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CN111992071A - 一种氢能源利用燃气掺混系统及氢气和天然气配比控制方法 - Google Patents

一种氢能源利用燃气掺混系统及氢气和天然气配比控制方法 Download PDF

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CN111992071A
CN111992071A CN202010812008.3A CN202010812008A CN111992071A CN 111992071 A CN111992071 A CN 111992071A CN 202010812008 A CN202010812008 A CN 202010812008A CN 111992071 A CN111992071 A CN 111992071A
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hydrogen
gas
valve
pressure
natural gas
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CN202010812008.3A
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韩铁岭
赵连宽
史忠强
周建军
闫义忠
李军明
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Okay Energy Technology Tianjin Co ltd
Shanxi Mingshi Coalbed Gas Utilization Co ltd
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Okay Energy Technology Tianjin Co ltd
Shanxi Mingshi Coalbed Gas Utilization Co ltd
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Abstract

本发明公开一种氢能源利用燃气掺混系统及氢气和天然气配比控制方法，涉及再生能源利用技术领域，源头氢气进入混气管道经入口球阀、气动切断阀、过滤器，通过流量计计量氢气流量，再通过调节阀调节氢气用量后经出口球阀进入混气装置；源头天然气进入混气管道经入口球阀、过滤器切断阀，调压计量后经调节阀到出口球阀进入混气装置；混气出口的检测设备混配合温压补偿后的流量值共同控制天然气和氢气管线上调节阀开度，控制氢气体积流量，进行加氢量的在线调节与自动跟随，实现天然气和氢气配比。本发明实现两种气体的混气比例稳定，混合精度高，设备整体撬装，外置带有保温和消音功能的不锈钢箱体，设备紧凑美观，便于安装和迁移。

Description

一种氢能源利用燃气掺混系统及氢气和天然气配比控制方法
技术领域
本发明公开涉及再生能源利用技术领，尤其涉及一种氢能源利用燃气掺混系统及氢气和天然气配比控制方法。
背景技术
目前，氢能利用产业将快速发展壮大，可以通过打造氢能产业链，推动新能源产业整体发展，建设新能源高端应用示范，全面升级能源消费结构。天然气掺氢是氢能利用的主要形式之一，通过将可再生能源电解制取的氢气和加氢站满负荷运转条件下产生的过剩氢气注入到天然气管网中形成掺氢天然气，再通过管网将掺氢天然气输送到终端用户，从而实现“掺混-输送-利用”的氢能产业链，促进“电网-气网”深度融合。
天然气掺氢技术不仅可以提高可再生能源利用率，还可以为减少天然气终端燃烧产生的污染物，解决大气污染问题做出贡献。
天然气掺氢技术在欧洲多个国家已经实现商业化应用，积累了丰富的运行经验。现有技术中，天然气掺氢整体技术水平尚处于试验验证阶段，在材料相容性、运行和控制安全性、掺氢混气工艺先进性，设备可靠性等方面还没有统一标准。
