一种高精度随动流量天然气与氢气掺混装置及掺混方法

本发明属于清洁能源安全应用领域，特别涉及一种高精度随动流量天然气与氢气掺混装置及掺混方法。

背景技术：

1、随着全球绿色低碳经济快速发展，清洁能源越来越受重视。氢能具有清洁无碳、绿色高效、可再生、应用模式丰富等显著优势，积极有序发展氢能源，是实现我国“双碳”目标的重要举措。氢能全产业链包括氢气制取、存储、输运、利用等环节，其中氢气输运连接上游制储氢和下游终端用户，是中间的关键环节，因此氢气的大规模、长距离、低成本输运是氢能产业亟需解决的关键问题。将一定比例的氢气掺入天然气中形成掺氢天然气，利用现有天然气管道或管网进行输送，是实现氢气大规模、安全、高效输送的重要方式。

2、掺氢天然气的下游典型终端应用场景(氢能社区、氢能工业园区)是燃烧利用热能。为保证燃烧的稳定性和用气的安全性，将氢气掺入天然气管道或管网之前，首先需在混气装置中将氢气和天然气两种气体按设定的比例进行均匀掺混。因此，天然气-氢气掺混装置是掺氢天然气管道输送中的重要工艺装置。现有天然气-氢气掺混工艺较多采用随动流量掺混装置，即以天然气为主动气源，氢气作为随动气源按预先设定的比例跟随主动气源的变化而变化，从而按固定的比例在天然气中掺混氢气。虽然随动流量掺混装置在天然气、煤制气等燃气掺混领域应用效果良好，但将其用于天然气和氢气两种密度差异显著的气体掺混时还存在一些不足：(1)现有随动流量掺混装置通常只对混合气管路上氢气组分浓度进行单点测量，并以单点测量的氢气组分浓度作为修正氢气流量的信号，不能真实反映氢气和天然气的掺混均匀度和掺混精度；(2)现有随动流量掺混装置中静态掺混器的导流单元和扰流单元的结构较为单一、结构参数不够优化，均匀掺混能力有待进一步提高。

3、由此，发明人凭借多年从事天然气和氢气管道输送行业的经验与实践，提出一种高精度随动流量天然气-氢气掺混装置，可实现向天然气管道或管网中高精度均匀掺混氢气。以克服现有技术和装置的缺陷。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种高精度随动流量天然气与氢气掺混装置及掺混方法，其特征在于，包括天然气管路1、氢气管路2、混气管路3及plc控制系统19；其中，所述plc控制系统19分别与混气管路3、天然气管路1和氢气管路2连接在一起，所述天然气管路1和所述氢气管路2与所述混气管路3中的静态掺混器12连接在一起，组成高精度随动流量天然气-氢气掺混装置；plc控制系统19采集混气管路3中的氢组分浓度信号与天然气的当前流量信号，设定掺氢比例并进行控制运算，将控制运算结果输出给氢气管路2的流量调节阀17，调节氢气管路2上的流量调节阀17的开度来实时响应天然气管路1的流量变化，从而达到根据天然气管路1的流量随动定比调节氢气管路2的流量的目的，无论天然气管路1的流量如何变化，可以始终高精度实现固定的掺氢比例。

2、所述天然气管路1包括氮气吹扫口4、放空阀5、压力表6、球阀7、过滤器8、调压阀9、流量计10、止回阀11；其中，在天然气管路上，球阀7、过滤器8、调压阀9、流量计10、球阀7和止回阀11依次串联；在天然气管路进气端分别安装氮气吹扫口4、放空阀5和压力表6；在调压阀9与流量计10之间的天然气管路上再安装一个放空阀5；其中流量计可以计量天然气管路的流量，并将流量信号传输到plc控制系统；通过止回阀防止管路中天然气回流；并根据天然气的来源，在天然气管路1之前设置缓冲罐或调压撬作为稳压设备，进一步对天然气进行稳压处理，保证天然气管路1中的流动更加稳定，有助于plc控制系统19保持更高的掺氢调控精度。

3、所述天然气管路上的各仪表、阀门和设备的型号及参数根据管路输送天然气的压力、流量、温度范围进行合理选择，并考虑防爆要求；以及采用一用一备的方式备份，保证在一条天然气管路发生故障时仍能正常运行。

