用于输气管线的压力设定法的制作方法

专利名称：用于输气管线的压力设定法的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种设定连接到配气网的管线上的备用气源
的设定点压力的方法，和任选地，用于设定待保持在管线自身中的目 标压力。更具体地说，本发明涉及这种设定设定点压力和目标压力的 方法，其中压力根据管线内的压降和连接到管线上的用户的合同要求 连续设定。
背景技术：
气态产品可以通过用配气网供应到用户，所述配气网包括 将气态产品供应给用户的管线，连接到用来产生气态产品的管线上的 生产设施和备用气源，所述备用气源也连接到管线上，以便用气态产 品的备用气源馈送给管线。每个生产设施当在该设施中生产多种产品时，可以具有一 个以上管线。此外，在每个设施内，可以有一系列生产设备。例如， 生产设施可以包括一个或多个低温空分设备，所述一个或多个低温空 分设备可以将氧气和氮气产品馈送到相应的氧气和氮气管线中。可供 选择地，产品可以是氢气。在这种情况下，氢气可以通过含烃加工原 料的蒸汽曱烷重整法生产，上述含烃加工原料通常是生产合成气的天 然气。合成气可以经受水煤气转换反应，以便增加氢含量，和随后通 过压力才罢动吸收单元(pressure swing absorption unit)将氢产物与合成 气分离。气态产品通过位于生产设施内的产品压缩机引入管线中。 生产设施包括自动化控制装置，以便控制气态产品的生产和管线压 力，使管线压力保持在管线内的目标压力下。保持管线压力是很重要 的，因为每个由管线供应的用户都具有一最小的合同供应压力，所述 最小的合同供应压力构成在用户连接到管线上的点处由生产者保证 的压力。为了补偿特殊的用户需要或者生产设施或包含在生产设 施中的其中一个生产机组停机，倘若管线压力降至低于设定点压力， 则备用气源提供备用气态产品源给管线。在常压配气情况下，备用气体源通常是作为液体产品储存。当需要时，汽化器将液体产品汽化， 并将产生的气体馈送到管线。备用气源通常具有一阀，所述阀由连接 到管线上的压力控制器驱动，当管线压力降到低于设定点压力时，上 述压力控制器就打开阀，上述设定点压力通常设定在恒定水平下。自动化控制装置用于配气网的例证可以在美国专利 No.6697713中发现，其中 一种或多种气态产品的生产由 一个或多个空 分设备控制，以便使管线保持在目标压力下。为了达到这个目的，设 置一管线控制器，所述管线控制器根据模型表述的控制起作用。气态 产品例如氧气和氮气的生产率用作控制变量。将从用户抽取的产品的 流速向变量馈送。所有这些变量都通过基于经验上的步骤与响应模型 有关，所述模型累积式用来预测管线压力的改变和优化的成套控制动 作，所述成套控制动作用来改变各设备的生产，以便将管线压力保持 在目标范围内。倘若管线压力降到低于预定的设定点压力和排放气态 产品使管线压力超过允许的管线压力，则瞬时的瞬变通过从备用气态 产品源加另外的气态产品到管线中进行处理。在配气网中，理想的是尽量减少生产成本。在分配常压气 体的配气网情况下，生产成本直接与操作生产中使用的每个空分设备 的能量成本有关。在空分设备中，将空气压缩和冷却到它的露点下或 露点附近，而然后在蒸馏塔内蒸馏，以便生产氧和氮气态产品。因此， 压缩机的功耗是这种设备的主要生产成本。此外，产品压缩机提供产 品在馈送到管线中之前压缩的另外成本。液体产品，尤其是在空分设备生产的液氧的情况下，是增 加价格的产品，它们比生产气态产品更昂贵。由于时常是管线压力是 在备用气源的设定点压力下或甚至低于设定点压力，而因为低的用户 需要仍然把气态产品以合同压力供应给用户，所以将备用气源的设定 点压力设定在恒定水平下可能导致过多消耗液体产品。因此，在这种 情况下供应备用气态产品显示不必要的高代价。在如上所述的重型自动化系统或甚至需要不断的操作人 员介入控制生产的半自动系统中，产品必须在特定的目标压力下或者 在必须保持的压力范围内馈送到管线，以便满足合格的用户需求，并 保持最小合同供应压力供给用户。该压力将高于备用气源的设定点压 力。通常，压力设定在保证最小供气合同压力的水平下，所述最小供气合同压力根据过去的用户需求保持。当用户需求低时，该压力也可 能时常是在不必要的高水平下。这导致在操作配气系统时不必要的生 产高成本。如下所述，本发明提供一种设定设定点压力的方法，在上