燃气混氢在国际国内均属于新型装置系统，有多项数据指标还需可靠的试验验证，(1)目前正在运行的混气多为控制两种气体的流量比从而实现需要的混气比，总流量有变化时混气精度影响很大，运行不稳定，信号反馈慢，控制系统不完善，对后端用气造成危险。(2)设备对于高压氢气的前端处理不合理，包括材料选择、过滤调压装置的选型和设置等不合理，造成氢气路运行不稳定，压力波动大。(3)对于混合器的形式和结构设计没有统一标准，制作粗糙，混合均匀度低，造成混气精度的巨大误差。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：(1)现有天然气掺氢设备运行效果差；而且没有采用双气掺混随动流量混气方案，造成具有技术性能不可靠，工艺运行部稳定，安全控制水平低。
(2)现有技术设备中，没有加入前端氢气高压处理、氢气管线部件材料没有进行合理选择、流量和组分协调联控性差、混气均匀度效果差、信号反馈慢等，造成混气装置不能完全满足实际应用。
解决以上问题及缺陷的难度为：(1)氢气通过高压长管拖车运输，氢气具有特殊的性质，对于碳钢材质的管道易产生氢腐蚀，氢鼓包，氢脆等影响，成熟经验在氢含量3％以下无影响，试验装置要求混氢比最高要达到20％，设备的整体成本已经限定，所以在材料选择上要慎重考虑。
(3)氢气是通过长管撬车运至站房，来气压力达到20MPa，使用压力只有 0.25～0.3MPa，具有很高压力差，氢较天然气中的其他分子体积更小，渗漏速率一般比甲烷快4-5倍，压力高时速率更大，所以对管线中氢分子渗漏的预防非常重要，合理选择高压阀门、过滤器、调压器、管材管件和密封件等氢气管道部件非常关键。
(4)氢气和甲烷的性质差异较大，尤其在燃烧性能上，如果两种气体混合均匀度低，或者在后端管道内出现分层现象，会造成混合气体华白数和燃烧势紊乱，两种气体都属于易燃易爆介质，容易导致氢气设备的使用安全，所以核心混气部件静态混合器的混气均匀度必须达98％以上，确保混气均匀，同时在控制原理上也必须保证两种洗体的混合比例精确，反应快速，安全联锁可靠。
解决以上问题及缺陷的意义为：通过利用流量比信号粗调，组分比信号精调，真正实现了设备启动时的快速稳定随动混气调节。通过本装置氢气管线过滤调压设备选型和结构配置以及氢气前端管线材料选择，实现了氢气系统安全稳定供气。通过对氢气和天然气两种介质专门设计的静态混合器的内部结构，以及控制原理的完善，真正实现了混气系统的快速稳定的动态跟随和高度的混气精度，实现设备的真正适用性。
发明内容
为克服相关技术中存在的问题，本发明公开实施例提供了一种氢能源利用燃气掺混系统及氢气和天然气配比控制方法。
所述技术方案如下：根据本发明公开实施例的第一方面，提供一种氢能源利用燃气掺混系统的氢气和天然气配比控制方法，包括：
氢气和天然气管路上的气动切断阀与氢气和天然气进出口压力、温度变送器和可燃气体泄露自动检测报警器连锁，数值超过设定值正负20％时所述气动切断阀自动关闭截断氢气和天然气气源；
天然气和氢气管线出口压力变送器实时监控天然气和氢气调后压力，数值超过设定值正负10％范围时，控制系统进行报警；
氢气段流量计控制氢气出口调节阀开关程度，对比天然气流量值，根据配比需求(本系统设定氢气掺混量为3％～20％之间任意值可任意设定)对氢气流量进行控制，实现混气配比要求值；
混气出口的检测设备配合温压补偿后的流量值共同控制天然气和氢气管线上调节阀开度，控制氢气体积流量，进行加氢量的在线调节与自动跟随，实现天然气和氢气配比(常规混气设备均采用组分含量分析仪变化完成自动跟随动态调节，设备初期启动时数值波动大很难实现快速稳定调节，本系统引进两种气体流量信号进行初步粗调，可根据流量比快速找到初始混气平衡点，使得最终根据组分进行精调快速且平稳实现)。
进一步，混气出口的检测设备包括：甲烷分析仪和氢气分析仪。
根据本发明公开实施例的第二方面，提供一种实施所述控制方法的控制系统，所述控制系统包括：
PLC控制柜，设置有触摸屏，用于对设备的进出口压力、出口氢气含量和阀门状态的显示、调节阀开度大小的显示；参数设置；历史报警查询；数据报表查询；
工控机，用于对现场混气装置的自动控制及安全切断保护。
优选地，整个混气过程PLC控制柜根据采集的流量值、气体浓度进行自动控制；在混气过程中对出口压力、出口气体浓度实时监测，当有出口气体浓度低报和高报、出口压力低报和高报时，根据下游氢气要求设定所需连锁保护。
根据本发明公开实施例的第三方面，提供一种氢能源利用燃气掺混系统，所述氢能源利用燃气掺混系统包括：
氢气管线装置，源头氢气进入混气管道经入口球阀、气动切断阀、过滤器，通过流量计计量氢气流量，再通过调节阀调节氢气用量后经出口球阀进入混气装置；
天然气管线装置，源头天然气进入混气管道经入口球阀、过滤器切断阀，调压计量后经调节阀到出口球阀进入混气装置；
