本發(fā)明涉及天然氣應(yīng)用，特別涉及一種天然氣換熱調(diào)壓系統(tǒng)及控制方法。

背景技術(shù)：

1、在天然氣輸送和利用領(lǐng)域，高壓天然氣需經(jīng)過(guò)城市門(mén)站調(diào)壓至低壓狀態(tài)以供用戶使用。這一過(guò)程中，高壓天然氣在節(jié)流降壓時(shí)由于焦湯效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致溫度迅速降低，可能引發(fā)管線結(jié)霜甚至冰堵的問(wèn)題，因此必須對(duì)天然氣進(jìn)行加熱處理。傳統(tǒng)的加熱方式主要包括電加熱和燃?xì)忮仩t加熱，這些方法雖然能夠有效提升天然氣的溫度，但存在能耗高、運(yùn)行成本大的問(wèn)題，不利于天然氣輸送和利用的經(jīng)濟(jì)性和可持續(xù)性。

2、近年來(lái)，隨著渦流管技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，其在天然氣調(diào)溫降壓領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸受到關(guān)注。渦流管作為一種能夠?qū)⒏邏簹怏w分離成冷流和熱流的機(jī)械裝置，通過(guò)特定的噴嘴設(shè)計(jì)，使高壓氣體以切線方向射入渦流室，形成自由渦流，從而實(shí)現(xiàn)能量的有效分離。渦流管的冷端可以產(chǎn)生低溫氣流，而熱端則產(chǎn)生高溫氣流，這種特性使其在天然氣調(diào)溫降壓中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

3、然而，盡管渦流管技術(shù)在天然氣調(diào)溫降壓領(lǐng)域展現(xiàn)出了一定的應(yīng)用前景，但在現(xiàn)有技術(shù)中，其應(yīng)用仍面臨一些挑戰(zhàn)和問(wèn)題。

4、第一：渦流管的能量分離性能受到入口氣體壓力和溫度的影響較大。在實(shí)際應(yīng)用中，入口氣體的壓力和溫度往往會(huì)隨著工況的變化而波動(dòng)，這導(dǎo)致渦流管的冷熱端出口溫度和流量也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，進(jìn)而影響整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)溫降壓效果。因此，如何使渦流管能夠適應(yīng)不同工況下的入口氣體參數(shù)，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，成為了一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

5、第二：在天然氣調(diào)溫降壓系統(tǒng)中，如何高效利用渦流管產(chǎn)生的冷流和熱流也是一個(gè)技術(shù)難題?，F(xiàn)有技術(shù)中，通常將渦流管的冷流通過(guò)換熱器加熱后排出，而熱流則直接排放或用于其他低價(jià)值用途。這種方式雖然簡(jiǎn)單，但未能充分利用渦流管的能量分離效應(yīng)，導(dǎo)致系統(tǒng)整體能效較低，造成了能源的浪費(fèi)。

6、針對(duì)上述問(wèn)題，申請(qǐng)人在前公開(kāi)的cn118856224a提出了一種改進(jìn)的渦流管天然氣調(diào)溫降壓系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)渦流管的能量分離效應(yīng)和換熱器的加熱作用，系統(tǒng)能夠高效地將高壓天然氣調(diào)溫降壓至用戶所需的低壓中溫狀態(tài)，同時(shí)避免了管線結(jié)霜和冰堵問(wèn)題。同時(shí)，該系統(tǒng)還嘗試對(duì)渦流管產(chǎn)生的冷流和熱流進(jìn)行更加高效的利用，提高系統(tǒng)的整體能效。然而，盡管cn118856224a在一定程度上解決了渦流管應(yīng)用中的一些問(wèn)題，但其仍存在一些不足之處。該系統(tǒng)在用戶端基于冷流和熱流的調(diào)節(jié)控制和利用方面仍有待進(jìn)一步優(yōu)化，以提高系統(tǒng)的整體能效和能源利用效率。

