CN116357892A - 一种天然气掺氢比例精确控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种天然气掺氢比例精确控制装置，包括氢气管线、天然气管线、氢气管线调节模块、天然气管线调节模块、静态混合器和PLC控制器，氢气管线调节模块设置于氢气管线上，天然气管线调节模块设置于天然气管线上，PLC控制器分别连接氢气管线调节模块和天然气管线调节模块，静态混合器的两个进口分别连接氢气管线和天然气管线；PLC控制器内存储有控制程序，该控制程序被调用时执行以下操作：根据负荷要求，通过天然气管线调节模块控制天然气流量，并获取天然气压力；基于天然气压力，通过氢气管线调节模块调节氢气压力，同时基于实时获取的天然气流量调节氢气流量。与现有技术相比，本发明具有安全性高、适应多场景等优点。

Description

一种天然气掺氢比例精确控制装置

技术领域

本发明涉及清洁能源技术领域和氢气多元化利用技术领域，尤其是涉及一种天然气掺氢比例精确控制装置。

背景技术

大力发展清洁能源、优化能源结构是目前技术发展的重要趋势。氢气是清洁、高效、安全、可再生的二次能源，可实现电、气、热等不同能源形式的相互转化，在交通运输、工业用能、建筑热电联供等领域发挥积极作用，特别在工业、民用的用能上能起到很大的低碳减排的作用，但氢能怎么广泛利用到工业和民用的用能上成为利用关键突破口。天然气在当今世界范围内受到广泛应用，天然气管网建设已形成覆盖较大范围的天然气运输网络，因此可在天然气中掺入一定比例的氢气得到掺氢天然气(HCNG)，再利用天然气管网进行运输，可伴随天然气供给工业锅炉、居民用能的燃料。上述掺氢天然气具有快速燃烧，着火范围宽，排放低等优点，目前在工业、电力行业发展氢混燃机，将构建以新能源为主体的新型能源和电力系统。

氢气的掺入不仅会改变天然气的燃烧特性与排放，同时也会对管道产生影响，其中氢脆问题最为危险。氢脆是氢气对管道金属产生劣化作用，使金属晶界结合力减弱，使管道塑性下降而产生脆性断裂或微小裂纹或点蚀。另外，如果输送管道的长度不足以使掺氢气体混合均匀，则会引起燃烧器能量密度不均衡现象，导致热效率低下，甚至安全燃烧问题。

因此，国内外对天然气的掺氢比例有着严格的控制要求，而如何更好地达到这一控制要求是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种安全性高、适应多场景的天然气掺氢比例精确控制装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种天然气掺氢比例精确控制装置，包括氢气管线、天然气管线、氢气管线调节模块、天然气管线调节模块、静态混合器和PLC控制器，所述氢气管线调节模块设置于氢气管线上，所述天然气管线调节模块设置于天然气管线上，所述PLC控制器分别连接氢气管线调节模块和天然气管线调节模块，所述静态混合器的两个进口分别连接氢气管线和天然气管线；

所述PLC控制器内存储有控制程序，该控制程序被调用时执行以下操作：

根据负荷要求，通过天然气管线调节模块控制天然气流量，并获取天然气压力；

基于所述天然气压力，通过氢气管线调节模块调节氢气压力，同时基于实时获取的天然气流量调节氢气流量。

进一步地，所述氢气管线与氢气源连接，所述氢气源为氢气管网或氢气长管拖车；

所述天然气管线与天然气源连接，所述天然气源为天然气管网或LNG汽化气源。

进一步地，所述氢气管线调节模块包括分别与所述PLC控制器连接的第一紧急切断阀、第一压力调节单元和第一流量调节单元，所述第一紧急切断阀、第一压力调节单元和第一流量调节单元依次设置于氢气管线上。

进一步地，所述第一压力调节单元包括依次设置的第一调节阀和第一远传压力传感器。

进一步地，所述第一流量调节单元包括依次设置的第一质量流量计、第一流量比例调节阀和第一流量补偿器。

进一步地，所述天然气管线调节模块包括分别与所述PLC控制器连接的第二紧急切断阀、第二压力调节单元和第二流量调节单元，所述第二紧急切断阀、第二压力调节单元和第二流量调节单元依次设置于天然气管线上。