混气装置，混气出口的检测设备混配合温压补偿后的流量值共同控制天然气和氢气管线上调节阀开度，控制氢气体积流量，进行加氢量的在线调节与自动跟随，实现天然气和氢气配比。
优选地，所述氢气管线装置包括：
长管拖车装载氢气运至站房混气撬装设备旁，通过连接氢气高压软管、放空阀、手动高压球阀和压力变送器进入混气装置中的氢气调压管线。氢气一级调压管线设置两路，每路线路中设置入口球阀、气动紧急切断阀、高精度高压过滤器、一级调压器、氢气压力表、一调出口阀门进入汇气管道，汇气管设有压力变送器，旁通手动球阀、安全放散阀、氢气根阀和氢气旁通阀组，氢气经汇管进入二级调压管线，氢气二级调压管线设置两路，每路线路中设置入口球阀、二级调压器、氢气压力表、氢气流量计、调节阀、二调出口阀门进入汇气管道，汇气管设有压力变送器，氢气温度计、温度变送器、安全放散阀、根阀和旁通阀组，两级安全阀汇总至撬外。
优选地，经阻火器后排空放散，出口设置止回阀，防止氢气气回流；氢气管线装置管线管道材质为316L。
优选地，天然气管线装置包括：
入口管线中设置天然气热值分析仪、压力变送器、温度变送器、天然气压力表、天然气温度计，然后天然气进入调压计量管路，分为两路，每路入口设置手动球阀、高精度过滤器、气动紧急切断阀、调压器、天然气压力表、天然气流量计、调节阀、出口手动球阀进入汇气管道，汇气管上设有压力变送器、安全放散阀、天然气根阀和天然气旁通阀组汇总至撬外。
优选地，经天然气阻火器后排空放散。
优选地，混气装置包括：
天然气和氢气共同进入静态混合器进行掺混，氢气入口设置导流管，将扩散出的氢气与天然气进行初次混合，经静态混合器中的多组金属板波纹填料涡流发生器将两种气体充分互混，静态混合器本体上设置仪表阀和差压表，下方低点设置排污阀，后方管道设有甲烷和氢气组分在线分析仪，后方为压力变送器、温度变送器、混合气管线压力表，混合气温度计、出口手动球阀，箱体内设有实时监测燃气泄漏的可燃气体泄漏报警探头和连锁的防爆风机。
本发明公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
Figure BDA0002631294920000051
Figure BDA0002631294920000061
本发明研制的天然气掺氢试验设备用于燃气掺氢试验，天然气利用管道气，氢气气源为氢气长管拖车，进口压力为20MPa，两级减压，掺氢比例为3％—20％，设备已投产运行很长一段时间，用于试验混氢天然气的使用效果，通过对设备不断完善和创新，已达到预期目标，设备工艺先进、运行可靠。
相比于现有技术，本发明的优点进一步包括：
天然气掺氢比可动态调节的在线掺混技术采用的是先进可靠的双气掺混随动流量混气方案，本技术在LPG混空替代天然气和煤气掺混高热值气体提升热值等领域拥有成熟应用，具有技术性能可靠，工艺先进，工作稳定，安全控制水平高等特点，本项目在设备设计中加入前端氢气高压处理、氢气管线部件材料选择316L不锈钢材质、流量和组分协调联控、提高混气均匀度、快速信号反馈等方面增加创新点，确保混气装置完全满足本创新项目的使用要求。
本随动流量混气工艺中，天然气作为主动气源，氢气作为从动气源，从动气源根据主动气源的流量和组分变化自动跟随动态调整调节阀阀门开度，从而实现两种气体的混气比例稳定，混合精度高，设备整体撬装，外置带有保温和消音功能的不锈钢箱体，设备紧凑美观，便于安装和迁移。
结合实验或试验数据和现有技术对比得到的效果和优点：通过利用流量比信号粗调，组分比信号精调，真正实现了设备启动时的快速稳定随动混气调节。通过本装置氢气管线过滤调压设备选型和结构配置以及氢气前端管线材料选择，实现了氢气系统安全稳定供气。通过对氢气和天然气两种介质专门设计的静态混合器的内部结构，以及控制原理的完善，真正实现了混气系统的快速稳定的动态跟随和高度的混气精度，实现设备的真正适用性。
当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
图1是本发明实施例提供的的氢能源利用燃气掺混系统中氢气管线部分示意图。
图1中：1、长管拖车；2、混气撬装设备；3、氢气高压软管；4、放空阀； 5、手动高压球阀；6、压力变送器；7、入口球阀；8、气动紧急切断阀；9、高精度高压过滤器；10、一级调压器；11、压力表；12、一调出口阀门；13、压力变送器；14、旁通手动球阀；15、一根阀；16、安全放散阀；17、一旁通阀组；18、入口球阀；19、二级调压器；20、氢气压力表；21、流量计；22、调节阀；23、二调出口阀门；24、压力变送器；25、氢气温度计；26、温度变送器；27、二旁通阀组；28、二根阀；29、安全放散阀；30、止回阀。