7、綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)在利用渦流管進(jìn)行天然氣調(diào)溫降壓方面雖然取得了一定的進(jìn)展，但仍存在入口氣體參數(shù)適應(yīng)性差、系統(tǒng)能效低以及控制復(fù)雜等問(wèn)題。因此，有必要對(duì)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)和創(chuàng)新，以克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提高系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性和能效，降低控制復(fù)雜性，從而更好地滿足天然氣輸送和利用的需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明提出一種天然氣換熱調(diào)壓系統(tǒng)及控制方法，旨在解決天然氣換熱調(diào)壓系統(tǒng)在不同工況下溫度和壓力控制的精確性問(wèn)題，尤其是在極端天氣條件下或者設(shè)計(jì)流量不足時(shí)，系統(tǒng)可能面臨的低溫導(dǎo)致的性能下降和設(shè)備損壞的風(fēng)險(xiǎn)，本技術(shù)通過(guò)引入旁支系統(tǒng)和智能控制方法，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)氣流的溫度和壓力，有效提升了系統(tǒng)的適應(yīng)性和穩(wěn)定性，確保在各種工況下持續(xù)提供符合要求的氣流溫度，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)能環(huán)保性能。

2、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：

3、一種天然氣換熱調(diào)壓系統(tǒng)，包括：

4、主路系統(tǒng)，所述主路系統(tǒng)包括第一來(lái)流氣體管路、調(diào)節(jié)閥、渦-噴裝置、空溫器和壓力變送器，在第一來(lái)流氣體管路上設(shè)置渦-噴裝置，所述渦-噴裝置的冷端與空溫器的輸入端相連通，所述空溫器的輸出端與渦-噴裝置的噴射端連通，在所述渦-噴裝置前端的管路上設(shè)置調(diào)節(jié)閥，在所述渦-噴裝置后端的管路上設(shè)置壓力變送器，所述調(diào)節(jié)閥能夠根據(jù)所述壓力變送器的背壓壓力調(diào)整閥門(mén)開(kāi)度；

5、旁支系統(tǒng)，所述旁支系統(tǒng)包括第二來(lái)流氣體管路、第二換熱器和調(diào)壓組閥，所述第二來(lái)流氣體管路中的天然氣能夠經(jīng)第二換熱器的水循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行熱交換加熱后流向調(diào)壓組閥，根據(jù)調(diào)壓組閥中調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度調(diào)節(jié)進(jìn)行第二來(lái)流氣體管路中天然氣輸出壓力的控制；

6、其中，所述旁支系統(tǒng)用于所述主路系統(tǒng)在流量不足或者渦-噴裝置的輸出端混合氣體溫度較低時(shí)提供流量或者熱量補(bǔ)充。

7、進(jìn)一步的，所述主路系統(tǒng)中第一來(lái)流氣體管路的運(yùn)行流量范圍0～10000nm3/h，所述調(diào)節(jié)閥為比例閥，所述壓力變送器能夠檢測(cè)渦-噴裝置出口背壓的變化并反饋于調(diào)節(jié)閥進(jìn)行于第一來(lái)流氣體管路的入口流量及壓力的調(diào)節(jié)，所述調(diào)節(jié)閥采用pid控制。

8、進(jìn)一步的，所述渦-噴裝置出口背壓預(yù)設(shè)值的取值規(guī)范為0.21mpa至0.27mpa。

9、進(jìn)一步的，在所述第一來(lái)流氣體管路上還設(shè)置溫度變送器、溫度表、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、壓力表、壓力變送器、安全閥、切斷閥、截止閥，其中，溫度變送器、溫度表用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氣體溫度，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、切斷閥、截止閥用于精準(zhǔn)控制氣流的通斷與流量，壓力表、壓力變送器用于監(jiān)控氣體壓力，安全閥作為緊急保護(hù)裝置。

10、進(jìn)一步的，所述第二換熱器為水浴加熱器，所述水浴加熱器的進(jìn)水壓力大于所述水浴加熱器的回水壓力，所述水浴加熱器的進(jìn)水溫度大于所述水浴加熱器的回水溫度。