述设定点压力下正在进行的基础上供应备用气态产品，以便有助于防 止过多消耗备用的气态产品，且任选地可以设定目标压力，管线压力 待保持在所述目标压力下。 发明提要本发明涉及一种i殳定备用气源i殳定点压力的方法，以<更若 管线压力降至低于设定点压力则把气态产品供应给管线。管线将气态 产品分配给连接到管线的用户。按照本发明，连续地经过计算时间间隔计算所要求的用户 场所压力。这种计算通过测量气态产品到每个用户的流速进行。沿着 管线和在生产设施与每个用户之间对每个用户计算一系列压降。每个 压降是到每个用户气态产品的流速及用户场所处管线内压力和温度 的函数。优选的是，温度和压力是在每个用户场所处进行测量，并在 计算每个压降时使用。加到一系列压降中每个压降上的是最小的合同规定的供 气压力，以便确定所要求的用户场所压力。在计算所要求的用户场所 压力完结时，将备用气态产品气源内设定点压力设定到等于具有最大 幅度的场所压力。温度和压力可以在每个用户场所处测量，和然后在计算每 个压降时使用。每个压降根据气态产品到每个用户的质量流进行计
"
管线和备用气源是配气网的一部分，所述配气网还具有生 产设施，用于用在目标压力下的气态产品供应管线。由用户对气态产 品需求的变化产生在管线内高压和低压的周期性变化。目标压力可以
在设定备用气源的设定点压力时，设定等于设定点压力与管线内平均 的高压和低压二者的差值除以2之和。生产设施可以是一个或多个低温空分设备，而气态产品可 以是由低温空分设备所生产的常压气体。常压气体可以是氧气或氮
气
如可以理解的，在任何规定的时间里，备用气态产品输送 时的设定点压力将随着用户的需求而改变，因此若管线压力瞬时下 降，则管线压力将保持在足够满足合同的气体供应要求的水平下。因 此设定点压力不是在可能相当于人为地高恒定压力下，所述高恒定压 力时常产生将不必要的气态产品供应到管线。管线的目标压力也可以 形成随用户需求而变。因为将由平均的高压和低压所形成的常数加到 设定点压力上以便达到管线目标压力，所以目标压力将高于备用气源 的设定点压力，也跟着变化，因此对生产设施不设定过高的目标压力 超过任何时候所需的那些压力。
附图简介尽管说明书以权利要求结束，所述权利要求书清楚地指出 申请人:认为是他们的发明的主题，但可以认为，本发明当采用附图时 将更好理解，其中

图1是包括按照本发明所述方法的配气网的示意图；
图2是在计算目标和设定点压力时所用的计算机程序的逻 辑流程图；图3是典型用户管线需求流型的图解表示；和
图4是由图2所示的用户管线需求流量所产生的最终管线 压力分布型式的图解表示。 i羊细i兌明参见图1，图1示出配气网1，所述配气网1具有生产设 施10,该生产设施10生产和馈送气态产品到管线12供用户14， 16, 18使用。生产设施10具有一个或多个生产单元20，为举例说明起 见，上述一个或多个生产单元20可以是一个或多个低温空分设备。 然而，应该注意，本发明对其它类型管线，例如氢管线具有适用性。在低温空气设备中，将空气压缩和然后冷却到它的露点下 或露点附近，此后引入一双塔系统，所述双塔系统具有较高压力塔和 较低压力塔，二者在操作上以传热关系相关，以便随后精制空气，产 生气态的氧气和氮气产品，并且也可能是液态氧和液态氮产品。另夕卜， 为了举例说明起见，假定生产单元20供应气态氧流22到管线12。如 果例如有更多的管线或者运送不同产品的管线，则下面相对于所示的实施例说明的本发明适用于其中每个管线。尽管未示出，但生产单元20通常是通过自动控制系统如 监控系统控制，所述监控系统利用监控和数据获得程序。有各种不同 的在这些控制系统中应用的控制方案，所述控制系统在该技术中众所 周知。馈送到这些监控系统的生产要求也控制空分设备的生产。生产 要求由控制器24产生，所述控制器24对压力信号26产生响应，该 压力信号26与管线12中的压力有关，通过压力传感器28传送。控 制器26设定这些生产要求，以便使管线12中的管线压力保持在目标 压力下。在控制空分设备中所利用的无论是控制器26还是监控系统 都不形成本发明的一部分。然而，应该提及，空分设备的控制器26 和监控系统可以是上述美国专利No. 6697713中所陈述的深度 (heavily)自动化网络。在另一极端下，控制器24可以应用单独的 操作员干预，以便通过简单地读出对压力信号26响应并表示压力的 指示器将管线压力保持在目标压力下，和人工设定空分设备的生产来 保持预定的目标压力。生产设施10还具有备用气源30。备用气源30包括液体罐 和汽化器，上述液体罐保持供应液体形式的管线产品，例如液氧，而 上述汽化器用来当备用产品气体也送到管线12时将液氧汽化成氧备 用气流32。