图2是本发明实施例提供的天然气管线部分示意图。
图2中：31、天然气热值分析仪；32、压力变送器；33、温度变送器；34、压力表；35、天然气温度计；36、手动球阀；37、高精度过滤器；38、气动紧急切断阀；39、调压器；40、天然气压力表；41、流量计；42、调节阀；43、出口手动球阀；44、压力变送器；45、天然气旁通阀组、46、天然气根阀；47、安全放散阀。
图3是本发明实施例提供的混合气管线部分示意图。
图3中：49、静态混合器；50、仪表阀；51、差压表；52、导流管；53、多组金属板波纹填料涡流发生器；54、甲烷；55、氢气组分在线分析仪；56 压力变送器；57、温度变送器；58、混合气管线压力表；59、混合气温度计； 60、出口手动球阀；62、排污阀；63、可燃气体泄漏报警探头；64、防爆风机。
图4是本发明实施例提供的氢气阻火器示意图。
图4中：61、氢气阻火器。
图5是本发明实施例提供的天然气阻火器示意图。
图5中：48、天然气阻火器。
图6是本发明实施例提供的氢气管线部分总装示意图。
图7是本发明实施例提供的天然气管线部分总装示意图。
图8是本发明实施例提供的混合气管线部分总装示意图。
图6、7、8中：N1 NG进口；N2混合气出口；N3放散出口1；N4放散出口2；N5氢气入口；N6预留口；N7仪表风口；N8排污口(天然气)。其中，混合气出口对外接口法兰材质为20#，方便后对方管路连接。
图9是本发明实施例提供的天然气管线效果图。
图10是本发明实施例提供的氢气管线效果图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。
本发明公开实施例所提供的一种氢能源利用燃气掺混系统的氢气和天然气配比控制方法，包括：
(1)氢气和天然气管路上的气动紧急切断阀与双方进出口压力、温度变送器和可燃气体泄露自动检测报警器连锁，数值超限时切断阀自动关闭截断气源，系统停止工作，以防超限氢气和燃气泄漏与积聚。
(2)天然气和氢气管线出口压力变送器随时监控天然气和氢气调后压力达到要求范围，数值超过一定范围，控制系统报警，提示操作人员调整调压器和调节阀配合的工作压力。
(3)氢气段流量计控制氢气出口调节阀开关程度，对比天然气流量值，根据配比需求对氢气流量进行控制，达到初步混气配比要求。
(4)混气出口甲烷分析仪和氢气分析仪配合温压补偿后的流量值共同控制天然气和氢气管线上调节阀开度，精准快速控制氢气体积流量，实现加氢量的在线调节与自动跟随，达到天然气和氢气精确配比。
本发明提供一种实施所述控制方法的控制系统，所述控制系统包括：
PLC控制柜，设置有触摸屏，用于对设备的进出口压力、出口氢气含量和阀门状态的显示、调节阀开度大小的显示；参数设置；历史报警查询；数据报表查询；
工控机，用于对现场混气装置的自动控制及安全切断保护。
优选地，整个混气过程PLC控制柜根据采集的流量值、气体浓度进行自动控制；在混气过程中对出口压力、出口气体浓度实时监测，当有出口气体浓度低报和高报、出口压力低报和高报时，根据下游氢气要求设定所需连锁保护。
如图1-图5所示，本发明公开实施例所提供的一种氢能源利用燃气掺混系统包括：
(1)、氢气管线
1长管拖车(最高压力20MPa)装载氢气运至站房2混气撬装设备旁，通过连接3氢气高压软管、4放空阀(摘除软管前泄压)、5手动高压球阀(开关阀)和 6压力变送器(压力在线检测，信号远传连锁)进入混气装置中的氢气调压管线。氢气一级调压管线设置两路(一开一备)，每路线路中设置7入口球阀(手动启闭切换)、8气动紧急切断阀(该阀门为“故障关闭”型，通过装置系统PLC控制柜联锁控制)、9高精度高压过滤器(滤除灰尘、细小颗粒等杂质)、10一级调压器(稳定随动气源压力)、11氢气压力表(显示调后压力)、12一调出口阀门(手动启闭切换)进入汇气管道，汇气管设有13压力变送器(压力在线检测，信号远传连锁)，14旁通手动球阀(可连接氢气管网中压气源)、16安全放散阀、15氢气根阀和17氢气旁通阀组(安全排空和自动放散)，氢气经汇管进入二级调压管线，氢气二级调压管线设置两路(一开一备)，每路线路中设置18入口球阀(手动启闭切换)、19二级调压器(稳定随动气源压力，稍高于主动气源压力)、20氢气压力表(显示调后压力)、21氢气流量计(监测氢气随动体积流量)、22调节阀(跟随监控信号动态调节氢气随动流量)、23二调出口阀门(手动启闭切换)进入汇气管道，汇气管设有24压力变送器(压力在线检测，信号远传连锁)，25氢气温度计(显示氢气温度)、26温度变送器(温度在线检测，信号远传连锁)、29安全放散阀、28根阀和27旁通阀组(安全排空和自动放散)，两级安全阀汇总至撬外，经61阻火器后排空放散，出口设置 30止回阀(防止天然气回流)等。该管线管道材质为316L，部件均选用氢气专用材料。