11、相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明所述的天然氣換熱調(diào)壓系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢(shì)：

12、(1)本發(fā)明所述的天然氣換熱調(diào)壓系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)天然氣流量、溫度和壓力的精確控制，主路系統(tǒng)中的渦-噴裝置與空溫器的結(jié)合，利用渦流效應(yīng)增強(qiáng)了氣體與控溫介質(zhì)之間的熱交換效率，使得氣體在噴射端能夠快速達(dá)到設(shè)定溫度，確保在不同工況下穩(wěn)定輸出，不僅能夠有效降低能源消耗，減少設(shè)備損耗和維護(hù)成本，還為環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展做出了積極貢獻(xiàn)，顯著提升了系統(tǒng)的節(jié)能環(huán)保性能，同時(shí)，旁支系統(tǒng)的設(shè)計(jì)使得第二換熱器能夠在主路系統(tǒng)流量不足時(shí)提供流量或者熱量補(bǔ)充，進(jìn)一步提升了系統(tǒng)的整體能效。

13、(2)本發(fā)明所述的天然氣換熱調(diào)壓系統(tǒng)，配備的多種監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)裝置，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)氣體狀態(tài)并自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，大大提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性，降低了故障風(fēng)險(xiǎn)，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命，為用戶提供了更加穩(wěn)定和高效的天然氣供應(yīng)服務(wù)。

14、本技術(shù)的第二個(gè)目的在于公開(kāi)一種天然氣換熱調(diào)壓系統(tǒng)的控制方法，應(yīng)用于如上述所述的天然氣換熱調(diào)壓系統(tǒng)，包括如下步驟：

15、s1：系統(tǒng)初始化與參數(shù)設(shè)定；

16、在系統(tǒng)啟動(dòng)前，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，包括檢查各傳感器是否正常工作，確認(rèn)各閥門(mén)處于初始狀態(tài)；同時(shí)，設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)，包括渦-噴裝置出口背壓的預(yù)設(shè)值、渦-噴裝置出口溫度的設(shè)定值以及主路系統(tǒng)和旁支系統(tǒng)的流量范圍；

17、s2：調(diào)節(jié)閥pid控制策略啟動(dòng)；

18、系統(tǒng)啟動(dòng)后，調(diào)節(jié)閥開(kāi)始工作，采用pid控制策略來(lái)維持渦-噴裝置出口背壓在預(yù)設(shè)值，壓力變送器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)出口背壓，并將數(shù)據(jù)反饋給pid控制器，當(dāng)出口背壓偏離預(yù)設(shè)值時(shí)，pid控制器會(huì)根據(jù)偏差大小和方向，自動(dòng)調(diào)整調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，從而精確控制入口流量，使背壓迅速恢復(fù)到設(shè)定范圍。

19、進(jìn)一步的，在步驟s2中，基于預(yù)設(shè)的背壓預(yù)設(shè)值和比例閥初始開(kāi)度，通過(guò)同時(shí)監(jiān)測(cè)渦-噴裝置出口背壓的變化率δp/δt和第一來(lái)流氣體管路入口流量的變化率δq/δt進(jìn)行調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度調(diào)節(jié)：

20、當(dāng)δp/δt<-0.01mpa/min且δq/δt>0時(shí)，此時(shí)，調(diào)節(jié)閥增大開(kāi)度調(diào)節(jié)v1；

21、當(dāng)δp/δt>0.01mpa/min且δq/δt<0時(shí)，此時(shí)，調(diào)節(jié)閥減小開(kāi)度調(diào)節(jié)v2；

22、當(dāng)-0.01mpa/min≤δp/δt≤0.01mpa/min且δq/δt接近0時(shí)，此時(shí)，保持調(diào)節(jié)閥當(dāng)前開(kāi)度不變；

