一种对天然气掺氢比例精确控制的方法与设备

本发明涉及气体加注技术领域，尤其是涉及一种对天然气掺氢比例精确控制的方法与设备。

背景技术：

随着科技的不断发展，人类对能源的需求日益增加，化石能源终将面临枯竭，这促使人们对新能源进行开发与利用。氢气作为可再生能源，具有燃烧速度快、燃烧界限宽、能量高、可循环利用、环保等优点，缺点是运输成本较高。

中国是世界范围内氢能产量最大的国家，未来氢能产业的发展的关键是氢能的运输与高效利用。天然气在当今世界范围内受到广泛应用，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。

所述掺氢天然气(hcng)具有快速燃烧，着火范围宽，排放低等优点。氢气替代部分天然气燃烧提供热能和电能，有利于缓解天然气供应压力。还可以将掺氢天然气(hcng)分离为氢气和天然气，用于单独使用，从而完成氢气的储存与运输。

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。因此，国内外对天然气的掺氢比例有着严格的要求。

如今，我国对于掺氢天然气(hcng)的应用仍处于初级阶段，还未达到大片区域覆盖。加氢气的模式单一，只能加注固定比例的掺氢天然气(hcng)，无法根据实际情况灵活调控混合气中的掺氢比。现有天然气管网材料类型多，使用环境差异大，操作压力不一，将氢气掺入天然气管网面临着复杂的安全问题，而且管道的服役年限和材料的不同对掺氢比例都有不同的要求，过高的掺氢比会影响管道的密封性。

本发明克服了只能加注特定比例的掺氢混合气，提供了一种对天然气掺氢比例精确控制的方法与设备。

技术实现要素：

本发明的目的是提供了一种对天然气掺氢比例精确控制的方法与设备,实现对氢气掺入比例的实时调控，保证天然气掺氢的安全性与可靠性，从而达到氢气安全运输的目的。

一种对天然气掺氢比例精确控制的方法的具体步骤如下：

步骤(1)保证天然气与氢气在未混合前的压力相等，这样所采集的流量值进行计算后才能真实准确的表达氢气所占的比例。

步骤(2)确定掺氢天然气(hcng)中需要掺入的氢气比例，将这一具体数值输入控制系统。

步骤(3)采集已存在的天然气管道内的天然气压力，将所采集的天然气压力值输入控制系统。

步骤(4)采集天然气管道内的天然气流量，将所采集的天然气流量值输入控制系统。

步骤(5)制备所得到的氢气经过过滤装置进行过滤，通过氢气管道注入压缩机进行增压。

步骤(6)采集增压过后管道内的氢气压力，将所采集的氢气压力值输入控制系统。

步骤(7)采集增压过后管道内的氢气流量，将所采集的氢气流量值输入控制系统。

步骤(8)在控制系统中，将步骤(3)中所采集的天然气压力值与步骤(6)中采集的氢气压力值进行比较；如果天然气压力值大于氢气压力值，则控制系统输出信号控制压缩机对氢气进行增压；如果天然气压力值小于氢气压力值，则控制系统输出信号控制压缩机对氢气进行减压。

步骤(9)在控制系统中，将步骤(4)中所采集的天然气流量值与步骤(7)中采集的氢气流量值进行计算，计算出天然气中所掺入的氢气比例。如果掺入的氢气比例高于目标比例，则控制系统输出信号控制电磁流量阀减小阀门开度，减小氢气流量；如果掺入的氢气比例低于目标比例，则控制系统输出信号控制电磁流量阀加大阀门开度，增大氢气流量。

考虑到，步骤(8)改变氢气压力的同时对氢气流量也有一定的影响、步骤(9)改变氢气流量的同时对氢气压力也有一定的影响，因此步骤(3)、(4)、(6)、(7)中各元件需保持实时数据的采集与传输，并与控制系统进行循环反馈。通过以上步骤可以对天然气中掺入的氢气比例进行精确控制，并能灵活调控所掺入的氢气比例。

一种对天然气掺氢比例精确控制的设备，包括：管路部分和控制部分；所述管路部分包括：天然气管路、氢气管路；所述天然气管路上装有天然气电磁控制阀、天然气压力传感器、天然气体积流量计；所述氢气管路装有氢气过滤器、氢气电磁控制阀、氢气压缩机、氢气流量调节阀、氢气压力传感器、止回阀、氢气体积流量计；所述控制部分包括plc控制系统、显控装置；所述plc控制系统收集并处理天然气压力传感器、氢气压力传感器、天然气体积流量计、氢气体积流量计所采集的数据，输出相应信号对所述天然气电磁控制阀、氢气电磁控制阀、氢气压缩机、氢气流量调节阀进行控制；所述显控装置用于显示输入到plc控制系统的数据、对目标掺氢比进行数据输入、对系统进行急停控制。

更进一步地，还包括泄漏检测部分，在氢气管路的始末两端设置了两个氢气流量计，对进入氢气管路的氢气量和离开氢气管路的氢气量分别进行测量，将所采集的数据进行校对，从而达到检测氢气是否泄漏的目的；当检测到氢气泄露，由plc控制系统发出信号使天然气电磁控制阀、氢气电磁控制阀关闭，以截断天然气和氢气的供应源头。