(2)、天然气管线
天然气通过供气管路进入混气装置中的天然气管线。入口管线中设置31 天然气热值分析仪(检测来气天然气热值)、32压力变送器(压力在线检测，信号远传连锁)、33温度变送器(温度在线检测，信号远传连锁)、34天然气压力表(压力现场显示)、35天然气温度计(温度现场显示)，然后天然气进入调压计量管路，分为两路(一开一备)，每路入口设置36手动球阀(手动启闭切换)、37高精度过滤器(滤除水分和细小煤尘、粉尘等杂质)、38气动紧急切断阀(该阀门为“故障关闭”型，通过装置系统PLC控制柜联锁控制)、 39调压器(稳定主动气源压力)、40天然气压力表(显示调后压力)、41天然气流量计(计量天然气瞬时体积流量)、42调节阀(自动调节天然气流量)、 43出口手动球阀(手动启闭切换)进入汇气管道，汇气管上设有44压力变送器 (压力在线检测，信号远传连锁)、47安全放散阀、46天然气根阀和45天然气旁通阀组(安全排空和自动放散)汇总至撬外，经48天然气阻火器后排空放散。为了降低设备成本，该管线部件材质为碳钢，管道为常规碳钢管道。
(3)混合气管线
天然气和氢气共同进入49静态混合器进行掺混，氢气入口设置52导流管，将扩散出的氢气与天然气进行初次混合，经静态混合器中的53多组金属板波纹填料涡流发生器(两种气体经过充分混合后混合均匀性可达98％以上)将两种气体充分互混，静态混合器本体上设置50仪表阀和51差压表(实时观测填料堵塞情况)，下方低点设置62排污阀，后方管道设有54甲烷和55氢气组分在线分析仪(分析混合气中甲烷和氢气含量，并将信号实时远传控制系统，并反馈联锁调节阀实现自动控制)，后方为56压力变送器(压力在线检测，信号远传连锁)、57温度变送器(温度在线检测，信号远传连锁)、58混合气管线压力表(显示混合气压力)，59混合气温度计(显示混合气温度)、60出口手动球阀(手动启停系统)，箱体内设有63可燃气体泄漏报警探头(实时监测燃气泄漏，信号远传)和连锁的64防爆风机。
图6是本发明实施例提供的氢气管线部分总装示意图。
在本发明中，图7是本发明实施例提供的天然气管线部分总装示意图。
图8是本发明实施例提供的混合气管线部分总装示意图。
图6、7、8中：N1 NG进口；N2混合气出口；N3放散出口1；N4放散出口2；N5氢气入口；N6预留口；N7仪表风口；N8排污口(天然气) 其中，混合气出口对外接口法兰材质为20#，方便后对方管路连接。
下面结合具体设备硬件及参数对本发明作进一步描述。
实施例
(一)混气设备的技术参数
1.设备名称概况
燃气、氢气掺混设备
2.环境气候条件
·年极端最低气温：-25℃；
·极端最高气温：36.8℃；
·年平均降水量：750mm。
3.气质组分
3.1煤层气气质
由于煤层气甲烷浓度不稳定，甲烷浓度在90％—99％之间，其余部分主要为氮气、氧气、二氧化碳等，且气体中含有水分和细小煤尘、粉尘等杂质，卖方提供的设备需满足气质要求。
3.2氢气气质
氢气浓度为80％—99％
3.3掺氢比例
掺氢比例为3％—20％。
3.4流量
掺混设备小时设计流量为600方/小时，其中氢气流量为：前期3-30方/小时，后期20—120方/小时；燃气前期流量为20—120Nm3/h，后期为100—600Nm3/h。该设备预留有25％的扩展空间，在更换流量计后，该掺混设备可增加25％的设计小时流量。
3.5压力
掺混设备天然气(煤层气)进口压力：0.3—0.4Mpa。
掺混设备氢气的进口压力：20MPa(长管拖车)，后期考虑现场制氢，进口压力为0.5—0.8MPa。
掺混设备出口压力为0.25—0.3MPa，天然气氢气混合均匀。
3.6控制系统
本系统设置PLC控制柜一台，工控机一台，实现对现场混气装置的自动控制及安全切断保护功能。控制柜上设置一台触摸屏，也可在工控机上操作，实现对设备的进出口压力、出口氢气含量和阀门状态的显示、调节阀开度大小的显示；参数设置；历史报警查询；数据报表查询。
