。
[0095]
当然，这里的执行单元50也可以选用其他类型的自动控制阀来实现对放空立管20的开关。
[0096]
2、超压诊断逻辑
[0097]
该系统除安全保护外，可通过系统计算对低压管网的超压情况进行诊断，以判定超压是否因温度变化引起，若为温度引起则做自适应保护，若非温度引起则做气压状态异常报警。
[0098]
当超压发生时，一旦排除了温度变化的因素，则说明是上游调压设备出现了超压
故障，若不及时排除故障则将导致低压管网长时间持续处于超压状态，在此时间段内居民使用燃气时，会有非常大的安全隐患。
[0099]
在系统判定为上游超压后，及时向相关责任单位或人员进行实时报警，则可及时有效地对上游超压情况进行上报，以便及时排除安全隐患。
[0100]
判定逻辑为：
[0101]
1)在运行调试时，将低压管网的设定气压值作为初始气压值p
1
进行记录，并通过温度变送器32测量当前温度值作为与p
1
对应的初始温度值t
1
并进行记录。
[0102]
2)系统测试到低压管网发生超压时，按以下式
⑥
进行计算。
[0103]
根据式
⑤
可得：
[0104][0105]
当系统监测到低压管网中气压值超过超压临界值时，将实测的工况气压p
2
和工况温度t
2
以及初始气压值p
1
代入式
⑥
，得到超压温度值t
1
′
，并将超压温度值t
1
′
与已记录的初始温度值t
1
进行对比，当二者之差不超过允许范围时(温差允许范围是根据仪表精度等因素进行评估设定的，如5％等)，说明该超压情况是由温度变化造成；若二者之差超过了允许范围，说明该超压情况并非由温度变化造成，则判定为上游发生的超压导致了低压管网超压，系统将立即发出远程报警，通知相关人员对上游设施进行检查，以及时根除安全隐患。
[0106]
系统控制器内置有采集模块、存储模块及计算模块，采集模块对压力变送器31和温度变送器32的实时监测数据进行采集并传送给存储模块记录；计算模块内嵌上述式
④
、
⑤
、
⑥
等计算公式，比对实时气压值和超压临界值、算出超压温度值，并发出指令给执行单元20执行，从而实现低压管网的安全保护和超压诊断。
[0107]
所述的低压管网温-压自适应保护系统还包括供电单元60，为控制单元40单独提供电力，可解决安装环境的供电条件问题，不受供电影响。具体地，供电单元60包括依次电性连接的太阳能光伏板61、供电控制器62及蓄电池组63，它们共同组成一个太阳能供电系统，可在任意环境条件下进行安装使用；控制单元40通过直流配电器64与供电控制器62电性连接。
[0108]
为了方便执行单元50的检修和更换，执行单元50前后的放空立管20上分别安装有手动阀门，手动阀门在执行单元50正常工作时处于常开状态。
[0109]
通过以上描述，参见图3所示，可以归纳出低压管网温-压自适应保护方法主要包括以下步骤：
[0110]
s1、监测低压管网的实时气压和温度值；
[0111]
s2、判定实时气压值是否超过超压临界值；
[0112]
s3、若是，执行低压管网放空泄压和超压诊断；若否，返回执行第一步。
[0113]
所述超压诊断分别按以下步骤进行：
[0114]
s4、根据初始气压值、实时气压值及实时温度值得到超压温度值；
[0115]
s5、对比超压温度值与初始温度值是否不超过允许范围；
[0116]
s6、若是，继续执行低压管网放空泄压；若否，发出远程报警。
[0117]
综上所述，通过本发明，可以对低压管网的气压和温度进行实时监测，并根据监测
数据自动对超压风险工况进行释压以保证低压管网及后端用户的用气安全，同时通过温-压方程算法判定超压风险以及超压发生的原因，从而实现低压管网的安全保护和超压诊断。
[0118]
上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。