一种具有压力能利用的天然气场站调压系统的制作方法

1.本实施例涉及天然气压力能回收转化利用技术领域，具体涉及一种具有压力能利用的天然气场站调压系统。


背景技术：

2.天然气减压场站均采用调压系统进行调压，实现压力、流量目标控制，调压系统直接用调压撬将上下游管网相连，利用直接减压的形式实现天然气的降压输送，但这样会浪费掉很大部分能量。
3.现有技术中，天然气压力能利用大多通过在已有调压系统的基础上，并联一路膨胀机-发电机系统，当下游用户需求分输量在膨胀机流量设计范围内时，天然气通过膨胀机后进行膨胀做功，膨胀机输出轴带动发电机发电，与分输站供电系统整合，实现压力能回收，当下游用户需求分输量超出膨胀机流量设计范围时，膨胀机工作在设计流量点，超出部分流量通过调压系统调压分输，然后两路合并分输给下游用户。
4.然而，现有技术大多只给出控制系统结构和控制工艺，没有对传输过程中及低压用户负荷侧天然气压力、温度、流量等参数进行定量控制。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的缺陷，本实施例提供了一种具有压力能利用的天然气场站调压系统，以对传输过程中及低压用户负荷侧天然气压力、温度、流量等参数进行定量控制，确保低压负荷出口侧天然气压力、温度、流量等参数能够满足用户需求。
6.本实施例提供了一种具有压力能利用的天然气场站调压系统，包括高压天然气输入管道、调压支路、膨胀支路和低压天然气输出管道，所述调压支路和膨胀支路并联于所述高压天然气输入管道和低压天然气输出管道之间，所述调压支路和膨胀支路的上游端接入所述高压天然气输入管道，调压支路和膨胀支路的下游端通过混合阀接入所述低压天然气输出管道，所述调压支路从上游至下游依次串联有调压支路动力阀、调压控制设备、调压支路热交换器和调压支路电加热复热器，所述膨胀支路从上游至下游依次串联有膨胀支路动力阀、膨胀机、膨胀支路热交换器和膨胀支路电加热复热器，所述膨胀机用于将通过的天然气的压力能转换成动能并驱动发电机发电，其特征在于：
7.所述高压天然气输入管道上安装有输入高压侧检测仪表组，所述调压支路上分别安装有位于所述调压支路动力阀和调压控制设备之间的调压支路高压侧检测仪表组、以及位于所述调压支路电加热复热器与混合阀之间的调压支路低压侧检测仪表组，所述膨胀支路上分别安装有位于所述膨胀支路动力阀和膨胀机之间的膨胀支路高压侧检测仪表组、以及位于所述膨胀支路电加热复热器和混合阀之间的膨胀支路低压侧检测仪表组，所述低压天然气输出管道上安装有低压用户负荷侧检测仪表组；
8.还包括控制器，所述控制器的输入端分别与所述输入高压侧检测仪表组、调压支路高压侧检测仪表组、调压支路低压侧检测仪表组、膨胀支路高压侧检测仪表组、膨胀支路
低压侧检测仪表组和低压用户负荷侧检测仪表组电连接，所述控制器的输出端分别与调压支路动力阀、膨胀支路动力阀、调压控制设备、调压支路电加热复热器和膨胀支路电加热复热器电连接。
9.进一步地，所述输入高压侧检测仪表组、调压支路高压侧检测仪表组、调压支路低压侧检测仪表组、膨胀支路高压侧检测仪表组、膨胀支路低压侧检测仪表组和低压用户负荷侧检测仪表组均包括压力传感变送器、温度传感变送器和流量传感变送器，在安装所述压力传感变送器的压力检测支路装有压力检测支路针阀。
10.进一步地，所述调压控制设备包括从上游至下游依次串联于所述调压支路上的安全切断阀、一级调压设备和二级调压设备，所述一级调压设备包括依次串联的一级调压进口球阀、一级调压减压阀和一级调压出口蝶阀，所述一级调压减压阀连接有一级调压减压阀控制器，所述二级调压设备包括依次串联的二级调压进口球阀、二级调压减压阀和二级调压出口蝶阀，所述二级调压减压阀连接有二级调压减压阀控制器，所述控制器分别与一级调压减压阀控制器和二级调压减压阀控制器电连接。