4、所述氢气管路包括氮气吹扫口4、放空阀5、压力表6、第一个球阀7、过滤器8、调压阀9、流量计16、流量调节阀17、切断阀18、止回阀11；其中，球阀7、过滤器8、调压阀9、流量计16、流量调节阀17、第二个球阀7、切断阀18及止回阀11依次串联在氢气管路上；氮气吹扫口4、放空阀5、压力表6安装在第一个球阀7之前的氢气管路进气端；在调压阀9与流量计16之间安装第二个放空阀5；在第二个球阀7与切断阀18之间安装第二个压力表6；流量计16、流量调节阀17分别通过流量调节信号传输线路22接收plc控制系统19的流量调节信号输入；并根据流量调节信号调节阀门的开度控制氢气管路2的流量；所述止回阀防止管路中氢气回流，确保设备安全运行；并根据氢气的来源，在氢气管路2之前设置缓冲罐或调压撬作为稳压设备，进一步对氢气进行稳压处理，保证氢气管路2中的流动更加稳定，有助于plc控制系统19保持更高的掺氢调控精度。并采用一用一备的方式备份，保证在一条氢气管路发生故障时仍能正常运行。

5、所述氢气管路上的仪表、阀门和设备的型号及参数根据管路输送氢气的压力、流量、温度范围进行合理选择，并考虑防爆等要求；管路钢材优选抗氢脆钢材；流量计优选氢气专用流量计；阀门和仪表的密封连接优选防氢气渗漏、泄漏的材质和工艺。

6、所述混气管路3包括静态掺混器12、差压计13、排污口14、压力表6、球阀7、氢气分析仪15、氮气吹扫口4；其中，静态掺混器12和球阀7串联在混气管路3上，压力表6安装在二者之间，差压计13、排污口14安装在静态掺混器12上，氢气分析仪15、氮气吹扫口4安装在混气管路3进气端，并氢气分析仪15和plc控制系统19连接。氢气分析仪15可以在线检测混气管路3中氢气组分浓度，并将氢气组分浓度信号传输到plc控制系统19；所述静态掺混器12为氢气和天然气的高效掺混提供空间场所；所述压力表6可以测量混气管路3的压力；所述球阀7可以调节混气管路3的开度；所述氮气吹扫口4用于通氮气对混气管路3进行吹扫和气体置换。

7、所述静态掺混器包括导流单元、扰流单元、差压计和排污口；所述导流单元的结构充分考虑了天然气、氢气的密度差异和流速方向进行优化设计，其中所述天然气管线与所述静态掺混器轴向主入口连接保证天然气作为主动气源进入所述导流单元，所述氢气管线与所述静态掺混器侧向入口连接保证氢气作为随动气源进入所述导流单元，导流单元采用圆筒筛网形结构，有利于最大程度扰乱天然气和氢气的流动方向，完成预掺混；所述扰流单元结构优选交叉横条型、波纹板型和螺旋型进行组合，不同结构型式扰流单元的数量及组合方式根据所述静态掺混器的处理量及掺混均匀度要求进行优化设计和选择，保证所述静态掺混器的掺混均匀度不低于95％；所述静态掺混器由于对导流单元和扰流单元进行了优化设计，可以实现高掺混均匀度。所述差压计可以显示静态掺混器内的压力大小；所述排污口可以对静态掺混器进行定期排污。

8、所述氢气分析仪可以测量混气管路上不同截面位置或同一截面位置不同半径处的氢气组分浓度，实现混气管路典型检测位置处氢气组分浓度的三维在线检测，从而可以合理、准确表征氢气和天然气的掺混均匀度和掺混精度。

9、所述混气管路上的仪表、阀门和设备的型号及参数根据管路输送掺氢天然气的压力、流量、温度范围进行合理选择，并考虑防爆等要求；管路钢材优选抗氢脆钢材；阀门和仪表的密封连接优选防氢气渗漏、泄漏的材质和工艺。

10、所述plc控制系统包括氢气组分浓度信号传输线路、氢气流量信号传输线路、天然气流量信号传输线路、流量调节信号传输线路、pid控制器；其中pid控制器分为一级粗调和二级精调,一级粗调根据天然气流量设定掺氢比例，粗调氢气管路上流量调节阀的开度；二级精调是指根据混气管路上不同截面位置或同一截面位置不同半径处氢气组分浓度在线检测信息，精细调控氢气流量调节阀的开度；从而精细化调控掺氢比例，获得高精度的掺氢比。

11、所述天然气管路、氢气管路、混气管路及plc控制系统采用撬装化装配方法安装在移动撬上，有效减小占地面积，且便于安装和运输。

12、本发明的有益效果是基于“粗调+精调”双反馈随动流量定比plc控制系统，克服传统掺混仅依靠混气管路上氢气组分浓度单点检测、无法量化表征掺混均匀度和准确表征掺氢比，进行反馈调控时掺氢精度难以精准调控的不足，本发明显著提高掺氢精度；通过对静态掺混器内部导流单元和扰流单元的优化设计，进一步提高传统静态掺混器的掺混效率和掺混均匀度。本发明可实现混气管路典型检测位置处氢组分浓度三维在线检测，从而真实、定量表征氢气和天然气的掺混均匀度和掺混精度。可为掺氢天然气管道输送提供装备和技术支撑。