本发明提供了一种对天然气掺氢比例精确控制的方法与设备,实现对氢气掺入比例的实时调控，保证天然气掺氢的安全性与可靠性，从而达到氢气安全运输的目的。

附图说明

图1为一种对天然气掺氢比例精确控制设备的结构示意图。

其中：1-天然气电磁控制阀；2-天然气压力传感器；3-天然气体积流量计；4-氢气体积流量计；5-止回阀；6-氢气压力传感器；7-氢气流量调节阀；8-氢气体积流量计；9-氢气压缩机；10-氢气电磁控制阀；11-氢气过滤器；12-plc控制系统；13-显控装置。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

本发明实施例提供了一种对天然气掺氢比例进行精确控制的方案与设备，如图1所示，本发明的整体部件包括管路部分、控制部分、泄漏检测部分。

管路部分，包括：天然气管路、氢气管路。所述天然气管路上装有天然气电磁控制阀1、天然气压力传感器2、天然气体积流量计3；所述氢气管路装有氢气体积流量计4、止回阀5、氢气压力传感器6、氢气流量调节阀7、氢气体积流量计8、氢气压缩机9、氢气电磁控制阀10、氢气过滤器11。

控制部分，包括：plc控制系统12、显控装置13。所述plc控制系统13收集并处理天然气压力传感器2、氢气压力传感器6、天然气体积流量计3、氢气体积流量计4、氢气体积流量计8所采集的数据，输出相应的信号对所述天然气电磁控制阀1、氢气电磁控制阀10、氢气压缩机9、氢气流量调节阀7进行控制；所述显控装置13用于显示天然气压力传感器2、氢气压力传感器6、天然气体积流量计3、氢气体积流量计4、氢气体积流量计8输入plc控制系统12的数据，对目标掺氢比进行数据输入，对系统进行急停控制。

泄漏检测部分：本发明在氢气管路的始末两端设置了氢气流量计4、氢气流量计8，氢气流量计8用于对进入氢气管路的氢气量进行测量，氢气流量计4用于对离开氢气管路并进入天然气管路的氢气量进行测量，将所采集的数据传输到plc控制系统12并进行校对，从而达到检测氢气是否泄漏的目的。当检测到氢气泄露，由plc控制系统12发出信号控制天然气电磁控制阀1、氢气电磁控制阀10关闭，以截断天然气和氢气的供应源头。

一种对天然气掺氢比例精确控制的设备的具体布置方案及各部件功用如下：

所述天然气管路依次设有天然气电磁控制阀1(根据plc控制系统13给出的信号来控制天然气管道的通断)、天然气压力传感器2(采集管道内的天然气压力,并将所采集的天然气压力值输入plc控制系统12)、天然气体积流量计3(采集管道内的天然气流量，并将所采集的天然气流量值输入到plc控制系统12)。

所述氢气管路依次设有氢气过滤器11(过滤掉所制得氢气中的杂质)、氢气电磁控制阀10(根据plc控制系统12给出的信号来控制氢气管道的通断)、氢气压缩机9(给氢气增压)、氢气体积流量计8(采集管道内的氢气流量，并将所采集的氢气流量值输入plc控制系统12)、氢气流量调节阀7(根据plc控制系统12给出的信号来调节管道内氢气流量的大小)、氢气压力传感器6(用于采集管道内的氢气压力,并将所采集的氢气压力值输入plc控制系统12)、止回阀5(防止流体倒流)、氢气体积流量计4(用于采集管道内的氢气流量，并将所采集的氢气流量值输入plc控制系统12)。

所述控制部分，包括：plc控制系统12(对所采集的实时数据进行分析、计算，并进行信号输出，进而达到控制效果)、显控装置13(显示输入到plc控制系统12的数据、对目标掺氢比进行数据输入、对系统进行急停控制)。

一种对天然气掺氢比例精确控制的设备的具体运行方案如下：

(1)通过操控显控装置13，向plc控制系统12输入目标掺氢比a，开始向天然气管道中掺入氢气。

(2)将天然气压力传感器2所采集的管道内的天然气压力值p1与氢气压力传感器6所采集的管道内的氢气压力值p2分别输入plc控制系统12进行比较，如果p1>p2，则plc控制系统12输出信号控制氢气压缩机9对氢气进行增压；如果p1<p2，则plc控制系统12输出信号控制压缩机对氢气进行减压。

(3)将天然气体积流量计3所采集的管道内的天然气流量值m1与氢气体积流量计4所采集的管道内的氢气流量值m2分别输入plc控制系统12并结合步骤(1)中所输入的目标掺氢比a进行计算，如果m2>a*(m1+m2)，则plc控制系统12输出信号控制氢气流量调节阀7来减小氢气流量；如果m2<a*(m1+m2)，则plc控制系统12输出信号控制氢气流量调节阀7来增大氢气流量。

考虑到，步骤(2)改变氢气压力的同时对氢气流量也有一定的影响、步骤(3)改变氢气流量的同时对氢气压力也有一定的影响，因此天然气压力传感器2、氢气压力传感器6、天然气体积流量计3、氢气体积流量计4需保持实时数据的采集与传输，并与plc控制系统12进行循环反馈。

(4)氢气流量计8用于对进入氢气管路的氢气量进行测量，氢气流量计4用于对离开氢气管路并进入天然气管路的氢气量进行测量，将所采集的数据传输到plc控制系统12并进行校对，从而达到检测氢气是否泄漏的目的。当检测到氢气泄露，由plc控制系统12发出信号控制天然气电磁控制阀1、氢气电磁控制阀10关闭，以截断天然气和氢气的供应源头。

本发明提供了一种对天然气掺氢比例精确控制的方法与设备,实现对氢气掺入比例的实时调控，保证天然气掺氢的安全性与可靠性，从而达到氢气安全运输的目的。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。