用于监测调节气体流量的装置的方法和使用所述方法的调节系统与流程

本发明涉及一种用于监测调节气体流量的装置的方法，具体是用于减压器或用于流量控制阀，其为可用于例如用于压缩气体、具体是天然气分配的网络中的类型。

本发明还涉及一种采用前述方法的调节系统。

背景技术：

众所周知，天然气通过合适的分配网络分配到用户装置，该分配网络使到用户装置的输送压力尽可能地保持恒定，而不管网络的供应压力和所提供的流量。

通过调节系统确保输送压力保持在恒定水平，该调节系统可包括沿分配网络的管道定位的减压器，其将网络的供应压力降低到用户装置的所需值。具体地，减压器组件包括定位在管道中的可移动关闭件，以便限定引起前述压力降低的限制部。关闭件与机动化组件相关联，该机动化组件能够被操作以改变关闭件本身的位置。

调节系统还包括传感器组件，该传感器组件即时测量关闭件下游的气体压力。如果压力偏离预定的输送值，则机动化组件以移动关闭件的方式启动，以便改变压降直到使输送压力回到前述预定值。

根据已知的解决方案，机动化组件由命令装置(例如气动的)命令，该命令装置接收来自传感器组的信号并处理它们以发送能够控制机动化组件本身的信号。

根据其它解决方案，命令装置可以是电子的而不是气动的。

还已知减压器的关闭件随着时间的推移而磨损，因为在限制部中产生的气体的高速度。前述磨损主要影响关闭件本身的垫圈，通常由橡胶或其它合适的材料制成，以确保关闭件的气密性。前述磨损造成降低关闭件的气密性，这会导致减压器的操作稳定性降低和分配网络的安全条件恶化。

因此，为了确保分配网络的效率和安全性，必须对减压器进行定期维护以更换关闭件的橡胶垫圈。

例如，具有优先权日期1993年12月22日的专利申请ep0660017a1公开了一种用于气动阀的致动器的控制系统，包括用于测量阀的密封元件的磨损程度的装置，其连接到构造成其每当与磨损状态有关的特定输入信号等于或高于预定阈值时就发出警报信号的其它装置。

该系统的缺点在于，基于对阀的关闭件的位置的感测来推测与磨损状态有关的值，并且仅当与磨损状态有关的所述值超过阈值时才发出信号。

在现有技术中，前述定期维护是按特定的安全标准建立的预定时间间隔进行的。

前述现有技术的缺点在于，标准在不考虑每个减压器的实际运行历史的情况下，基于理论标准建立一次维护操作与下一次维护操作之间的时间间隔。

因此，在许多实际情况中，发现前述标准过于谨慎，并且当减压器仍然完全有效以及因此它仍然可以确保在某段时间内安全操作时，可以导致进行维护工作。

另一方面，也可能出现压力调节器的异常大量使用需要比计划的时间更早地进行维护。

在这种情况下，压力调节器的性能在进行维护工作之前会恶化，导致系统安全的可能风险。

类似的缺点适用于流量控制阀，其也包括以控制气体流量的方式命令的关闭件。

技术实现要素：

本发明旨在克服上述现有技术的缺点。

具体地，本发明的目的是提供一种监测方法，该方法能够估计用于调节气体流量的装置的关闭件的实际剩余寿命，其为可用于例如用于分配和运送压缩气体、具体是天然气的网络中的类型。

本发明的另一个目的是使前述监测方法能够使用与已知调节系统相同的装置来实现。

前述目的通过根据权利要求1的用于监测调节气体流动的装置的方法来实现。

前述目的还通过根据权利要求14的用于调节气体流动的系统来实现。

在相关的从属权利要求中提供本发明的其它特征。

有利地，估计调节装置的关闭件的实际剩余寿命的可能性使得能够进行必要的维护工作，具体是在实际需要时更换关闭件的密封垫圈。

具体地，如果调节装置的使用不比预期的严重，则本发明有利地使得能够相对于计划的时间推迟维护，从而减少相关的劳动力成本和调节系统的摊销成本。

相反，如果调节装置的使用比预期的严重，则本发明的方法有利地使得能够比计划的更早进行维护工作，从而限制安全风险。

同样有利的是，本发明的方法可以使用与已知调节系统相同的装置来实现的事实，使得能够以有限的成本在预先存在的调节系统上实现它。

附图说明

在下面对本发明的一些较佳实施例的描述过程中，上述目的和优点以及将进一步提及的其它目的和优点将是显而易见的，这些较佳实施例是借助于参考附图的非限制性指示给出的，附图中：

