CN112649042A - 一种城市天然气掺氢混合效果实验测定装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种城市天然气掺氢混合效果实验测定装置，包括气体混合装置及仪器测量装置，所述气体混合装置包括甲烷储存罐、氢气储存罐、气源分配控制柜、支架、气体混合管路及混合单元，所述甲烷储存罐及氢气储存罐分别通过管道与气源分配控制柜相连，所述气体混合管路设置在支架上，所述混合单元设置在气体混合管路内部，所述气源分配控制柜与气体混合管路之间通过两条管道与气体混合管路相连，所述仪器测量装置包括压力计、浓度测量仪、高速纹影摄像机及电脑数据采集仪。本发明的有益效果是：通过给定两组气体的体积分数比例，可以实时测量得到不同比例氢气和天然气混合的效果。
Description
技术领域
本发明涉及城市天然气掺氢管道输运技术领域，具体涉及一种城市天然气掺氢混合效果实验测定装置。
背景技术
早在30年前，掺氢天然气（HCNG）已经被研究用于内燃机燃烧做功以取代天然气（CNG）。目前，关于HCNG用于燃气灶燃烧的研究并不多见，主要体现在掺氢工艺方法、混合气体燃烧机理两方面。研究掺氢工艺的难点在于充分混合（减小H2与CNG分层现象）。目前，大部分学者着眼于利用相对较大的混合容器，提高混合接触面积与时间，尽量使H2与CNG在混合容器中混合均匀。虽然混合容器对储用量相对较小内燃机较为适用，但是对于用量较大且波动性较大的社区燃气供给不一定适用。因为混合容器尺寸较大且存在较大的漏氢风险。此外，HCNG燃烧机理也存在很多不确定性。虽然内燃机HCNG燃烧机理相关研究较多也可以借鉴，但是内燃机主要关注做功能力与燃烧热值的关系（功热转换），而燃气灶主要考虑的是放热过程快慢、燃烧是否充分以及燃烧热值大小。此外内燃机内燃烧是定容过程，而燃气灶燃烧是定压过程。因此综合理论与实验研究HCNG混合与燃烧机理十分重要。
本发明将两种不同气体甲烷和氢气通过该实验装置混合，研究在SK型静态混合器中的不同比例氢气掺混（5%、10%、15%、20%）的混合效果。将得到的组分浓度大小通过不均匀度COV计算公式计算，评价甲烷和氢气掺混的混合效果，为后续给Fluent软件模拟做数据参考和城市天然气掺氢项目关键技术研究提供指导和借鉴意义。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提出了一种城市天然气掺氢混合效果实验测定装置，根据实际城市居民用燃气的实际情况，不同比例的氢气掺混天然气对最终的混合气体影响能够得到更为直观的展现。
本发明的技术方案如下：
一种城市天然气掺氢混合效果实验测定装置，其特征在于，包括气体混合装置及仪器测量装置，所述气体混合装置包括甲烷储存罐、氢气储存罐、气源分配控制柜、支架、气体混合管路及混合单元，所述甲烷储存罐及氢气储存罐分别通过管道与气源分配控制柜相连，所述气体混合管路设置在支架上，所述混合单元设置在气体混合管路内部，所述气源分配控制柜与气体混合管路之间通过两条管道与气体混合管路相连，所述仪器测量装置包括压力计、浓度测量仪、高速纹影摄像机及电脑数据采集仪，所述压力计、浓度测量仪及高速纹影摄影机记录的数据均保存在电脑数据采集仪中。
所述的一种城市天然气掺氢混合效果实验测定装置，其特征在于，所述甲烷储存罐与气源分配控制柜之间的连接管道上设有第一截止阀，所述氢气储存罐与气源分配控制柜之间的连接管道上设有第二截止阀。
所述的一种城市天然气掺氢混合效果实验测定装置，其特征在于，所述气源分配控制柜与气体混合管路之间的两条管道上分别设有第一电磁流量计、第二电磁流量计。
所述的一种城市天然气掺氢混合效果实验测定装置，其特征在于，所述气体混合管路垂直固定在支架上。
所述的一种城市天然气掺氢混合效果实验测定装置，其特征在于，所述第一电磁流量计所在管道通氢气，且与连接在气体混合管路左侧，所述第二电磁流量计所在管道通甲烷，且连接在气体混合管路底部入口。
所述的一种城市天然气掺氢混合效果实验测定装置，其特征在于，所述仪器测量装置还包括气体回收处理装置，所述气体回收处理装置设置在气体混合管路出口处，避免可燃性气体泄漏，发生危险。
所述的一种城市天然气掺氢混合效果实验测定装置，其特征在于，所述仪器测量装置还包括实验台，所述高速纹影摄像机及电脑数据采集仪固定设置在实验台上。
