CN112628602A - 一种掺氢天然气运输分离系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种掺氢天然气运输分离系统及其控制方法，系统包括氢气缓冲罐、天然气调压器、天然气掺氢混气装置、监控模块、掺氢天然气分离提纯装置、氢气储存装置；天然气与氢气分别经氢气缓冲罐及天然气调压器进行压力处理后，由天然气输运管道运输至天然气掺氢混气装置得到掺氢天然气，通过天然气管道运输至掺氢天然气分离提纯装置得到纯氢供氢气设备使用或储存。本系统利用天然气管道对氢气进行运输分离，可有效降低氢气运输成本促进能源的高效利用。

Description

一种掺氢天然气运输分离系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及掺氢天然气运输及分离的技术领域，尤其是一种掺氢天然气运输分离系统及其控制方法。

背景技术

氢能作为一种可储存、发电、燃烧的清洁能源，其具有燃烧界限宽、分布广泛、能量密度高、转化率高和用途广的特点，是我国能源转型的一个重大战略方向。目前全球氢能用途主要集中在交通、备用电源及移动设备，但氢气的使用价格却要高于传统油气燃料，高昂的成本严重影响了氢能的商业化进度。随着太阳能和风能制氢、电解水制氢等氢气制取技术的迅速发展，将弃光、弃风、弃水的电量转化为氢气作为能量载体进行存储可有效降低制取成本。目前氢能产业发展的瓶颈问题是氢气的运输成本，各类氢气运输方式的运输成本普遍占据最终成本的30％甚至以上。在现有的气氢拖车、液氢槽车和氢气管道等各种运输方式中，管道运输运输价格最低且运输距离适用性最广，但其建造成本过高且相应标准较少难以实现。

天然气和氢气同属气体能量载体，物性具有一定的相似性。天然气的压缩、储存、管输、燃烧设施等基础设施对氢气有一定的适应性。因此可根据管道设施的区别确定相应掺氢比，然后通过将氢气与天然气混合形成掺氢天然气，再然后注入天然气管道来输送掺氢天然气。2019年9月30日，国家电投2019年重点项目--朝阳可再生能源掺氢示范项目第一阶段工程圆满完工。该项目是国内首个天然气掺氢项目，填补了国内天然气管道掺氢规范和标准空白。天然气管道运输掺氢天然气技术的运用是氢能运输方面的重要发展方向。

通过已有天然气管道运输掺氢天然气，可有效降低氢气的运输成本。但天然气掺氢后会降低其能量密度。因此，如何提高掺氢天然气的能量利用率是当前亟需解决的问题。

发明内容

本发明目的是一种掺氢天然气运输分离系统及其控制方法，具有实现天然气掺氢运输及分离降低氢气运输成本的特点。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种掺氢天然气运输分离系统及其控制方法，包括氢气缓冲罐、天然气调压器、天然气掺氢混气装置、监控模块、第一电控三通阀、掺氢天然气分离提纯装置、第二电控三通阀、氢气储存装置；

天然气通过天然气调压器后经输气管道输送至天然气掺氢混气装置，所述天然气掺氢混气装置输出的掺氢天然气经天然气供气管道被输送至掺氢天然气分离提纯装置，经过提纯分离后输送至天然气用户或直接输送至天然气用户；

氢气通过氢气缓冲罐后经输气管道输送至天然气掺氢混气装置，所述天然气掺氢混气装置输出的掺氢天然气经天然气供气管道被输送至掺氢天然气分离提纯装置，经过提纯分离后经电控三通阀输送至氢气储存装置或输送至氢气设备；