-图1示出了根据本发明的调节系统的示意图；

-图2是本发明的监测方法的框图；

-图3、4和5以图表形式示出了本发明方法的一些操作。

具体实施方式

用于监测调节气体流量的装置的本发明的方法在下面基于调节系统进行描述，该调节系统在图1中用标记13整体表示。较佳地，上述调节系统用在分配压缩气体、具体是天然气的网络中，以将至用户装置的气体的输送压力保持在恒定的水平。然而，在下文中显而易见的是，本发明的方法同样适用于能够控制气体流量的调节系统。

上述调节系统13包括调节装置1，该调节装置1限定了用于根据预定方向x传送气体的流动管道2。在流动管道2中定位有可变几何形状的关闭件组件3，其在流动管道2中限定设置有通道面积a的限制部4。具体地，限制部4在两个相对侧上由属于关闭件组件3的两个对应的密封边缘3a、3b界定，这两个密封边缘可以相互移动直到使它们彼此接触以闭合流动管道2。较佳地但不是必须地，一个或两个密封边缘3a、3b由橡胶制成，或者由具有类似密封性能的另一种弹性可变形的材料制成。

调节装置1还包括机动化组件8，以移动关闭件组件3，从而调节限制部4的通道面积a。较佳地，机动化组件8包括机动化室14，其中存在与关闭件组件3下游的压力相关的压力。机动化室14由隔膜15界定，弹簧16作用在隔膜15上，使得机动化室14中的压力变化引起隔膜15的运动。隔膜15也连接到关闭件组件3，使得前述压力变化引起关闭件组件3的两个密封边缘3a、3b之间的相互运动，以便改变限制部4的通道面积a。同样较佳地，机动化室14中的压力由命令装置9基于关闭件组件3下游的气体压力调节。具体地，命令装置9构造成启动机动化组件8，从而将该下游部段6中的压力保持在预定义的校准值。较佳地但非必要地，前述命令装置9包括气动先导部17。

还较佳地，第一密封边缘3a属于机械地连接到隔膜15的可动板20，例如借助于传动轴，而第二密封边缘3b与调节装置1的壳体成一体。

显然，上述机动化组件8、关闭件组件3和流动管道2的一部分整体上限定了本身已知类型的减压器18。

同样显而易见的是，本发明的方法可以应用于任何已知类型的调节装置1，其构造成控制气体的压力和/或流量。

调节系统13还包括用于测量调节系统13的一个或多个操作参数的传感器组件7。较佳地，前述传感器组件7包括根据预定方向x定位在关闭件组件3上游的流动管道2的部段5处的气体压力传感器，以及定位在关闭件组件3下游的管道2的部段6处的压力传感器和气体温度传感器。在本发明的实施例变型中，温度传感器也可以定位在上游部段5中。

调节系统13还包括控制逻辑单元10，其操作地与传感器组件7相关联并且设置有存储单元11和时钟12。

在图2中示意性地示出的本发明的方法包括定义时间间隔z1...zn序列。符号“z1...zn”表示一系列包括在z1和zn之间的n个时间间隔，其中z1和zn在时间上分别是第一个和最后一个，而其中i在1和n之间的zi是该系列的任何时间间隔，并在时间上，它紧跟在间隔zi-1之后并且它紧接在间隔zi+1之前。

在此规定序列的间隔z1...zn不一定在方法开始之前定义。相反，较佳地，每个间隔zi在前一时间间隔结束时时常地定义并且被添加到序列。类似地，数字n仅表示该方法被认为结束的序列的最后时间间隔，因此，在定义序列的时间间隔之前不需要定义它。