11.进一步地，所述调压控制设备还包括与所述一级调压设备并联的一级调压备用设备、以及与所述二级调压设备并联的二级调压备用设备，所述一级调压备用设备与一级调压设备的结构相同，所述二级调压备用设备与二级调压设备的结构相同。
12.进一步地，所述调压支路上位于所述一级调压设备的下游还设置有一级调压放散支路，所述一级调压放散支路上设有一级调压放散维护球阀和一级调压放散阀，调压支路上位于所述二级调压设备的下游还设置有二级调压放散支路，所述二级调压放散支路上设有二级调压放散维护球阀和二级调压放散阀。
13.进一步地，所述膨胀机的输出轴同轴安装有减速机，所述减速机的输出轴与所述发电机相连，所述发电机所发出的交流电经整流器整流成直流电存储于蓄电池组，又通过逆变器将直流电逆变成为标准市电供场站用电设备使用。
14.进一步地，所述高压天然气输入管道的上游安装有过滤器，过滤器配备有排污阀，用于定期对该过滤器进行清理。
15.本实施例的有益效果体现在：将工业自动化检测及控制应用技术与天然气压力能转化工艺相结合，将压力能减压站设计为调压支路与膨胀支路相并联，分别对场站入口侧高压天然气、低压负荷出口侧、调压支路减压前、调压支路减压后、膨胀支路膨胀前、膨胀支路膨胀后这些典型位置加装压力、温度、流量传感变送器等检测仪表组，根据场站入口侧天然气压力、温度、流量参数，在满足低压负荷侧需求前提下最大程度利用膨胀支路发电及制冷能量，通过对调压支路动力阀、调压控制设备和调压支路电加热复热器、膨胀支路动力阀、膨胀支路电加热复热器的自动控制，实现低压负荷出口侧天然气的压力、温度、流量能够满足用户需求。
附图说明
16.为了更清楚地说明本实施例具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
17.图1为本实施例实施例的结构示意图。
18.附图中，1-过滤器；2-输入高压侧检测仪表组；3-调压支路高压侧检测仪表组；4-调压支路低压侧检测仪表组；5-膨胀支路高压侧检测仪表组；6-膨胀支路低压侧检测仪表组；7-低压用户负荷侧检测仪表组；8-控制器；9-混合阀； 11-调压支路动力阀；12-调压控制设备；13-调压支路热交换器；14-调压支路电加热复热器；20-膨胀支路动力阀；21-膨胀机；22-减速机；23-发电机；24
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整流器；25-蓄电池组；26-逆变器；27-场站用电设备；28-膨胀支路热交换器； 29-膨胀支路电加热复热器；101-排污阀；201-压力传感变送器；202-温度传感变送器；203-流量传感变送器；204-压力检测支路针阀；121-安全切断阀； 122-一级调压设备；123-一级调压备用设备；124-一级调压放散阀；125-一级调压放散维护球阀；126-二级调压设备；127-二级调压备用设备；128-二级调压放散阀；129-二级调压放散维护球阀；1221-一级调压进口球阀；1222-一级调压减压阀；1223-一级调压减压阀控制器；1224-一级调压出口蝶阀；1261
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二级调压进口球阀；1262-二级调压减压阀；1263-二级调压减压阀控制器； 1264-二级调压出口蝶阀。
具体实施方式
19.下面将结合附图对本实施例技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实施例的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本实施例的保护范围。