本设备根据用户出口氢气浓度要求，需要在触摸屏或工控机上修改对应参数，使混气设备出口参数满足要求；整个混气过程PLC根据采集的流量值、气体浓度进行自动控制。在混气过程中对出口压力、出口气体浓度实时监测，当有出口气体浓度低报和高报、出口压力低报和高报时，根据下游氢气特点设定所需连锁保护功能(切断氢气回路，保证设备出口气体符合要求)。混气装置通过PLC控制柜及工控机实现对整个混气系统的控制，控制柜柜体可以是非防爆的，安装在控制室内。
(二)系统工艺流程说明：
(1)天然气段
天然气通过供气管路进入混气装置中的天然气管线。线路中设置出入口球阀、过滤器、气动切断阀(该阀门应为“故障关闭”型，通过装置系统PLC控制柜控制)、调压器、流量计、调节阀、变送器、安全放散阀、检测仪表等。该管线为双路一用一备。
源头天然气进入混气管道经入口球阀、过滤器切断阀，调压计量后经调节阀到出口球阀进入混气装置。
安全阀起泄放作用，当管道内压力超过安全阀整定压力时，安全阀起跳将管道内气体排放至放散管路保证设备和人员安全。
(2)氢气段
槽车装载氢气通过氢气卸气柱管路进入混气装置中的氢气管线。线路中设置入口球阀、气动切断阀(该阀门应为“故障关闭”型，通过装置系统PLC控制柜控制)、过滤器、调压器、流量计、变送器、调节阀、出口球阀、安全放散阀等。该管线为双路一用一备。在调压部分后预留二期氢气管线接口。
源头氢气进入混气管道经入口球阀、切断阀、过滤器，通过流量计计量氢气流量，在通过调节阀调节氢气用量后经出口球阀进入混气装置。
安全阀起泄放作用，当管道内压力超过安全阀整定压力时，安全阀起跳将管道内气体排放至放散管路保证设备和人员安全。
氢气出口设置止回阀防止回流情况。
(3)内部控制(混气原理)
氢气和天然气管路上的切断阀与双方进口压力变送器连锁，当压力超过设定压力时切断阀关闭截断气源停止工作。
天然气管线出口压力变送器控制天然气出口调节阀开关程度调节混气前天然气压力达到要求范围。
氢气段流量计控制氢气出口调节阀开关程度，根据配比需求对氢气流量进行控制，达到初步混气配比要求。
混气出口甲烷分析仪和氢气分析仪共同控制氢气管线上调节阀开度控制氢气流量，达到天然气和氢气精确配比。
本发明涉及硬件仪器如下：
(a)检测仪器：天然气路进口设置甲烷浓度分析仪，混合后装置出口设置甲烷浓度分析仪与氢气浓度分析仪，卖方甲烷浓度分析仪选用品牌为日本理研，氢气浓度分析仪选用品牌为湖南拓安，该仪器检测速度快、反应灵敏、检测浓度的数据通过PLC控制柜数据接口传输给站控系统。
(b)流量计：装置的燃气部分流量计为罗茨流量计，氢气部分采用适用于计量氢气的高精度流量计，选用旋进旋涡流量计；流量计所获取的数据需通过 PLC控制柜数据接口传输给站控系统。
(c)氢气部分材质：所有用于氢气的阀门、过滤器、调压器、流量计、调节阀、切断阀、止回阀等皆选择适用于氢气气质的材质、并加工工艺、密封等。
(d)氢气部分管件的选材：因为氢气具有特殊的性质，会对管道产生氢腐蚀，氢鼓包，氢脆等影响，所以管道材质皆选择316L或316SS材质，并对管道进行脱油脱脂，并用碱性液进行抛光处理。
(e)撬装部分
(1)混气装置由1个橇装设备组成。
(2)橇座装备现场安装用垂直调整定位螺栓。栏杆、踏板、螺栓和螺帽电镀。(3)所有地脚螺栓孔中心距保持1.6mm的公差，不累积。其他连接部件位置保持6.4mm的公差。
(4)橇座在各个方向均有足够的刚性确保在长期运行中保持对中不偏移。所有负载的部件均用全渗透焊接。
(5)橇座上面板有集液边缘，并有排污接口。橇座上面板不作为旋转设备或者管道/设备的安装面。
(6)所有结构部件(除吊环和钩环)有至少2.0的安全系数。
(7)供货商根据运输条件、现场检修便利性合理设置橇体尺寸。
(8)材料的选择使混气装置的性能满足所处工况的要求，并且能保证使用寿命。
(9)主要零部件和标准件提供材料化学成分和机械性能检测报告，无损检测报告。
(f)仪表
(1)所有仪表为隔爆型，防爆等级：ExdIIBT4，防护等级：IP65。
(2)变送器4-20mA DC信号输出，24V DC电源。
(3)电磁阀采用24VDC供电，防爆等级不低于ExdIIBT4。
(4)控制阀配智能定位器，气动阀门的附件由卖方提供，取压管采用￠8不锈钢材质，气动阀门配气源三联件。
(5)就地温度指示仪表采用带不锈钢外保护套管的万向双金属温度计,表盘直径选用100mm,连接方式：螺纹连接M27×2。
(6)远传温度测量选用一体化温度变送器，带不锈钢保护套管，连接方式：螺纹连接。