每个一般时间间隔zi延续相应的持续时间ti。在此规定，下文中将参考每个前述间隔定义的持续时间和其它量用与相应时间间隔相同的下标表示。

较佳地，持续时间t1...tn彼此相等。

还较佳地，定义时间间隔z1...zn使得一般间隔zi的结束与间隔zi+1的开始同时发生，使得时间间隔彼此跟随而没有中断。

该方法包括对于每个间隔zi估计限制部4处的气体的速度值vi和密度值di。

图3仅借助于示例的方式并且以定性的方式示出了对于属于系列z1...zn的每个一般时间间隔zi计算的速度vi和密度di的值的可能模式。虚线v和d表示前述点的对应插值。尽管每个速度vi和密度di都显示在相应的时间间隔zi的中心，但是该指示并不限制本发明，其在实施例变型中可以提供参考属于时间间隔zi的任何对应瞬间(包括其结束)计算的前述值vi和di。

随后，该方法包括根据以下公式计算速度vi的值、密度di的值、时间间隔zi的持续时间ti和校正系数ki的乘积以获得值ui：

ui＝vi·di·ti·ki(3)

前述公式(3)表示这样的事实：ui与乘积vi·di以及与间隔zi的持续时间ti成比例，而较少地校正系数kj。值得注意的是，该乘积与在间隔zi期间流动通过限制部4的气体总量的运动量有关。

如图4中所示，ui的每个值近似于在相应的时间段zi期间由附图中用虚线表示的瞬间磨损u的假设曲线所对向的区域。换句话说，每个ui的值表示在时间间隔zi期间曲线u的积分的近似值。

提交本发明的申请人已经观察到，在每个时间间隔zi期间，调节装置1的密封构件、即关闭件组件3的密封边缘3a和/或3b的磨损在很大程度上与如上所述的ui的相应值成比例。为此，该值ui将在下文中称为“等效磨损”。

关闭件组3的实际磨损与上述等效磨损之间的相应关系的精度显然取决于用于估计限制部4处气体的速度和密度的计算的精度，以及取决于时间间隔zi的持续时间ti。具体地，较短的持续时间造成较小的计算误差，因为在该间隔期间气体的压力和温度的变化以及因此在该间隔期间的速度和密度的变化通常随着该间隔的持续时间的增长而增长。另一方面，较长的间隔造成较少的频率和较少数量的测量，以及因此，它们使得能够使用不那么强大的仪器和计算装置。

如图5中所示，对于每个时间间隔zi，计算等效磨损的累积值cui，其与对于从z1到zi的时间间隔计算等效磨损u1...ui的所有值的总和相应。

如上所述，ui的值表示相应间隔zi的关闭件组件3的等效磨损，因此它们的总和表示从测量开始、即从第一时间间隔z1的初始瞬间开始的累积磨损。

该方法包括使用预定的比较方法将前述累积值cui与相应于关闭件组件3允许的最大磨损条件的预定义极值cu*进行比较，以获得关闭件组件3的效率条件的指示。

更具体地，前述极值cu*表示与基于所确定的安全标准评估的关闭件组件3达到的无效率相应的等效磨损。

基于上述比较的结果，操作者可以确定是否必须更换关闭件组件3，和/或可以获得其剩余持续时间的估计，从而实现本发明的目的之一。

较佳地，用于将累积值cui与预定义极值cu*进行比较的方法包括确定每个累积值cui是否超过预定义极值cu*的操作，较佳地向操作者报告该可能性。

根据本发明方法的不同实施例变型，累积值cui与预定义极值cu*的比较包括基于先前累积值cui的磨损曲线的定义，以及随后的在当前瞬间与上述磨损曲线与预定义极值cu*相交的瞬间之间的时间间隔的计算。因此，前述磨损曲线表示基于累积磨损的先前值的序列对累积磨损的未来模式的估计，并且能以任何已知的方式定义它，例如通过最小二乘法。

较佳地，将速度vi和密度di的值确定为在序列的每个时间间隔zi期间确定的一个或多个操作参数的函数。前述操作参数可以选自：分别在流动管道2的前述两个部段5、6中的气体的两个压力pi，1、pi，2的值之间；前述两个部段5、6中的一个中的气体的温度ti的值，例如在下游部段6中；沿着流动管道2的气体的体积流量qvi以及限制部4的通道面积ai的值。