本发明进一步的改进在于，天然气掺氢混气装置设有第一监控端，第一监控端与监控模块相连接，天然气掺氢混气装置通过天然气管道输出掺氢天然气；

所述第一电控三通阀设有第二监控端，第二监控端与监控模块相连接，其设有阀门一、二、三分别连接天然气掺氢混气装置、掺氢天然气分离提纯装置、天然气用户；

所述掺氢天然气分离提纯装置设有第三监控端，第三监控端与监控模块相连接，掺氢天然气分离提纯装置分别通过氢气管道、氢气天然气管道输出氢气及天然气；

所述第二电控三通阀设有第四监控端，第四监控端与监控模块相连接，其设有阀门四、五、六分别连接掺氢天然气分离提纯装置、氢气储存装置、用氢设备；

所述氢气储存装置设有第五监控端，第五监控端与监控模块相连接；

所述监控模块对天然气掺氢混气装置、第一电控三通阀、掺氢天然气分离提纯装置、第二电控三通阀及氢气储存装置进行监测控制；

本发明进一步的改进在于，天然气掺氢混气装置采用实时配气系统，可根据传感器参数有效控制天然气掺氢比；

本发明进一步的改进在于，掺氢天然气分离提纯装置采用变压吸附对掺氢天然气进行分离；

本发明进一步的改进在于，电控三通阀阀门一、二、三、四、六为单向阀，阀门五为双向阀，其中一、四、五、六阀门设有电子流量计；

本发明进一步的改进在于，掺氢天然气在天然气管道中掺氢比调控范围为0～3％；

进一步的，在天然气掺氢混气装置中可由实时配气系统根据设定范围调控掺氢比，产生的掺氢天然气掺氢比精度在0.4％。

本发明进一步的改进在于，包括：

当天然气用量大于氢气用量时，掺氢天然气经第一电控阀阀门一-阀门三到达掺氢天然气分离提纯装置，其中阀门二处于关闭状态，分离所得天然气前往天然气用户，分离所得氢气分别经阀门五、六前往氢气储存装置及氢气用户；

当天然气用量低于氢气用量时，掺氢天然气经第一电控阀阀门一-阀门二直接到达天然气用户，其中阀门三处于关闭状态，氢气由氢气储存装置经第二电控阀阀门五、六到达氢气用户；

与其他常规运输方式相比，本系统利用天然气管道对掺氢天然气进行运输后分离得到纯氢及低掺氢比天然气分别使用，掺氢天然气亦可直接为天然气用户使用，且掺氢天然气燃烧产物中污染物含量较纯天然气更低。但为了提高能量利用率，氢需要被分离并用于高效的终端设备，如燃料电池汽车等氢能用户。在有效提高掺氢天然气的能量利用率的同时可促进能源的清洁利用。

附图说明

图1为一种掺氢天然气运输分离系统及其控制方法的系统原理图

图中，1为氢气缓冲罐、2为天然气调压器、3为天然气掺氢混气装置、4为监控模块、5为第一电控三通阀、6为掺氢天然气分离提纯装置、7为第二电控三通阀、8为氢气储存装置、9阀门一、10阀门二、11阀门三、12阀门四、13阀门五、14阀门六。

图中实线为天然气流动路线、粗实线为掺氢天然气流动路线、点线为氢气流动路线、双点线为监控线路。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。

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。

本系统提出了一种掺氢天然气运输分离系统，天然气管道对掺氢天然气进行运输后分离得到纯氢及低掺氢比天然气分别使用，掺氢天然气亦可直接为天然气用户使用，且掺氢天然气燃烧产物中污染物含量较纯天然气低，在有效提高掺氢天然气的能量利用率的同时可促进能源的清洁利用。

其具有降低氢气运输成本、减少污染物生成量、提高能源利用率等优点。

参见图1，一种掺氢天然气运输分离系统，包括氢气缓冲罐1、天然气调压器2、天然气掺氢混气装置3、监控模块4、第一电控三通阀5、掺氢天然气分离提纯装置6、第二电控三通阀7与氢气储存装置8。

第一电控三通阀5在掺氢天然气入口处设有阀门一9，天然气出口设有阀门二10，氢气出口设有阀门三11。

第一电控三通阀7在氢气入口出设有阀门四12，氢气出口前往储存装置处设有阀门五13，氢气出口前往氢气用户处设有阀门六14。

氢气缓冲罐1及天然气调压器2出口分别与天然气掺氢混气装置3的氢气入口及天然气入口相连，天然气掺氢混气装置3出口可经阀门一9到达第一电控阀5由阀门二10出直达天然气用户，或由阀门三11出达到掺氢天然气分离提纯装置6，掺氢天然气分离提纯装置6具有两个出口，一个做为分离后的天然气出口连接至天然气用户，另一个做为纯氢出口通过阀门四12连接第二电控阀7，纯氢再第二电控阀7经阀门五13与氢气储存装置8连接，也可通过阀门六14达到氢气用户。

