一种天然气门站加热系统及方法技术方案

本发明专利技术提供一种天然气门站加热系统及方法。所述系统包括：主控单元，通过网络与主控单元相连的安装在门站进口处的处气质分析仪、水露点仪和加热器，还包括与主控单元相连的环境温湿度传感器和天然气传感器模块；主控单元根据气质分析仪输出的气质组分、水露点仪输出的水露点以及环境温湿度传感器和天然气传感器模块输出的数据，计算使天然气满足安全运行要求且加热器能耗最小的最佳温度，并根据所述最佳温度与天然气实际温度的温度差控制加热器的开度，使天然气实际温度略大于所述最佳温度。本发明专利技术不仅能够确保降压后天然气温度满足安全运行要求，还能使加热器能耗最小。还能使加热器能耗最小。还能使加热器能耗最小。

【技术实现步骤摘要】
一种天然气门站加热系统及方法


[0001]本专利技术属于加热及能耗控制
，具体涉及一种天然气门站加热系统及方法。

技术介绍

[0002]天然气从上游长输管线输送到下游城市，需要通过城市门站再进入城市燃气输配管网，分配给下游用户。门站内主要是对上游输送过来较高压力的天然气(一般设计压力为4.0MPa)进行过滤、计量、加臭、调压后输送到下一级压力的管网(设计压力2.5MPa)。但大部分门站周边会有用户用气需求，会根据周边用户的情况，再进行分级调压后输送到下游。有时会将运行压力3.8MPa天然气经过三级调压调整到0.22MPa。调压器调压是一个节流过程，会产生焦耳－汤姆逊效应，引起压降和温降。天然气压力每降低1.0MPa，管道内天然气温度会下降5℃左右，这会使得管道内天然气的温度很低；受此影响，管道内天然气含水量较高时管道内容易形成水合物，而管内天然气温度较低时会低于室外空气露点温度，易在管道及设备部件外部结霜或者发生冻结，影响设备操作。为了应对这种情况，避免产生安全隐患和对管道及设备造成不利影响，部分门站设置了管道加热装置，比如燃气热水锅炉、电加热器、换热器等，用来对调压前天然气进行加热升温，确保降压后天然气温度满足安全运行要求。
[0003]然而，加热设备需要将燃气温度升高到多少度既能满足安全运行要求，又能保证在当前双碳(碳达峰与碳中和的简称)发展的目标下的能耗精准控制，减少浪费能源，是一个需要解决的问题。为此，本专利技术给出一种针对门站加热设备在满足运行安全的前提下的能耗控制方法。

