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方案

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
为克服相关技术中存在的问题，本专利技术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：根据本专利技术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。根据本专利技术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。根据本专利技术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，天然气管线装本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：/n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；/n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；/n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；/n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。/n

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩民，韩铁岭，赵连宽，史忠强，周建军，闫义忠，李军明，
申请(专利权)人：山西铭石煤层气利用股份有限公司，欧科能源技术天津有限公司，
类型：发明
国别省市：山西;14