所述的一种城市天然气掺氢混合效果实验测定装置，其特征在于，所述压力计和浓度测量仪分别设置在气体混合管路出口段，用于测量混合气体的压力变化和混合气体组分浓度大小。
所述的一种城市天然气掺氢混合效果实验测定装置，其特征在于，所述混合单元为SK型静态混合器。
所述的一种城市天然气掺氢混合效果实验测定装置，其特征在于，所述气体混合管路为透明玻璃管。
本发明的有益效果是：
1）本发明所述的一种城市天然气掺氢混合效果实验测定装置，通过给定两组气体的体积分数比例，可以实时测量得到不同比例氢气和天然气混合的效果。此外，气体混合管路出口压力和气体组分浓度大小被实时记录，计算得到不同比例氢气和天然气混合的不均匀度COV值用来评价该混合过程的优劣；
2）本发明所述的一种城市天然气掺氢混合效果实验测定装置，高速纹影摄像机记录的气体在混合单元混合过程可以从实际角度揭示两种不同气体混合过程的机理，进一步为后续Fluent软件模拟提供数据参考和城市天然气掺氢项目关键技术研究提供指导和借鉴意义。
附图说明
图1为本发明的城市天然气掺氢混合效果实验测定装置系统原理图；
图2为本发明的气体混合管路出口气体浓度测定点示意图；
图3为本发明的SK型静态混合器结构示意图；
图中：1-甲烷储存罐；2-氢气储存罐；3-第一截止阀；4-第二截止阀；5-气源分配控制柜；6-第一电磁流量计；7-第二电磁流量计；8-支架；9-气体混合管路；10-混合单元；11-压力计；12-气体回收处理装置；13-浓度测量仪；14-高速纹影摄像机；15-电脑数据采集仪；16-实验台。
具体实施方式
下面结合说明书附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，城市天然气掺氢混合效果实验测定装置，装置主要分为气体混合装置和仪器测量装置。所述甲烷（CH4）储存罐1、氢气（H2）储存罐2、第一截止阀3、第二截止阀4、气源分配控制柜5、第一电磁流量计6、第二电磁流量计7、支架8、气体混合管路9和混合单元10组成气体混合装置部分；压力计11、气体回收处理装置12、浓度测量仪13、高速纹影摄像机14、电脑数据采集仪15和实验台16组成仪器测量装置部分。
甲烷储存罐1和氢气储存罐2分别通过管路与分别与气源分配控制柜5相连接；所述第一截止阀3和第二截止阀4分别设置在甲烷储存罐1和氢气储存罐2与气源分配控制柜5相连接的管路上，第一截止阀3和第二截止阀4分别控制气流的通断。
气源分配控制柜5的两个出口分别与气体混合管9通过管路相连接，且两个管路上分别设有第一电磁流量计6、第二电磁流量计7，进一步达到控制气流质量流率的效果；其中第一电磁流量计6所在管路连接在气体混合管路9左侧，第二电磁流量计7所在管路连接在气体混合管路9底部入口；第一电磁流量计6所在管路为氢气气路，第二电磁流量计7所在管路为甲烷气路；
气源分配控制柜5的作用是设定实验过程甲烷和氢气的体积分数大小和进口压力大小；进一步地，气流经过气源分配控制柜5时，（气源分配控制柜5带有防气体泄漏监测装置）可以检测不同气体的纯度大小和是否管路存在气体泄漏，当出现管路气体泄漏时，会将信号传递给第一电磁流量计6和第二电磁流量计7，及时报警并切断气流。
气体混合管路9垂直固定在支架8上，气体混合管路9内部包含混合单元10，混合单元10为SK型静态混合器，数量为3个；气体混合管路9的出口处通过细管检测探头设置a,b,c,d四点位置用于测量流过混合气体的浓度值，如图2所示。
混合单元10放置在气体混合管路9中固定位置，在气体混合管路9的出口处设置压力计11检测点和浓度测量仪13检测点，用于测量混合气体的压力变化和混合气体组分浓度大小；得到的数据记录储存在电脑数据采集仪15中；气流经过混合单元10时，固定在实验台16上的高速纹影摄像机14对混合段的混合单元10气流流动形态拍摄不同时间间隔图片；气体混合管路9为透明玻璃管，在气流中用碳-13（C13）标记甲烷气体，通过高速纹影摄像机14可记录不同时刻混合气体在混合单元10内的分布情况。
高速纹影摄像机14固定在实验台16上，用于测量混合气体在混合单元10中的两种不同气体在混合过程中组分浓度变化，根据不同时刻气体组分变化拍摄多张图片记录储存在电脑数据采集仪15中，便于后续数据处理分析。
气体混合管路9的出口处连接气体回收处理装置12，避免可燃性气体泄漏，发生危险。
图3为本发明的SK型静态混合器结构示意图，整个结构包括气体混合管路9和混合单元10，出口处气体组分浓度大小测量位置如图2所示，图中a,b,c,d按径向曲率变化分别取点设置探头位置，测得的气体组分浓度大小通过不均匀度COV计算公式得到COV的值作为混合效果参考指标；