20.需要注意的是，除非另有说明，本技术使用的技术术语或者科学术语应当为本实施例所属领域技术人员所理解的通常意义。
21.如图1所示，本实施例提供了一种具有压力能利用的天然气场站调压系统，包括高压天然气输入管道、调压支路、膨胀支路、低压天然气输出管道和控制器8。
22.高压天然气输入管道的上游安装有过滤器1，过滤器1配备有排污阀101，用于定期对该过滤器1进行清理，高压天然气在进入本系统后首先经由过滤器 1过滤，并可通过排污阀101定期对过滤器1进行清理。
23.调压支路和膨胀支路并联于高压天然气输入管道和低压天然气输出管道之间，调压支路和膨胀支路的上游端接入高压天然气输入管道，调压支路和膨胀支路的下游端通过混合阀9接入低压天然气输出管道，调压支路从上游至下游依次串联有调压支路动力阀11、调压控制设备12、调压支路热交换器13 和调压支路电加热复热器14。其中，调压支路热交换器13用于对调压支路产生的冷能加以利用，调压支路产生的冷能通过冷能利用支路一进行循环，调压支路电加热复热器14用于对调压支路减压后的天然气进行加热，防止其温度过低形成冰堵。
24.膨胀支路从上游至下游依次串联有膨胀支路动力阀20、膨胀机21、膨胀支路热交换器28和膨胀支路电加热复热器29，膨胀机21用于将通过的天然气的压力能转换成动能并驱动发电机23发电。具体地，膨胀机21的输出轴同轴安装有减速机22，减速机22的输出轴与发电机23相连，发电机23所发出的交流电经整流器24整流成直流电存储于蓄电池组25，又通过逆变器26将直流电逆变成为标准市电供场站用电设备27使用。膨胀支路热交换器28用于对膨胀支路减压后的冷能加以利用，膨胀支路产生的冷能通过冷能利用支路二进行循环。经过膨胀机21减压后的膨胀支路减压天然气气体经过膨胀支路热交换器28后得到升
温，但其温度仍有可能过低形成冰堵，膨胀支路电加热复热器29可用于对膨胀支路减压后的天然气进行加热，加热后的两路低压气体通过混合阀9进行混合后向低压用户负荷输送。
25.本实施例将天然气减压站调压系统的结构改造为调压支路与膨胀支路相并联的结构，膨胀支路将高压天然气通过膨胀机21后膨胀为低压天然气，同时带动同轴发电机23发电，将天然气减压站调压系统白白浪费的压力能转化为电能并加以利用，具有节能降耗，提高能源利用率的作用效果。
26.根据焦耳-汤姆逊效应，高压天然气膨胀减压过程温度也会下降，但如果减压后的天然气气温低于0摄氏度，容易造成低压天然气输送管道“冰堵”现象，所以传统天然气减压站调压系统都需要对减压后的天然气管道进行加热，本实施例配置有调压支路热交换器13和膨胀支路热交换器28，用于对减压天然气中蕴含的冷能加以利用，提高了系统的能量梯级利用率，减小了系统整体的损耗。
27.高压天然气输入管道上安装有输入高压侧检测仪表组2，调压支路上分别安装有位于调压支路动力阀11和调压控制设备12之间的调压支路高压侧检测仪表组3、以及位于调压支路电加热复热器14与混合阀9之间的调压支路低压侧检测仪表组4，膨胀支路上分别安装有位于膨胀支路动力阀20和膨胀机21之间的膨胀支路高压侧检测仪表组5、以及位于膨胀支路电加热复热器 29和混合阀9之间的膨胀支路低压侧检测仪表组6，低压天然气输出管道上安装有低压用户负荷侧检测仪表组7。
28.输入高压侧检测仪表组2、调压支路高压侧检测仪表组3、调压支路低压侧检测仪表组4、膨胀支路高压侧检测仪表组5、膨胀支路低压侧检测仪表组 6和低压用户负荷侧检测仪表组7均包括压力传感变送器201、温度传感变送器202和流量传感变送器203，压力传感变送器201、温度传感变送器202和流量传感变送器203分别用于监测天然气的压力、温度和流量，在安装压力传感变送器201的压力检测支路装有压力检测支路针阀204，压力检测支路针阀204可起到缓冲作用，避免系统里的压力剧烈变化影响压力传感变送器201 的灵敏度和使用寿命。