较佳地，通过借助于调节系统13的传感器组件7进行的其测量来确定前述操作参数的一个或多个。此外，可以通过计算基于其它操作参数的对应值来确定前述操作参数的一个或多个。

根据本发明的实施例变型，使用前述两个压力值pi，1、pi，2、温度ti和体积流量qvi的值的对应函数来计算速度vi和密度di的值，即：

vi＝f1(pi，1，pi，2，ti，qvi)(1)

di＝f2(pi，1，pi，2，ti，qvi)(2)

应当注意，函数f1和f2不一定是该术语最常见含义的函数，而是也可以是数值算法，只要它们使用pi，1、pi，2、ti，、qvi的值作为输入变量，它们产生vi和di作为输出值。

显然，根据本发明的实施例变型，用于计算vi和di的值的操作参数可以与前述的操作参数不同。例如，在实施例变型中，采用通道面积ai的值来代替压力pi，1和pi，22的值之一。

较佳地但非必要地，前述速度vi和密度di的值表示限制部4处的对应气体量的平均值。根据本发明的变型，前述值是密封边缘3a或3b处的值或其平均值。

关于校正系数ki，它较佳地等于1。然而，在本发明的实施例变型中，ki可以采用除1之外的值。

具体地，ki能根据调节装置1的类型而变化。替代地，或者与刚刚陈述相结合，ki也可以根据例如前述压力pi，1和pi，22、温度ti以及流量qvi的操作参数在每个时间间隔zi处计算。

较佳地，上述计算由控制逻辑单元10执行，控制逻辑单元10接收由传感器组件7测量的数据。如果控制逻辑单元10位于调节装置1的紧邻区域，数据的接收可以借助于与传感器组件7的直接电连接一般地进行，或者它可以借助于无线电波进行，在这种情况下，控制逻辑单元10可以远程定位。

此外，控制逻辑单元10设置有适当的装置，用于在每个时间间隔zi处计算速度vi和密度di的相应值，以及速度vi的值、密度di的值、持续时间ti和校正系数ki的乘积，以获得等效磨损ui的相应值。

具体地，控制逻辑单元10使用时钟12来计算每个间隔zi的持续时间，并且用于确定何时确定操作参数(例如，压力pi，1，、pi，2、温度ti、以及计算函数f1和f2所需的任何其它参数的测量)的值。

控制逻辑单元10还构造成计算每个时间间隔zi的累积值cui，以将其与存储在存储单元11中的极值cu*进行比较，并且如果累积值cui超过极值cu*则发出前述信号。

较佳地，控制逻辑单元10包括用于将累积值cui存储在存储单元11中的装置，以便能够将它用作计算后续间隔zi+1的累积值cui+1的基础。有利地，这避免了必须存储等效磨损ui的所有值并因此它限制了存储器利用。

根据实施例变型，控制逻辑单元10可以包括用于在存储单元11中存储每个时间间隔zi的等效磨损ui的值，并且可能将它们添加到先前值以获得每个累积值cui的装置。

根据另外的实施例变型，控制逻辑单元10可以包括用于在存储单元11中存储操作参数的一个或多个值的装置，操作参数的一个或多个值例如为每个间隔zi确定的压力pi，1、pi，2和温度ti和/或体积流量qvi、速度vi、密度di以及通道面积ai的值或者关闭件3的构造的代表性参数。

将每个间隔zi的各种参数存储在存储单元11中使得能随时间对调节装置1的操作进行分析。

关于累积值cui的计算、其与极值cu*的比较以及相关信号的可能发射的这些操作较佳地在确定操作参数(例如在每个间隔zi期间的压力pi，1、pi，2、温度ti和体积流量qvi)的值之后立即发生。

前述信号较佳地通过连接到控制逻辑单元10的通信装置21发出。在这种情况下，提供接收器装置(附图中未示出但本身已知)能够使信号对操作员可用。通信装置21能借助于任何已知类型的信号与接收器装置通信，具体是借助于模拟或数字无线电信号。

替代地或与前述通信装置21组合，控制逻辑单元10可以集成未在附图中示出的信号发送装置，能够使信号对存在于控制逻辑单元10自身附近的操作员可用。前述信号器装置可包括显示器、灯指示器、声音指示器或能够以任何能够使操作员可用的形式再现上述信号的任何其它类型的装置。