23、其中，δp表示渦-噴裝置出口背壓在一定時(shí)間δt內(nèi)的變化量，δq表示來(lái)流氣體管路入口流量在同一時(shí)間δt內(nèi)的變化量，δt為監(jiān)測(cè)的時(shí)間間隔，v1的取值范圍為5％～20％之間的任意數(shù)值，v2的取值范圍為5％～20％之間的任意數(shù)值。

24、進(jìn)一步的，在步驟s2中，當(dāng)δp/δt<-0.01mpa/min且δq/δt>0時(shí)，若δp/δt<-0.05mpa/min，調(diào)整調(diào)節(jié)閥在當(dāng)前開(kāi)度的基礎(chǔ)上增加20％；若-0.05mpa/min≤δp/δt<-0.015mpa/min，調(diào)整調(diào)節(jié)閥在當(dāng)前開(kāi)度的基礎(chǔ)上增加10％；若-0.015mpa/min≤δp/δt-0.01mpa/min，調(diào)整調(diào)節(jié)閥在當(dāng)前開(kāi)度的基礎(chǔ)上增加5％；在步驟s2中，當(dāng)δp/δt>0.01mpa/min且δq/δt<0時(shí)，若δp/δt>0.05mpa/min，|δq/δt|>5m3/s/min，調(diào)整調(diào)節(jié)閥在當(dāng)前開(kāi)度的基礎(chǔ)上減小20％；若0.015mpa/min≤δp/δt<0.05mpa/min，5m3/s/min>|δq/δt|>1m3/s/min，調(diào)整調(diào)節(jié)閥在當(dāng)前開(kāi)度的基礎(chǔ)上減小10％；若δp/δt<0.015mpa/min，

25、|δq/δt|<1m3/s/min，調(diào)整調(diào)節(jié)閥在當(dāng)前開(kāi)度的基礎(chǔ)上減小5％。

26、進(jìn)一步的，在步驟s2中，在主路系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，持續(xù)監(jiān)控第一來(lái)流氣體管路的流量，若流量低于系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量時(shí)，僅采用主路系統(tǒng)運(yùn)行工作；若流量超出系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量時(shí)，則系統(tǒng)判斷開(kāi)啟旁支系統(tǒng)的第二來(lái)流氣體管路，通過(guò)控制閥精確調(diào)節(jié)旁支系統(tǒng)的流量，確保主路系統(tǒng)的流量維持在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。

27、進(jìn)一步的，在步驟s2中，若檢測(cè)到第一來(lái)流氣體管路中渦-噴裝置出口溫度低于設(shè)定值，則自動(dòng)開(kāi)啟旁支系統(tǒng)的旁路，利用第二換熱器對(duì)旁支系統(tǒng)中的氣流進(jìn)行加熱，調(diào)節(jié)旁路流量和溫度，使旁支系統(tǒng)中的氣流與渦-噴裝置出口端輸出的氣流混合后的氣流溫度不低于設(shè)定值。

28、相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明所述的天然氣換熱調(diào)壓系統(tǒng)的控制方法具有以下優(yōu)勢(shì)：

29、本發(fā)明所述的天然氣換熱調(diào)壓系統(tǒng)的控制方法，通過(guò)有效整合主路系統(tǒng)和旁支系統(tǒng)的功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)天然氣流量、溫度和壓力的雙重精確控制，確保在不同工況下天然氣能夠穩(wěn)定輸出，避免了傳統(tǒng)方法中因溫度過(guò)低導(dǎo)致的管線結(jié)霜和冰堵問(wèn)題，系統(tǒng)具備高度的自動(dòng)化和智能化，能夠根據(jù)壓力變送器的反饋?zhàn)詣?dòng)調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度，確保天然氣輸出壓力和溫度的穩(wěn)定，從而提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，結(jié)合實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)功能，系統(tǒng)能夠迅速響應(yīng)用戶用氣量的變化，確保氣流溫度和壓力始終維持在設(shè)定范圍內(nèi)，顯著降低了故障風(fēng)險(xiǎn)，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命，降低了維護(hù)成本，為用戶提供了更高的經(jīng)濟(jì)效益和更好的使用體驗(yàn)。