29.本实施例所使用的压力传感变送器201、温度传感变送器202和流量传感变送器203均采用昆仑中大公司的产品，压力传感变送器201选用kzy-kb-pa 防爆型号，温度传感变送器202选用kzw/p-240e防爆数显热电阻和kzw-k装配式温度变送器配合使用，流量传感变送器203选用kzlugb涡街流量传感器，传感变送器输出信号均采用4-20ma标准电流信号。
30.控制器8的输入端分别与输入高压侧检测仪表组2、调压支路高压侧检测仪表组3、调压支路低压侧检测仪表组4、膨胀支路高压侧检测仪表组5、膨胀支路低压侧检测仪表组6和低压用户负荷侧检测仪表组7电连接，控制器8 的输出端分别与调压支路动力阀11、膨胀支路动力阀20、调压控制设备12、调压支路电加热复热器14和膨胀支路电加热复热器29电连接。
31.本实施例中，调压控制设备12包括从上游至下游依次串联于调压支路上的安全切断阀121、一级调压设备122和二级调压设备126，一级调压设备122 包括依次串联的一级调压进口球阀1221、一级调压减压阀1222和一级调压出口蝶阀1224，一级调压减压阀1222连接有一级调压减压阀控制器1223，二级调压设备126包括依次串联的二级调压进口球阀1261、二级调压减压阀 1262和二级调压出口蝶阀1264，二级调压减压阀1262连接有二级调压减压阀控制器1263，控制器8分别与一级调压减压阀控制器1223和二级调压减压阀控制
器1263电连接。
32.调压控制设备12还包括与一级调压设备122并联的一级调压备用设备 123、以及与二级调压设备126并联的二级调压备用设备127，一级调压备用设备123与一级调压设备122的结构相同，二级调压备用设备127与二级调压设备126的结构相同，当一级调压设备122发生故障或者检修时，可启用一级调压备用设备123，同样地，当二级调压设备126发生故障或者检修时，也可以启用二级调压设备126。
33.调压支路上位于一级调压设备122的下游还设置有一级调压放散支路，一级调压放散支路上设有一级调压放散维护球阀125和一级调压放散阀124，调压支路上位于二级调压设备126的下游还设置有二级调压放散支路，二级调压放散支路上设有二级调压放散维护球阀129和二级调压放散阀128。一级调压放散阀124和二级调压放散阀128用于监视整体设备各级调压设备的出口压力，当超压时可自动开启，释放超压燃气，达到保护下游设备的作用，保证用户的安全用气。
34.本实施例选用三菱公司的fx-3u型号plc作为控制器8主机，配置三菱 plc模拟量输入模块fx3u-4ad用于接收传感变送器信号，配置三菱plc模拟量输出模块fx3u-4da用于控制调压支路动力阀11和膨胀支路动力阀20，配置三菱plc通信功能扩展板fx3u-232bd和三菱plc通信模块fx3u-232adp-mb 用于和减压阀控制器进行modbus通信设置，再通过一级调压减压阀控制器 1223和二级调压减压阀控制器1263对一级调压减压阀1222和二级调压减压阀1262开度进行控制。