技术实现思路

[0004]为了解决现有技术中存在的上述问题，本专利技术提供一种天然气门站加热系统及方法。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案。
[0006]第一方面，本专利技术提供一种天然气门站加热系统，包括：主控单元，通过网络与主控单元相连的安装在门站进口处的处气质分析仪、水露点仪和加热器，还包括与主控单元相连的环境温湿度传感器和天然气传感器模块；天然气传感器模块包括：安装在门站进口处的进口温度传感器和进口压力传感器，安装在加热器出口处的加热温度传感器，安装在一级调压器后的一级温度传感器和的一级压力传感器，安装在二级调压器后的二级温度传感器和的二级压力传感器，安装在三级调压器后的三级温度传感器和的三级压力传感器；主控单元根据气质分析仪输出的气质组分、水露点仪输出的水露点以及环境温湿度传感器和天然气传感器模块输出的数据，计算使天然气满足安全运行要求且加热器能耗最小的最佳温度，并根据所述最佳温度与天然气实际温度的温度差控制加热器的开度，使天然气实际温度略大于所述最佳温度。
[0007]进一步地，所述最佳温度的计算方法包括：
[0008]计算一级调压后天然气水合物生成的临界温度T
g1
；
[0009]利用焦耳－汤姆逊效应计算模型，基于一级调压后的所述T
g1
反算门站进口处天然气应加热到的温度T
g2
；
[0010]获取当前时刻的空气温度和相对湿度，根据Magnus空气露点温度计算公式，计算当前时刻的空气露点温度T
o1
；
[0011]利用焦耳－汤姆逊效应计算模型，基于空气露点温度T
o1
及门站最低出口压力，反算门站进口处天然气应加热到的温度T
o2
；
[0012]若当前时刻的天然气温度小于0度且小于T
o1
，则取T
g2
和T
o2
中的最大值为最佳温度；否则取T
g2
为最佳温度。
[0013]更进一步地，一级调压器后的所述T
g1
的计算方法包括：
[0014]S1、设定温度T的初始值T0及迭代步长ΔT；
[0015]S2、计算每个组分形成的基础水合物在混合基础水合物中所占的摩尔分率x
ci
，i＝1,2,
…
,N，N为组分的个数，方法如下：
[0016]PR状态方程用逸度系数即逸度与压力的比值表示为：
[0017][0018]A＝aP/(RT)，B＝bP/(RT)
[0019][0020]a
i
＝0.45723(RT
ci
)2/P
ci
×
α
i
，b
i
＝0.07796RT
ci
/P
ci
[0021]α
i
＝[1+m
i
(1
‑
T
ri0.5
)]2，T
ri
＝T/T
ci
[0022]m
i
＝(0.37464+1.54226ω
i
‑
0.26992ω
i2
)
[0023]式中，Z＝PV/(RT)为压缩因子，R为气体常数，P为一级调压器后的气体压力，V为气体摩尔体积，T为气体温度，a、b、a
i
、b
i
均为与天然气组分的种类及状态有关的常量，x
i
为第i个组分的摩尔分数，T
ci
、P
ci
、T
ri
分别为第i个组分的临界温度、临界压力和对比温度，α
i
为分子间引力参数，m
i
第i个组分的特征常数，K
ij
为二元交互系数，通过对实验数据回归得到；
[0024]按下式计算第i个组分的逸度f
i
：
[0025][0026]按下式计算第i个组分的最小逸度f
i0
：
[0027][0028][0029][0030][0031]式中，θ
j
为被第j个组分占据的连接孔的分率，A
i
、B
i
、C
i
通过实验获得，A
ij
为二元交互作用参数，c
j
为Langmuir常数，X
j
、Y
j
、Z
j
为Antoine常数；忽略气体中含有抑制剂且气体在水中的溶解度时，a
w
＝1；对于I型水合物，β＝4.242
×
10
‑6，λ2＝3/23；对于Ⅱ型水合物，β＝1.0224
×
10
‑5，λ2＝1/17；
[0032]按下式计算x
ci
：
[0033][0034]式中，对于I型水合物，α＝1/3；对于II型水合物，α＝2；
[0035]S3、如果大于设定的阈值，则更新T＝T+ΔT后转S2进行下一迭代过程；否则，停止迭代，此时的T即为所求T
g1
。
[0036]更进一步地，所述T
g2
的计算方法包括：...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种天然气门站加热系统，其特征在于，包括：主控单元，通过网络与主控单元相连的安装在门站进口处的处气质分析仪、水露点仪和加热器，还包括与主控单元相连的环境温湿度传感器和天然气传感器模块；天然气传感器模块包括：安装在门站进口处的进口温度传感器和进口压力传感器，安装在加热器出口处的加热温度传感器，安装在一级调压器后的一级温度传感器和的一级压力传感器，安装在二级调压器后的二级温度传感器和的二级压力传感器，安装在三级调压器后的三级温度传感器和的三级压力传感器；主控单元根据气质分析仪输出的气质组分、水露点仪输出的水露点以及环境温湿度传感器和天然气传感器模块输出的数据，计算使天然气满足安全运行要求且加热器能耗最小的最佳温度，并根据所述最佳温度与天然气实际温度的温度差控制加热器的开度，使天然气实际温度略大于所述最佳温度。2.根据权利要求1所述的天然气门站加热系统，其特征在于，所述最佳温度的计算方法包括：计算一级调压后天然气水合物生成的临界温度T
g1
；利用焦耳－汤姆逊效应计算模型，基于一级调压后的所述T
g1
反算门站进口处天然气应加热到的温度T
g2
；获取当前时刻的空气温度和相对湿度，根据Magnus空气露点温度计算公式，计算当前时刻的空气露点温度T
o1
；利用焦耳－汤姆逊效应计算模型，基于空气露点温度T
o1
及门站最低出口压力，反算门站进口处天然气应加热到的温度T
o2
；若当前时刻的天然气温度小于0度且小于T
o1
，则取T
g2
和T
o2
中的最大值为最佳温度；否则取T
g2
为最佳温度。3.根据权利要求2所述的天然气门站加热系统，其特征在于，一级调压器后的所述T
g1
的计算方法包括：S1、设定温度T的初始值T0及迭代步长ΔT；S2、计算每个组分形成的基础水合物在混合基础水合物中所占的摩尔分率x
ci
，i＝1,2,
…
,N，N为组分的个数，方法如下：PR状态方程用逸度系数即逸度与压力的比值表示为：A＝aP/(RT)，B＝bP/(RT)a
i
＝0.45723(RT
ci
)2/P
ci
×
α
i
，b
i
＝0.07796RT
ci
/P
ci
α
i
＝[1+m
i
(1
‑
T
ri0.5
)]2，T
ri
＝T/T
ci
m
i
＝(0.37464+1.54226ω
i
‑
0.26992ω
i2
)式中，Z＝PV/(RT)为压缩因子，R为气体常数，P为一级调压器后的气体压力，V为气体摩尔体积，T为气体温度，a、b、a
i
、b
i
均为与天然气组分的种类及状态有关的常量，x
i
为第i个组分的摩尔分数，T
ci
、P
ci
、T
ri
分别为第i个组分的临界温度、临界压力和对比温度，α
i
为分子间
引力参数，m
i
第i个组分的特征常数，K
ij
为二元交互系数，通过对实验数据回归得到；按下式计算第i个组分的逸度f
i
：按下式计算第i个组分的最小逸度f
i0
：：：：式中，θ
j
为被第j个组分占据的连接孔的分率，A
i
、B
i
、C
i
通过实验获得，A
ij
为二元交互作用参数，c
j
为Langmuir常数，X
j
、Y
j
、Z
j
为Antoine常数；忽略气体中含有抑制剂且气体在水中的溶解度时，a
w
＝1；对于I型水合物，β＝4.242
×
10
‑6，λ2＝3/23；对于Ⅱ型水合物，β＝1.0224
×
10
‑5，λ2＝1/17；按下式计算x
ci
：式中，对于I型水合物，α＝1/3；对于II型水合物，α＝2；S3、如果大于设定的阈值，则更新T＝T+ΔT后转S2进行下一迭代过程；否则，停止迭代，此时的T即为所求T
g1
。4.根据权利要求2所述的天然气门站加热系统，其特征在于，所述T
g2
的计算方法包括：SS1、采用余焓法计算一级调压后温度T
g1
对应的焓h；SS2、设定温度t的初始值t0；SS3、计算第n次迭代温度t
n
对应的焓h
n
；SS4、如果|h
‑
h
n
|大于设定的阈值，则更新t
n+1
＝t
n
+Δt后转SS3进行下一迭代过程；否则，停止迭代，T
...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴媛媛，郭蕙心，车明，姜鑫，李晨，刘希言，
申请(专利权)人：北京市燃气集团有限责任公司，
类型：发明
国别省市：