根据本发明的另一实施例变型，前述通信装置21可用于传输从传感器组件获取的气体数据。

关于用于计算速度vi和密度di的算法，包括例如前述函数f1和f2，对于每种类型的调节装置1可以通过实验室测试和/或通过在计算机上实现的计算流体动力学算法确定它。

关于体积流量qvi的确定，可以将其计算为相应时间间隔zi期间的压力pi，1、pi，2，，温度ti和限制部4的通道面积ai的值的函数。接着，通道面积ai的值可以作为关闭件组件3的构造的函数来计算，例如通过属于传感器组件7的位置传感器可检测。

前述计算可以借助于本身已知且参考标准中规定的公式进行。例如，qvi可以表示为每个压力调节器的气体压力和系数cgi特征的函数，其依次是关闭件3的打开程度的函数，根据比例关系：

qvi∞cgi·pi，1

或根据比例关系：

qvi∞cgi·pi，1·sin{k·√[(pi，1-pi，2)/pi，1]}

替代地，体积流量qvi可以在相应的时间间隔zi期间借助于本身是已知的流量或体积测量装置沿流量管道2测量。

应当注意，上述用于本发明方法的所有操作都可以由包括控制逻辑单元10、存储单元11和时钟12的任何控制装置来执行。这种类型的控制装置是已知的并广泛用于控制天然气分配网络，以及因此，通过软件更新、无需任何结构修改它就能适用于前述方法的实施，从而实现了本发明的另一个目的。

具体地，有利地，前述软件更新可以在已经安装的命令装置上直接在现场执行。

显而易见的是，该方法也可以用在不包括上述类型的控制装置的分配网络上。在这种情况下，向该网络添加适合于执行该方法的控制装置和/或任何尚未存在的传感器就足够了。

关于预定义的极值cu*，较佳地借助于来自已经安装在现场的调节装置的数据集合来确定它。

替代地，可以在实验室中确定预定义的极值cu*，设立设有操作地等效于待监测的调节装置1的测试装置的测试台。术语“操作地等效”是指一种测试装置，其对于相同的条件和操作构造，对于关闭件的相同的打开，在由待监测的调节装置1产生的气体上产生相同的变换，特别是相同的压降。较佳地，测试装置是与待监测的调节装置等同的调节装置。

然后使气体传送通过测试装置的关闭件组件3。在前述传送期间，预定的压力和温度条件保持在测试装置的流动管道2中，在关闭件组件3的上游或下游。

对于预定时刻序列的每个时刻，并且从第一时刻开始，在流动管道2的部段上测量压力，其相对于关闭件组件3定位在与其中保持了前述预定条件的那个相对的侧部上。此外，监测指示测试装置的效率的控制参数。

当在第二时刻，前述控制参数达到预定的参考值，代表测试装置无效率的条件时，获得在第一时刻和第二时刻之间流动通过该测试装置的限制部4的总气体的密度乘以速度的乘积的计算。前述气体的速度和密度值是作为前述预定的压力和温度条件、在前述时刻中测量的压力和限制部4的通道面积a的函数计算的。

随后，将前述乘积乘以预定系数以获得极值cu*，其表示相应于调节装置1的效率不再可接受的条件的等效磨损。

关于前述控制参数，它可以与在流动管道2的部段上测量压力一致，其相对于关闭件组件3定位在与其中保持了前述预定条件的那个相对的侧部上。测试装置达到无效率的条件可以通常定义为其中测量的磨损率使得影响压力调节器的正确功能的条件。

鉴于以上，可以理解，上述调节方法和系统实现了本发明的所有目的。

具体地，与流动通过限制部的气体的密度和速度的乘积成比例的等效磨损的计算在从初始瞬间开始的时间间隔期间被积分，使得能基于调节装置的关闭件的实际使用实时估计其剩余寿命，以及因此，当实际需要时，能够进行必要的维护工作。

此外，借助于简单地调整控制逻辑单元的软件，前述方法可以在包括控制逻辑单元和传感器组件的已知调节装置上实现，即使它们已经安装。