(7)压力表选用不锈钢弹簧管，压力表壳体材料选用不锈钢，表盘直径选用100mm，过程接口为M20*1.5。
(8)现场接线箱选铸铝材质，防爆等级：ExeIIBT4，防护等级：IP65。
(9)布线方式：仪表接至现场接线箱的电缆钢管穿线。
(10)与执行机构相连接的气动信号管线及其管阀件等采用不锈钢材质，并采用卡套式连接方式。
下面结合本发明的设备开发过程作进一步描述。
(1)天然气+氢气混合撬，它是将天然气、氢气两种气体混合在一起的混气撬。在设备工作的过程中，本发明在充分吸收国外调压技术的基础上，结合国内实际情况，研究、开发出了具有自主知识产权的设备。具有功能齐全、性能稳定、调压精度高、结构紧凑等特点。
本发明天然气共2路一用一备，管路有球阀、过滤器、罗茨流量计、调节阀。经过滤器过滤并进行流量计量，调节阀可调节天然气的流量使满足混气比例。天然气流量Qmax＝600Nm3/h。效果示意图如图9。
氢气共2路一用一备，管路有球阀、气动切断阀、过滤器、流量计、调压器、调节阀、单向阀。经过滤器过滤、计量并进行调压使氢气压力达到所需压力，调节阀可调节氢气的流量使满足混气比例。单向阀防止混合气进入管道内。氢气流量Qmax＝120Nm3/h。效果示意图如图10。
设计设备技术参数：
天然气进口压力：0.3-0.4MPa。
氢气进口压力范围：0.5-20MPa。
混气出口压力范围：0.25-0.3MPa。
天然气进口法兰：HG20592 DN80—1.6MPa RF。
氢气进口：DN25焊接端：￠34*6。
混气出口法兰：HG20592 DN80—1.6MPa RF。
安装说明：
设备到现场后，将设备安置在基础上并使用地脚螺栓固定，并将设备与地网良好连接，混气装置的进出口法兰与用户管网法兰连接即后。经气密试验合格后，方可使用。
操作：
a、首先，观察撬内的各阀门的位置状态，压力表根阀为常开状态，其余阀门保持关闭状态。
b、先调节天然气管路的阀门，观察进口端压力，确认有来气压力后，缓慢的打开入口阀门，然后打开计量后阀门，(混气出口阀门是关闭的)。
c、然后再同样的方式打开氢气管路的阀门，调节一级和二级调压器，使氢气压力达到使用压力。在调压及使用过程中，要时刻注意空气管路的进出口压力值。
d、本发明可以先通天然气到下游官网供用户使用，然后打开氢气路出口阀门进行掺混，通过调节各参数使出口氢气含量达到要求。
e、停用时，先关闭各管路入口端阀门，待撬内余气使用完毕，然后关闭混气撬出口阀门，如常期停用，将混气撬内余气通过排污阀排除。
控制系统
本发明设有PLC控制柜，控制柜盘面上有触摸屏一台，控制室还有工控机一套。触摸屏和工控机上可以同时显示混气撬内各远传仪表数值、阀门状态及进行相关操作等。
各主要部件包括：
调压器
a、天燃气：技术参数：299H DN50；进口压力：0.3-0.4MPa出口压力：0.3MPa。
氢气小路：技术参数：44-2200；
DN25进口压力：20MPa；
出口压力：0.5MPa。
氢气大路：技术参数：44-3200DN25；
进口压力：0.5MPa；
出口压力：0.3MPa。
b、调整压力步骤：
*调压器：调节压力前，请详细阅读调压器《使用说明书》。按使用说明书进行操作。
c、调压器的维护：
每日检查调压器的工作压力是否正常，调压器的输出压力在±5％以内变化为正常；由于气体流量的变化调压器的输出压力超出正常供气压力时，应及时调整调压器的出口压力。
罗茨流量计：
技术参数：DN80 PN16流量：1000Nm3/H工作压力：0.05MPa 数量：2。
技术参数：DN100 PN16流量：3000Nm3/H工作压力：0.65-0.8MPa 数量：2。
旋进旋涡流量计：
小路:技术参数：DN15 PN16流量：0.5-9m3/h工作压力：0.3MPa 数量：1
大路:技术参数：DN25 PN16流量：3-30m3/h工作压力：0.3MPa 数量：1。
阀门：
a、阀门开启转轴太紧时可滴加机油润滑。
b、阀门开启转轴部位发生漏气时，可用扳手拧紧压兰盖上的螺钉，拧螺钉应对称加力，不可一侧偏重，另一侧偏轻。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的公开后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。
应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围应由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种氢能源利用燃气掺混系统的氢气和天然气配比控制方法，其特征在于，所述氢能源利用燃气掺混系统的氢气和天然气配比控制方法包括：