压力传感器28还产生信号36,所述信号36由管线压力 引起。压力控制器38可以是比例积分微分控制器，所述压力控制器 38对信号36产生响应，并且当管线12内的压力降到低于压力控制器 38的^殳定点压力时，通过连4妻部分40打开阀34。另外，保证向用户14, 16， 18供应的最小压力订有合同。 在过量用户需要情况下，或者在生产单元20部分停产的情况下，管 线12内的管线压力可能降到低于合同界限。在这种情况下，阀34打 开，以便供应氧备用气流32到管线12。因为在氧备用气流32中所含 的气态氧是由生产单元20生产的液氧所增加的价值，所以使用备用 气源30增加了运行的昂贵费用。通常，在现有技术中，这个压力是 根据过去的用户需要和运行经验设定在确定的恒定压力水平处，以便 满足用户合同规定的供气压力。这种恒定的压力可以在任何规定的时 刻都不要求满足实际用户需要。结果，可以将多余的备用气体供应到 管线12。
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通常，在现有技术中，管线12内待保持的目标压力是保 持能保证每个用户需要的合同压力的那个压力。若用户需要减少，则
生产单元20的生产也减少，以便将目标压力保持在恒定的压力水平。 然而，如果目标压力设定在恒定压力水平下，则压力时常大于满足现 行用户需要所需的压力。因此，在某些用户需要的时间里，要么是生 产的气态产品太多，和/或有过量产品压缩。本发明设想其 一 些实施例， 其中用与现有技术完全相同的方式将这种目标压力设定在恒定压力 水平下。然而，如将要讨论的，可以有利地使这种目标压力随着备用 气源30变动的设定点压力而起伏。为了解决上述问题，变动的供应设定点压力确定是通过表 示为设定点压力计算器42的软件连续地计算。这种软件可以存在于 与控制器24中相同的数字装置上，或者它可以存在于具有对控制器 24和阀34用的压力控制器38 二者输出的个人计算机上。设定点压力 的计算包括确定每个用户14, 16， 18所消耗的气态产品的流速。为 此，i殳置流量传感器44, 46和48,所述流量传感器44, 46和48产 生由流量引起的输入信号50， 52和54。输入信号50， 52和54作为 输入馈送到设定点压力计算器42,所述计算器42可以仅根据唯一涉 及流量的数据起作用。然而，优选的是，每个流量传感器44, 46和 48可以是位于带有温度传感器的孔板的相对边上的压力传感器。这些 压力和温度数据也可以馈送到设定点压力计算器42。可供选择地，温 度和压力可以从测量用户流量或者在具有稳定气候的区域中分开监 测，压力和温度可以简单地估计而不实际测量。参见图2,图2示出在可变供应设定点压力计算器42内所 包含的逻辑流程图。程序可以在经过一计算时间间隔时连续执行，所 述时间间隔可以是在1分钟和5分钟之间。在执行程序时，计算所要求的用户场所压力。作为计算的 第一步，如执行框图60所表示的，测定在生产设施10和每个用户14, 16和18之间每个用户14， 16和18的一系列压降。输入的数据是通 过相应输入信号50, 52和54测得的来自传感器44， 46和48的用户 流量。如上所述，信号50, 52和54可以由流量引起，并且也可以具 有代表每个用户场所处局部压力和温度的数据。此外，管线长度和直 径也是输入，并可以作为通过程序存取的数据文件存储。
然后用下面方程式计算每个用户14， 16和18的压降压 降二Ax流量Bx (温度/压力)+C。在方程中，各项"A，， ； "B，，；和 "C"与"流量"，管线长度和直径有关，如对一具体用户和生产场 所之间每个管线段所确定的。在管道直径改变的地方，计算每个管线 段的压降，且压降是每个管线段的各个压降之和。这些常数通过试验 管线自身或者是通过经试验证实的模拟用该技术众所周知的方式确 定。"流量"是质量流。体积流也可以用。在这种情况下和如该技术 中众所周知，方程式与产品气体的压降和密度有关，也是温度和压力 的函数。计算结果然后用于如执行框图62中所述的计算中。在执 行框图62中，将用于每个用户14, 16和18的最小合同供应压力加 到在执行框图1中计数得的相应压降上。加和值是所要求的用户场所 压力。合同最小供应压力是这部分程序的输入，并可以简单地是所存 储的数据文件内的数据。然后在执行框图64所陈述的另一些计算中 利用所要求的用户场所压力。