进一步地，所述第二压力调节单元包括依次设置的第二远传压力传感器和第二调节阀。

进一步地，所述第二流量调节单元包括依次设置的第二质量流量计、第二流量比例调节阀和第二流量补偿器。

进一步地，所述静态混合器内设置有多个挡板。

进一步地，该装置还包括连接于所述静态混合器出口处的混合气出口管路分析模块，该混合气出口管路分析模块包括分别与所述PLC控制器连接的氢气分析仪；

所述控制程序被调用时还执行以下操作：

根据氢气分析仪反馈的氢气含量反馈值与氢气含量设定值的偏差，基于所述偏差调节氢气流量；

获取氢气分析仪反馈的浓度值，在所述浓度值超标时产生切断氢气输入的信号。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明以天然气流量作为主流量，氢气作为随动流量，通过设定掺氢比例和采集稳定天然气的流量核算氢气流量，实现对氢气掺入比例的实时调控，适合多场景利用，保证天然气掺氢的安全性与可靠性。

2、当氢气与天然气压差较大，直接惨混导致设备噪音与震动急剧增加，造成设备不安全，本发明通过氢气管线调节模块和天然气管线调节模块调节各管路的压力，具体实施中可调节氢气压力减压到高于天然气压力约0.2-0.3Mpa，进入静态混合器，减少了设备的噪音与震动，也提高了设备的安全性。

3、氢气管线上设置有第一调节阀可为一级或两级自力式调节阀，适应多种气源，氢气可以是来自于氢气管网，亦可以是20MPa氢气长管拖车，保证混氢的氢气管道压力稳定。

4、为保证掺氢精确计算，本发明氢气和天然气流量计选用质量流量计，精度等级0.5％级，可重复性≥±0.1％。

5、本发明还设置有流量补偿，可对质量流量计进行温度压力补偿修订反馈，进一步提高控制可靠性。

6、本发明同时设置有混合气出口管路分析模块，实现混合气氢浓度校核，从而达到对天然气掺氢比例精确控制的目的。

7、本发明可以实现流量比值随动控制、氢含量控制及氢含量修正的流量比值随动控制方式等三种控制方式，分别对应不同应用场景。

8、本发明在天然气管线和氢气管线上设置气动紧急切断阀，当遇到有氢气或天然气泄漏时，切断气动切断阀，保证系统的安全。另外，可及时在混合气浓度超出设定值时切断氢气路气动切断阀，保证系统的安全。

9、本发明可通过天然气管线调节模块中的第一调节阀根据后端负荷要求，调整天然气流量，再随动调节氢气流量，以适应负荷需求，特别适合燃气锅炉、燃机电机等，应用场景广。

10、氢气和天然气混合均匀后掺入原天然气利用场景上，可充分在掺氢燃烧器上进行利用。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的具体布置示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

如图1和图2所示，本实施例提供一种天然气掺氢比例精确控制装置，包括氢气管线1、天然气管线2、氢气管线调节模块3、天然气管线调节模块4、静态混合器5和PLC控制器6，氢气管线调节模块3设置于氢气管线1上，天然气管线调节模块4设置于天然气管线2上，PLC控制器9分别连接氢气管线调节模块3和天然气管线调节模块4，静态混合器5的两个进口分别连接氢气管线1和天然气管线2。

本实施例的装置可应用于多种场景。

氢气管线与氢气源连接，氢气源为氢气管网或氢气长管拖车。氢气管线调节模块包括分别与PLC控制器连接的第一紧急切断阀ESD01、第一压力调节单元和第一流量调节单元，第一紧急切断阀ESD01、第一压力调节单元和第一流量调节单元依次设置于氢气管线上。

具体地，第一压力调节单元包括依次设置的第一调节阀PV01a/b和第一远传压力传感器PT01，第一调节阀用于稳定氢气管线压力，第一远传压力传感器用于采集氢气管线压力。在具体实施方式中，该第一远传压力传感器PT01可以设置为压力低报警。第一调节阀可根据应用场景使用一级或两级自力式调节阀，当氢气来自于管网，可以用一级自立式调节阀；当氢气来自于20MPa氢气长管拖车，需要两级自立式调节阀。