氢气和天然气管路上的气动切断阀与氢气和天然气进出口压力、温度变送器和可燃气体泄露自动检测报警器连锁，数值超过设定值正负20％时所述气动切断阀自动关闭截断氢气和天然气气源；
天然气和氢气管线出口压力变送器实时监控天然气和氢气调后压力，数值超过设定值正负10％范围时，控制系统进行报警；
氢气段流量计控制氢气出口调节阀开关程度，对比天然气流量值，根据配比需求，对氢气流量进行控制，实现氢气混气配比符合设定值；
混气出口的检测设备配合温压补偿后的流量值共同控制天然气和氢气管线上调节阀开度，控制氢气体积流量，进行加氢量的在线调节与自动跟随，实现天然气和氢气配比。
2.如权利要求1所述的氢能源利用燃气掺混系统的氢气和天然气配比控制方法，其特征在于，氢气混气配比中按体积比设定值为：氢气掺混量为3％～20％；
混气出口的检测设备包括：甲烷分析仪和氢气分析仪。
3.一种实施权利要求1～2任意一项所述控制方法的控制系统，其特征在于，所述控制系统包括：
PLC控制柜，设置有触摸屏，用于对设备的进出口压力、出口氢气含量和阀门状态的显示、调节阀开度大小的显示；参数设置；历史报警查询；数据报表查询；
工控机，用于对现场混气装置的自动控制及安全切断保护。
4.一种如权利要求3所述的控制系统，其特征在于，整个混气过程PLC控制柜根据采集的流量值、气体浓度进行自动控制；在混气过程中对出口压力、出口气体浓度实时监测，当有出口气体浓度低报和高报、出口压力低报和高报时，根据下游氢气要求设定所需连锁保护。
5.一种氢能源利用燃气掺混系统，其特征在于，所述氢能源利用燃气掺混系统包括：
氢气管线装置，源头氢气进入混气管道经入口球阀、气动切断阀、过滤器，通过流量计计量氢气流量，再通过调节阀调节氢气用量后经出口球阀进入混气装置；
天然气管线装置，源头天然气进入混气管道经入口球阀、过滤器切断阀，调压计量后经调节阀到出口球阀进入混气装置；
混气装置，混气出口的检测设备混配合温压补偿后的流量值共同控制天然气和氢气管线上调节阀开度，控制氢气体积流量，进行加氢量的在线调节与自动跟随，实现天然气和氢气配比。
6.如权利要求5所述的氢能源利用燃气掺混系统，其特征在于，所述氢气管线装置包括：
长管拖车装载氢气运至站房混气撬装设备旁，通过连接氢气高压软管、放空阀、手动高压球阀和压力变送器进入混气装置中的氢气调压管线。氢气一级调压管线设置两路，每路线路中设置入口球阀、气动紧急切断阀、高精度高压过滤器、一级调压器、氢气压力表、一调出口阀门进入汇气管道，汇气管设有压力变送器，旁通手动球阀、安全放散阀、氢气根阀和氢气旁通阀组，氢气经汇管进入二级调压管线，氢气二级调压管线设置两路，每路线路中设置入口球阀、二级调压器、氢气压力表、氢气流量计、调节阀、二调出口阀门进入汇气管道，汇气管设有压力变送器，氢气温度计、温度变送器、安全放散阀、根阀和旁通阀组，两级安全阀汇总至撬外。
7.如权利要求6所述的氢能源利用燃气掺混系统，其特征在于，经阻火器后排空放散，出口设置止回阀，防止氢气气回流；氢气管线装置管线管道材质为316L。
8.如权利要求5所述的氢能源利用燃气掺混系统，其特征在于，天然气管线装置包括：
入口管线中设置天然气热值分析仪、压力变送器、温度变送器、天然气压力表、天然气温度计，然后天然气进入调压计量管路，分为两路，每路入口设置手动球阀、高精度过滤器、气动紧急切断阀、调压器、天然气压力表、天然气流量计、调节阀、出口手动球阀进入汇气管道，汇气管上设有压力变送器、安全放散阀、天然气根阀和天然气旁通阀组汇总至撬外。
9.如权利要求8所述的氢能源利用燃气掺混系统，其特征在于，经天然气阻火器后排空放散。
10.如权利要求5所述的氢能源利用燃气掺混系统，其特征在于，混气装置包括：
天然气和氢气共同进入静态混合器进行掺混，氢气入口设置导流管，将扩散出的氢气与天然气进行初次混合，经静态混合器中的多组金属板波纹填料涡流发生器将两种气体充分互混，静态混合器本体上设置仪表阀和差压表，下方低点设置排污阀，后方管道设有甲烷和氢气组分在线分析仪，后方为压力变送器、温度变送器、混合气管线压力表，混合气温度计、出口手动球阀，箱体内设有实时监测燃气泄漏的可燃气体泄漏报警探头和连锁的防爆风机。
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