35.本实施例通过控制器8实时检测输入高压侧检测仪表组2、调压支路高压侧检测仪表组3、调压支路低压侧检测仪表组4、膨胀支路高压侧检测仪表组 5、膨胀支路低压侧检测仪表组6、低压用户负荷侧检测仪表组7的检测信号，并通过控制器8对调压支路动力阀11、膨胀支路动力阀20进行控制实现低压负荷用户侧流量满足用户需求；通过控制器8与一级调压减压阀控制器1223 和二级调压减压阀控制器1263进行modbus通信，并将一级调压减压阀1222 和二级调压减压阀1262所需开度控制信号发送给一级调压减压阀控制器1223 和二级调压减压阀控制器1263，一级调压减压阀控制器1223和二级调压减压阀控制器1263接收到主控制器8的控制信号后对一级调压减压阀1222和二级调压减压阀1262开度进行控制，实现低压负荷用户侧压力满足用户需求；通过控制器8对调压支路电加热复热器14和膨胀支路电加热复热器29进行控制，实现低压负荷用户侧温度满足用户需求，最终满足低压负载侧所需天然气压力温度及流量的需求。
36.本实施例通过控制器8控制调压支路动力阀11和膨胀支路动力阀20，两个支路流通天然气的流量控制实现低压负荷用户侧所需流量大小的可控性；虽然膨胀支路的减压过程不可控，但本实施例通过控制器8对调压控制设备 12中的一级调压设备122、一级调压备用设备123、二级调压设备126和二级调压备用设备127的开度进行控制，最终实现经过混合阀9后的低压负荷用户侧所需压力大小的可控性；如果经过换热后的低压天然气温度仍过低，可以通过控制器8对调压支路电加热复热器14和膨胀支路电加热复热器29加以控制，实现低压负荷用户侧所需温度大小的可控性。
37.本实施例配置有输入高压侧检测仪表组2、调压支路高压侧检测仪表组3、调压支路低压侧检测仪表组4、膨胀支路高压侧检测仪表组5、膨胀支路低压侧检测仪表组6、低压用户负荷侧检测仪表组7，每个检测仪表组都包括压力传感变送器201、温度传感变送器202
和流量传感变送器203，并且所有的检测信号都被传送至控制器8，控制器8可以根据传感器实时检测数据的情况对执行器进行控制，最终满足低压用户负荷侧对供气压力、温度、流量参数的控制。
38.综上，本实施例将工业自动化检测及控制应用技术与天然气压力能转化工艺相结合，将压力能减压站设计为调压支路与膨胀支路相并联，分别对场站入口侧高压天然气、低压负荷出口侧、调压支路减压前、调压支路减压后、膨胀支路膨胀前、膨胀支路膨胀后这些典型位置加装压力、温度、流量传感变送器等检测仪表组，根据场站入口侧天然气压力、温度、流量参数，在满足低压负荷侧需求前提下最大程度利用膨胀支路发电及制冷能量，通过对调压支路动力阀11、调压控制设备12和调压支路电加热复热器14、膨胀支路动力阀20、膨胀支路电加热复热器29的自动控制，实现低压负荷出口侧天然气的压力、温度、流量能够满足用户需求。
39.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实施例各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本实施例的权利要求和说明书的范围当中。

技术特征：
1.一种具有压力能利用的天然气场站调压系统，包括高压天然气输入管道、调压支路、膨胀支路和低压天然气输出管道，所述调压支路和膨胀支路并联于所述高压天然气输入管道和低压天然气输出管道之间，所述调压支路和膨胀支路的上游端接入所述高压天然气输入管道，调压支路和膨胀支路的下游端通过混合阀接入所述低压天然气输出管道，所述调压支路从上游至下游依次串联有调压支路动力阀、调压控制设备、调压支路热交换器和调压支路电加热复热器，所述膨胀支路从上游至下游依次串联有膨胀支路动力阀、膨胀机、膨胀支路热交换器和膨胀支路电加热复热器，所述膨胀机用于将通过的天然气的压力能转换成动能并驱动发电机发电，其特征在于：所述高压天然气输入管道上安装有输入高压侧检测仪表组，所述调压支路上分别安装有位于所述调压支路动力阀和调压控制设备之间的调压支路高压侧检测仪表组、以及位于所述调压支路电加热复热器与混合阀之间的调压支路低压侧检测仪表组，所述膨胀支路上