第一流量调节单元位于氢气管线后端，包括依次设置的第一质量流量计FT03、第一流量比例调节阀FV01和第一流量补偿器，其中，第一质量流量计和第一流量比例调节阀均为高精度元件，第一流量补偿器由压力传感器PT03和温度传感器TE01组成，对流量计进行温度和压力补偿，修订流量参数。通过天然气气量和掺氢比例运算，得出需求氢气气量，随动调节流量调节阀FV01，以达到控制掺氢氢气的气量。

本实施例中使用的高精度质量流量计采用油泵润滑，内置铝合金材质整流器及叶轮，可有效减少压损。

天然气管线与天然气源连接，天然气源为天然气管网或LNG汽化气源。天然气管线调节模块包括分别与PLC控制器连接的第二紧急切断阀ESD02、第二压力调节单元和第二流量调节单元，第二紧急切断阀ESD02、第二压力调节单元和第二流量调节单元依次设置于天然气管线上。

具体地，第二压力调节单元包括依次设置的第二远传压力传感器PT02和第二调节阀PV02，第二远传压力传感器PT02用于采集天然气压力。在具体实施方式中，该第二远传压力传感器PT02可以设置为压力高报警，控制天然气压力低于氢气压力0.2～0.3Mpa，通第二调节阀PV02使天然气管网压力稳定，同时使天然气管线压力低于氢气管线压力，避免前端压力大范围波动，影响天然气和氢气混合。

第二流量调节单元位于天然气管线后端，包括依次设置的第二质量流量计FT04、第二流量比例调节阀FV02和第二流量补偿器，其中，第二质量流量计和第二流量比例调节阀均为高精度元件，第二流量补偿器由压力传感器PT04和温度传感器TE02组成，对流量计进行温度和压力补偿，修订流量参数，另外根据后端燃烧器负荷调整要求(30～110％)，通过设置天然气流量参数，控制流量调节阀FV02，以达到调整负荷的要求。

静态混合器用于天然气和氢气混合的设备，设置两个进口喷嘴，一个混合气出口。天然气喷嘴2#和氢气喷嘴1#采用侧进，旋风流向，混合器内部设置一定数量挡板，保证混合的均匀性，混合气出口3#方向与整体结构的旋转轴同向。

PLC控制器具体可包括工业计算机和PLC，对掺氢设备工况进行全面的检测、控制、安全连锁及监控。在PLC控制器内存储有控制程序，该控制程序被调用时执行以下操作：根据负荷要求，通过天然气管线调节模块控制天然气流量，并获取天然气压力；基于天然气压力，通过氢气管线调节模块调节氢气压力，同时基于实时获取的天然气流量调节氢气流量。

参考图1所示，在另一优选实施方式中，该天然气掺氢比例精确控制装置还包括连接于所述静态混合器5出口处的混合气出口管路分析模块7，该混合气出口管路分析模块7包括分别与PLC控制器连接的氢气分析仪。PLC控制器中的控制程序被调用时还执行以下操作：根据氢气分析仪反馈的氢气含量反馈值与氢气含量设定值的偏差，基于所述偏差调节氢气流量；获取氢气分析仪反馈的浓度值，在所述浓度值超标时产生切断氢气输入的信号。

进一步地，混合气出口管路分析模块还可以包括安全阀和压力传感器。

基于上述装置，可以实现三种控制方式，分别是流量比值随动控制、氢含量控制及氢含量修正的流量比值随动控制方式。其中，流量比值随动控制具体为：根据主动气源天然气的流量，按比例对作为随动气源的氢气流量进行相应控制；氢含量控制具体为：基于混合气出口管路分析模块反馈的氢含量对氢气流量进行控制；氢含量修正的流量比值随动控制方式具体为：设置两个控制回路，流量随动回路对氢气流量进行粗调，氢气含量回路对氢气流量进行细调，通过控制氢气流量调节阀开度，从而实现按设定比例掺混。

本实施例中，氢含量修正的流量比值随动控制方式具体说明如下：

以天然气作为主动气源，氢气作为随动气源。在主动气源管路、随动气源管路分别设置流量计，检测出两路气体的流量大小(经过温压补偿后的标态流量)，并分别将计量信号传输到中央控制系统，中央控制系统按照预先设定混气比例，根据主动路的天然气流量来控制随动路气动调节阀的开度，进而调节随动路氢气的流量，从而达到随动气源自动跟随主动气源的流量变化而变化的目的，使两种气体按照所要求的混气比例进入静态混合器均匀混合。同时根据氢分析仪进行串级控制，氢气含量反馈值与氢气含量设定值偏差经回路运算，作为流量比值随动回路设定值修正，更精准的控制混氢比例，同时根据氢气分析仪的浓度与氢气路切断阀连锁，在混合气浓度超出设定值时切断氢气路气源，以保证混气安全。