具有最大数值的所要求的或最终用户场 所压力或者代表管线系统和设备极限值的压力无论哪个都较小，它们 在执行框图66处选定，且表示成压力"Ps"。极限压力也是存取在 执行框图66中的数据记录，且代表已知工作管线压力限制，如在生 产场所处所测得的。这个特定压力形成压力控制器38用的设定点压 力，所述压力通过信号68作为输出从设定点压力计算器42传送到压 力控制器38。应该注意，管线系统和设备界限是例如最大额定管道压 力、阀压力额定值及其它设备压力极限。尽管可以在设有这种限制的 情况下计算和使用设定点压力，但结果常常可能通过管线压力减压阀 排放产品气体，同时造成不希望有的产品气体的损失。此外，如执行框图70所表示的，可以进行进一步计算， 以便确定用于控制器24的目标压力，所述目标压力是简单的将一常 数加到设定点压力上。所得到的目标压力可以作为信号72供应到控 制器24。参见图3和4，这个常数可以通过收集图4中所示的过去 用户需要的流量需要选定。这些用户需要流量在最大值和最小值之间 变动，产生如图5所示的最终变动的管线压力响应。压力响应在最大
10压力和最小压力之间变动。在这种情况下，常数简单地是管线12内
平均高压与低压之间的差值，上述压力通过压力传感器28测量，除 以2，或者换句话说取管线12内平均高压和低压响应的平均值。在图 5中，平均高压和平均低压用虚线表示。用这种方式设定目标压力将 尽量减少必须使用备用产品气体的变化范围，而同时能使目标压力改 变以防止不必要的气态产品的过量生产。尽管已经参照优选实施例说明了本发明，但正如该领域的 技术人员所想到的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进 行许多改变、增加和省略。
权利要求
1. 一种设定备用气源的设定点压力的方法，以便若管线压力降至低于设定点压力，则将气态产品供应给管线，管线将气态产品分配到与管线连接的用户，上述方法包括通过下述步骤经过计算时间间隔连续地计算所要求的用户场所压力；测量气态产品流向每个用户的流速；计算沿着至少一个管线和在生产设施与每个用户之间每个用户的一系列压降，每个压降是用户场所处管线内的流速、压力和温度的函数；和将最小合同规定的供应压力加到该系列压降中的每个压降上，以便确定所要求的用户场所压力；及在完成所要求的用户场所压力的计算时，将气态产品的备用气源内的设定点压力设定等于所要求的用户场所压力中具有最大幅度的一个所要求的用户场所压力。
2. 如权利要求l所述的方法，还包括是配气网的一部分的管线和备用气源，该配气网还具有生产设 施，用于将目标压力下的气态产品供应给管线，且由用户对气态产品 需求的变化产生管线内高压和低压的周期性变化；和在设定备用气源设定点的压力时，将目标压力设定到等于上述设 定点压力与平均的高压和低压之间的差值除以2 二者之和。
3. 如权利要求1所述的方法，其中温度和压力在每个用户场所处 测量，并在计算每个压降时使用。
4. 如权利要求1所述的方法，其中每个压降都根据流到每个用户 的气态产品的质量流进行计算。
5. 如权利要求2所述的方法，其中生产设施是至少一个低温空分 设备，而气态产品是通过低温空分设备生产的常压气体。
6. 如权利要求3所述的方法，其中每个压降都根据流到每个用户 的气态产品的质量流进行计算。
7. 如权利要求6所述的方法，还包括是配气网的一部分的管线和备用气源，该配气网还具有生产设 施，用于将目标压力下的气态产品供应给管线，且由用户对气态产品需求的变化产生管线内高压和低压的周期性变化；及在设定备用气源的设定点压力时，设定目标压力等于上述设定点 压力与高压和低压的平均值二者的和。
8.如权利要求7所述的方法，其中生产设施是至少一个低温空分 设备，而气态产品是由低温空分设备生产的常压气体。
全文摘要
一种设定备用气源(30)的设定点压力的方法，以便若管线压力降到低于设定点压力则将气态产品供应到管线。备用气源(30)的设定点压力通过计算一系列由管线(12)馈送的每个用户(14，16，18)的压降，和然后通过将每个用户(14，16，18)的最小合同规定供气压力加到它们相应的压降上确定所要的用户场所压力连续地进行计算。最大要求的用户场所压力用作备用气源(30)的设定点压力。
文档编号G05D16/20GK101449224SQ200780010601
公开日2009年6月3日 申请日期2007年3月15日 优先权日2006年3月24日
发明者P·F·沙夫, P·莫斯琴斯基, S·霍斯金, W·哈迪 申请人:普莱克斯技术有限公司