分别安装有位于所述膨胀支路动力阀和膨胀机之间的膨胀支路高压侧检测仪表组、以及位于所述膨胀支路电加热复热器和混合阀之间的膨胀支路低压侧检测仪表组，所述低压天然气输出管道上安装有低压用户负荷侧检测仪表组；还包括控制器，所述控制器的输入端分别与所述输入高压侧检测仪表组、调压支路高压侧检测仪表组、调压支路低压侧检测仪表组、膨胀支路高压侧检测仪表组、膨胀支路低压侧检测仪表组和低压用户负荷侧检测仪表组电连接，所述控制器的输出端分别与调压支路动力阀、膨胀支路动力阀、调压控制设备、调压支路电加热复热器和膨胀支路电加热复热器电连接。2.根据权利要求1所述的具有压力能利用的天然气场站调压系统，其特征在于：所述输入高压侧检测仪表组、调压支路高压侧检测仪表组、调压支路低压侧检测仪表组、膨胀支路高压侧检测仪表组、膨胀支路低压侧检测仪表组和低压用户负荷侧检测仪表组均包括压力传感变送器、温度传感变送器和流量传感变送器，在安装所述压力传感变送器的压力检测支路装有压力检测支路针阀。3.根据权利要求1所述的具有压力能利用的天然气场站调压系统，其特征在于：所述调压控制设备包括从上游至下游依次串联于所述调压支路上的安全切断阀、一级调压设备和二级调压设备，所述一级调压设备包括依次串联的一级调压进口球阀、一级调压减压阀和一级调压出口蝶阀，所述一级调压减压阀连接有一级调压减压阀控制器，所述二级调压设备包括依次串联的二级调压进口球阀、二级调压减压阀和二级调压出口蝶阀，所述二级调压减压阀连接有二级调压减压阀控制器，所述控制器分别与一级调压减压阀控制器和二级调压减压阀控制器电连接。4.根据权利要求3所述的具有压力能利用的天然气场站调压系统，其特征在于：所述调压控制设备还包括与所述一级调压设备并联的一级调压备用设备、以及与所述二级调压设备并联的二级调压备用设备，所述一级调压备用设备与一级调压设备的结构相同，所述二级调压备用设备与二级调压设备的结构相同。5.根据权利要求3或4所述的具有压力能利用的天然气场站调压系统，其特征在于：所述调压支路上位于所述一级调压设备的下游还设置有一级调压放散支路，所述一级调压放散支路上设有一级调压放散维护球阀和一级调压放散阀，调压支路上位于所述二级调压设备的下游还设置有二级调压放散支路，所述二级调压放散支路上设有二级调压放散维护球
阀和二级调压放散阀。6.根据权利要求1所述的具有压力能利用的天然气场站调压系统，其特征在于：所述膨胀机的输出轴同轴安装有减速机，所述减速机的输出轴与所述发电机相连，所述发电机所发出的交流电经整流器整流成直流电存储于蓄电池组，又通过逆变器将直流电逆变成为标准市电供场站用电设备使用。7.根据权利要求1所述的具有压力能利用的天然气场站调压系统，其特征在于：所述高压天然气输入管道的上游安装有过滤器，过滤器配备有排污阀，用于定期对该过滤器进行清理。

技术总结
本实施例公开了一种具有压力能利用的天然气场站调压系统，该系统通过控制器实时检测输入高压侧检测仪表组、调压支路高压侧检测仪表组、调压支路低压侧检测仪表组、膨胀支路高压侧检测仪表组、膨胀支路低压侧检测仪表组、低压用户负荷侧检测仪表组的检测信号，并通过控制器对调压支路动力阀、膨胀支路动力阀、调压控制设备、调压支路电加热复热器和膨胀支路电加热复热器进行控制，最终满足低压负载侧所需天然气压力、温度及流量等参数的需求。本实施例可对传输过程中及低压用户负荷侧天然气压力、温度、流量等参数进行定量控制，确保低压负荷出口侧天然气压力、温度、流量等参数能够满足用户需求。满足用户需求。满足用户需求。


技术研发人员：张清磊 张媚 牛向泷 梁茵 王贝贝 庞毅
受保护的技术使用者：天津泰达滨海清洁能源集团有限公司
技术研发日：2021.10.15
技术公布日：2022/3/8