随动调节氢气流量时，随动气体氢气的流量是根据天然气的流量，按设定的比例自动计算出当前混气比例所需要的氢气流量，计算方法：主动气源流量(天然气流量)/混合比例(天然气％量与氢气％量之比)＝随动气源流量(氢气流量)，氢气流量调节阀根据计算出的所需流量实时调节。

掺氢天然气(HCNG)需要保证天然气和氢气压力稳定，且有稳定压力差，通过本发明的上述装置采集管路中的天然气压力、天然气流量、氢气压力、氢气流量，进行计算后输出信号来控制相关原件改变氢气流量，并可由后端氢分仪串级控制，多次循环反馈，从而达到对天然气掺氢比例精确控制的目的，同时可实现天然气压力高报警、氢气压力低报警以及混合气浓度高高连锁报警，安全性高。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种天然气掺氢比例精确控制装置，其特征在于，包括氢气管线、天然气管线、氢气管线调节模块、天然气管线调节模块、静态混合器和PLC控制器，所述氢气管线调节模块设置于氢气管线上，所述天然气管线调节模块设置于天然气管线上，所述PLC控制器分别连接氢气管线调节模块和天然气管线调节模块，所述静态混合器的两个进口分别连接氢气管线和天然气管线；

所述PLC控制器内存储有控制程序，该控制程序被调用时执行以下操作：

根据负荷要求，通过天然气管线调节模块控制天然气流量，并获取天然气压力；

基于所述天然气压力，通过氢气管线调节模块调节氢气压力，同时基于实时获取的天然气流量调节氢气流量。

2.根据权利要求1所述的天然气掺氢比例精确控制装置，其特征在于，所述氢气管线与氢气源连接，所述氢气源为氢气管网或氢气长管拖车；

所述天然气管线与天然气源连接，所述天然气源为天然气管网或LNG汽化气源。

3.根据权利要求1所述的天然气掺氢比例精确控制装置，其特征在于，所述氢气管线调节模块包括分别与所述PLC控制器连接的第一紧急切断阀、第一压力调节单元和第一流量调节单元，所述第一紧急切断阀、第一压力调节单元和第一流量调节单元依次设置于氢气管线上。

4.根据权利要求3所述的天然气掺氢比例精确控制装置，其特征在于，所述第一压力调节单元包括依次设置的第一调节阀和第一远传压力传感器。

5.根据权利要求3所述的天然气掺氢比例精确控制装置，其特征在于，所述第一流量调节单元包括依次设置的第一质量流量计、第一流量比例调节阀和第一流量补偿器。

6.根据权利要求1所述的天然气掺氢比例精确控制装置，其特征在于，所述天然气管线调节模块包括分别与所述PLC控制器连接的第二紧急切断阀、第二压力调节单元和第二流量调节单元，所述第二紧急切断阀、第二压力调节单元和第二流量调节单元依次设置于天然气管线上。

7.根据权利要求6所述的天然气掺氢比例精确控制装置，其特征在于，所述第二压力调节单元包括依次设置的第二远传压力传感器和第二调节阀。

8.根据权利要求6所述的天然气掺氢比例精确控制装置，其特征在于，所述第二流量调节单元包括依次设置的第二质量流量计、第二流量比例调节阀和第二流量补偿器。

9.根据权利要求1所述的天然气掺氢比例精确控制装置，其特征在于，所述静态混合器内设置有多个挡板。

10.根据权利要求1所述的天然气掺氢比例精确控制装置，其特征在于，该装置还包括连接于所述静态混合器出口处的混合气出口管路分析模块，该混合气出口管路分析模块包括分别与所述PLC控制器连接的氢气分析仪；

所述控制程序被调用时还执行以下操作：

根据氢气分析仪反馈的氢气含量反馈值与氢气含量设定值的偏差，基于所述偏差调节氢气流量；

获取氢气分析仪反馈的浓度值，在所述浓度值超标时产生切断氢气输入的信号。

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