进一步地，相关学者研究表明，当两相流混合的不均匀度COV值≤5%时，可以认为该混合过程已经达到均匀。因此，以此作为本实验参考依据十分有必要；
进一步地，所述城市天然气掺氢混合效果实验测定装置系统的不均匀度COV计算表达式为：
；
其中，COV为不均匀度；n为单元点数；i为1,2,3……；ci为某点浓度值；
为浓度平均值。
工作过程：
甲烷（CH4）储存罐1和氢气（H2）储存罐2中分别储存一定量实验所需的气体，实验过程中，打开第一截止阀3和第二截止阀4，两股气流进入气源分配控制柜5中，用户根据实际实验情况，在气源分配控制柜5上设置相应的两股气体体积分数，例如：甲烷体积分数80%，氢气体积分数20%。相应的当气流流经第一电磁流量计6和第二电磁流量计7记录流入气体混合管路9的甲烷和氢气的质量流率；
进一步地，所述气体混合管路9垂直固定在支架8上，气流流经气体混合管路9中的混合单元10，最后，气流从气体混合管路9出口流出。此时，压力计11和浓度测量仪13记录出口混合气体的压力和气体组分浓度大小；
进一步地，高速纹影摄影机14同时记录多组两股气体在混合单元10中流动的照片，便于分析两相流气体混合过程和提供实际数值模拟作参考；
进一步地，压力计11、浓度测量仪13和高速纹影摄影机14记录的数据均保存在电脑数据采集仪15中。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种城市天然气掺氢混合效果实验测定装置，其特征在于，包括气体混合装置及仪器测量装置，所述气体混合装置包括甲烷储存罐（1）、氢气储存罐（2）、气源分配控制柜（5）、支架（8）、气体混合管路（9）及混合单元（10），所述甲烷储存罐（1）及氢气储存罐（2）分别通过管道与气源分配控制柜（5）相连，所述气体混合管路（9）设置在支架（8）上，所述混合单元（10）设置在气体混合管路（9）内部，所述气源分配控制柜（5）与气体混合管路（9）之间通过两条管道与气体混合管路（9）相连，所述仪器测量装置包括压力计（11）、浓度测量仪（13）、高速纹影摄像机（14）及电脑数据采集仪（15），所述压力计（11）、浓度测量仪（13）及高速纹影摄影机（14）记录的数据均保存在电脑数据采集仪（15）中。
2.根据权利要求1所述的一种城市天然气掺氢混合效果实验测定装置，其特征在于，所述甲烷储存罐（1）与气源分配控制柜（5）之间的连接管道上设有第一截止阀（3），所述氢气储存罐（2）与气源分配控制柜（5）之间的连接管道上设有第二截止阀（4）。
3.根据权利要求1所述的一种城市天然气掺氢混合效果实验测定装置，其特征在于，所述气源分配控制柜（5）与气体混合管路（9）之间的两条管道上分别设有第一电磁流量计（6）、第二电磁流量计（7）。
4.根据权利要求1所述的一种城市天然气掺氢混合效果实验测定装置，其特征在于，所述气体混合管路（9）垂直固定在支架（8）上。
5.根据权利要求1所述的一种城市天然气掺氢混合效果实验测定装置，其特征在于，所述第一电磁流量计（6）所在管道通氢气，且与连接在气体混合管路（9）左侧，所述第二电磁流量计（7）所在管道通甲烷，且连接在气体混合管路（9）底部入口。
6.根据权利要求1所述的一种城市天然气掺氢混合效果实验测定装置，其特征在于，所述仪器测量装置还包括气体回收处理装置（12），所述气体回收处理装置（12）设置在气体混合管路（9）出口处，避免可燃性气体泄漏，发生危险。
7.根据权利要求1所述的一种城市天然气掺氢混合效果实验测定装置，其特征在于，所述仪器测量装置还包括实验台（16），所述高速纹影摄像机（14）及电脑数据采集仪（15）固定设置在实验台（16）上。
8.根据权利要求1所述的一种城市天然气掺氢混合效果实验测定装置，其特征在于，所述压力计（11）和浓度测量仪（13）分别设置在气体混合管路（9）出口段，用于测量混合气体的压力变化和混合气体组分浓度大小。
9.根据权利要求1所述的一种城市天然气掺氢混合效果实验测定装置，其特征在于，所述混合单元（10）为SK型静态混合器。
10.根据权利要求1所述的一种城市天然气掺氢混合效果实验测定装置，其特征在于，所述气体混合管路（9）为透明玻璃管。
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