所述的天然气掺氢混气装置3采用实时配气系统，系统配气组分偏差≤2％，压力、流量相应时间≤1s，掺氢天然气掺氢比控制在0～3％。

所述的监控模块4与其他监控端需采用光纤传递数据，可实时监测各监控端实时数据，控制电控阀阀门开度。

所述的掺氢天然气分离提纯装置采用变压吸附对掺氢天然气进行分离，基于氢离子在分子筛中扩散速率不同，分子筛由多种材料分层装填复合组成，工作压力在2.0MPa。

本系统的运行方法如下：氢气和天然气分别通过氢气缓冲罐1及天然气调压器2处理，使压力处于天然气掺氢混气装置3所需压力范围，输出指定掺氢比掺氢天然气进入天然气管道，经过第一电控阀前往天然气用户或先经掺氢天然气分离提纯装置6后前往天然气用户，掺氢天然气达到掺氢天然气分离提纯装置6后纯氢经第二电控阀7前往氢气储存装置及氢气用户。

本系统的控制方法如下：

当系统中氢气用户的氢气用量小于天然气用户的用量时，监控模块将控制第一电控阀阀门二变为关闭状态，阀门一及阀门三保持开启状态，掺氢天然气经阀门一、阀门三到达分离提纯装置，分离所得低掺氢比天然气前往天然气用户，分离所得氢气根据氢气用户需求量经阀门六去往氢气用户，剩余氢气则经阀门五前往氢气储存装置。

当系统中氢气用户的氢气用量高于天然气用户的用量时，监控模块将控制第一电控阀阀门一、二变为开启状态，掺氢天然气将直接经阀门一、二到达天然气用户，控制阀门三、四变为关闭状态，控制氢气储存装置释放氢气经第二电控阀阀门五、六到达氢气用户。

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。

Claims (7)

1.一种掺氢天然气运输分离系统，其特征在于，包括氢气缓冲罐、天然气调压器、天然气掺氢混气装置、监控模块、第一电控三通阀、掺氢天然气分离提纯装置、第二电控三通阀、氢气储存装置；

所述天然气掺氢混气装置设有第一监控端，第一监控端与所述监控模块相连接，天然气掺氢混气装置通过天然气管道输出掺氢天然气；

所述第一电控三通阀设有第二监控端，第二监控端与所述监控模块相连接，所述第一电控三通阀设有阀门一、阀门二、阀门三，分别连接天然气掺氢混气装置、掺氢天然气分离提纯装置、天然气用户；

所述掺氢天然气分离提纯装置设有第三监控端，第三监控端与所述监控模块相连接，掺氢天然气分离提纯装置分别通过氢气管道、天然气管道输出氢气及天然气；

所述第二电控三通阀设有第四监控端，第四监控端与监控模块相连接，其设有阀门四、阀门五、阀门六并分别连接掺氢天然气分离提纯装置、氢气储存装置、用氢设备；

所述氢气储存装置设有第五监控端，第五监控端与所述监控模块相连接；

所述监控模块对天然气掺氢混气装置、第一电控三通阀、掺氢天然气分离提纯装置、第二电控三通阀及氢气储存装置进行监测控制。

2.根据权利要求1所述的一种掺氢天然气运输分离系统，其特征在于，天然气掺氢混气装置采用实时配气系统，可根据传感器参数有效控制天然气掺氢比。

3.根据权利要求1所述的一种掺氢天然气运输分离系统，其特征在于，掺氢天然气分离提纯装置采用变压吸附对掺氢天然气进行分离。

4.根据权利要求1所述的一种掺氢天然气运输分离系统，其特征在于，第一电控三通阀阀门一、二、三，第二电控三通阀阀门四、六为单向阀，阀门五为双向阀，其中一、四、五、六阀门设有电子流量计。

5.根据权利要求1所述的一种掺氢天然气运输分离系统，其特征在于，掺氢天然气在天然气管道中掺氢比调控范围为0～3％。

6.根据权利要求1所述的一种掺氢天然气运输分离系统，其特征在于，监控模块可监测各监控端各项参数，控制电控阀各阀门开度。

7.根据权利要求1所述的一种掺氢天然气运输分离系统的控制方法，其特征在于，当系统中氢气用户的氢气用量小于天然气用户的用量时，监控模块控制第一电控阀阀门二变为关闭状态，阀门一及阀门三保持开启状态，掺氢天然气经阀门一、阀门三到达分离提纯装置，分离所得低掺氢比天然气前往天然气用户，分离所得氢气根据氢气用户需求量经阀门六去往氢气用户，剩余氢气则经阀门五前往氢气储存装置；

当系统中氢气用户的氢气用量高于天然气用户的用量时，监控模块将控制第一电控阀阀门一、二变为开启状态，掺氢天然气将直接经阀门一、二到达天然气用户，控制阀门三、四变为关闭状态，控制氢气储存装置释放氢气经第二电控阀阀门五、六到达氢气用户。

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