CN113405025B - 一种天然气稳定掺氢控制方法及应用 - Google Patents

一种天然气稳定掺氢控制方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种天然气稳定掺氢控制方法，包括以下步骤：步骤一，将天然气门站的掺氢天然气通过燃气管网输送到下游社区用户，所述燃气管网安装多级减压阀；步骤二，在下游社区用户的特定点安装固体燃料电池；步骤三，掺氢天然气在进户之前首先进入固体燃料电池，通过固体燃料电池发电入户。通过掺氢天然气分布式控制方法，解决了掺氢天然气管道输送利用问题，通过减压阀实现了天然气掺氢在充电桩内的分布状态与供电模式达到很好匹配效果，拓展了应用方向。

Description

一种天然气稳定掺氢控制方法及应用
技术领域
本发明属于氢能利用技术领域，尤其涉及一种天然气稳定掺氢控制方法及应用。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
由于氢能来源广泛、清洁低碳，高效灵活，在推动全球能源转型、实现绿色可持续发展的过程中扮演关键角色。氢气输送是氢能利用的重要环节，其远距离输送问题受到广泛关注。目前氢气主要是以高压氢瓶长管拖车输送、液氢槽罐车输送和液氢驳船输送等，但这些方法储运成高，效率低，难以解决氢气的长距离、大规模、低成本输送难题。因此，在目前氢气输配基础设施还不完善的条件下，将氢气以一定比例掺入天然气，利用现有的天然气管网混输氢气是一种向氢能源过渡的可行方式。近年来，国多内外学者一直在研究如何在已有的现役天然气管网中混输天然气和氢气，以减少温室气体的排放，提高氢气输送效率。根据调研，现阶段国内外涉及掺氢天然气管道输送工艺流程的专利主要有：
中国专利CN111732077A公开了一种氢气生产的节能高效利用系统，包括罐体，罐体内安装有多组加热管，加热管一侧罐体上安装加水装置，加水装置一侧移动连通进水口，进水口开设位于罐体侧壁上，进水口远离加水装置一侧设有加热装置，加热装置安装位于罐体外侧壁上，加水装置上方罐体内壁上固定连接固定板，固定板上滑动卡接多组出气装置，出气装置上方设有多组原料处理装置，使得能够无需停止设备进行加水工作，避免直接加入冷水导致温度过低进而影响工作效率和效果的情况，便于客户使用，使得能够氢气原料受热更均匀保温效果更好，同时保证足量的水蒸气与原料反应，提高了反应效率，减少设备的投入，本发明操作简单，发明性强，便于推广使用。
中国专利CN111717889A公开了一种便携式制氢装置，涉及制氢技术，包括反应器、清洗器、吸收过滤器、氢气袋以及雾化瓶，其中反应器、清洗器、吸收过滤器、氢气袋以及雾化瓶均通过管道连接，在所述反应器连接有第一进水管，在所述雾化瓶上连接有接吸氢管，在所述第一进水管上设置有阀门，在所述吸收过滤器和氢气袋之间的管道以及氢气袋与所述雾化瓶之间的管道均设置有阀门。本发明公开的装置可以制取清洁有湿度的氢气，保证氢气的质量。
中国专利CN107314242A公开了一种氢气天然气的掺混运输和分离装置，包括用于输送物料的输送管路，输送管路设有氢能输入口以及用于将氢能与物料进行掺混的掺混装置；输送管路另一端还设有用于将氢能分离出来的分离纯化装置，分离纯化装置上设置有氢能输出口。本申请所提供的氢气天然气的掺混运输和分离装置对现有的物料的输送管路进行改造，通过加设氢能输入口和氢能输出口、并在输入和输出过程中通过将氢能和物料进行掺混和分离，实现对实现氢能的输送。本发明利用现有的物料输送管线实现大量高效稳定的氢能运输，可以实现最经济的氢能运输方式，为城市区域的氢能应用提供的必要的支持。
现有的专利对氢气的生产、储存与利用大都采用制氢装置产生氢气，对氢气天然气的混合输送也大都掺混后要进行分离，成本高、推广应用难。同时，氢气的密度为0.090Kg/Nm3,甲烷的密度为0.717Kg/Nm3，两者密度相差很大，极易产生分层现象，影响利用效率。
因此，提出一种天然气稳定掺氢控制方法，进而对氢气的产生、掺混输送、利用等进行合理的布局优化，降低投资，降低安全风险，保证系统稳定运行，增加氢气利用的可行性，具有重要的意义。
发明内容
针对上述现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种天然气稳定掺氢控制方法，解决氢气储存输送利用难度大、成本高、分层的难题，增加氢气利用的可行性和适用性。
为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：
本发明的第一方面，提供一种天然气稳定掺氢控制方法，包括以下步骤：
步骤一，将天然气门站的掺氢天然气通过燃气管网输送到下游社区用户，所述燃气管网安装多级减压阀；
步骤二，在下游社区用户的特定点安装固体燃料电池；
步骤三，掺氢天然气在进户之前首先进入固体燃料电池，通过固体燃料电池发电入户。
本发明的第二个方面，提供上述天然气稳定掺氢控制方法在燃料电池充电桩方面的应用。
本发明的第三个方面，提供上述天然气稳定掺氢控制方法在城市供电方面的应用。
与现有技术相比，本发明的以上一个或多个实施例的有益技术效果为：
(1)本发明的天然气稳定掺氢控制方法，采用分布式方式，解决了掺氢天然气管道输送的利用问题，成本低，安全性高，有利于减少二氧化碳排放，促进氢能产业。同时，将掺氢天然气送入固体燃料电池后，还可送入居民用户内，相比传统将掺氢天然气分离后再送入居民用户的方式，不仅节约了流程，降低了成本，更为重要的是，可以提高效率。
(2)本发明的控制方法可以用于充电桩中，不仅安全可靠，其充电效果甚至优于现有技术中直接接入电网的方式。由于可以独立于电网，在用电高峰期可以对城市的用电需求进行补充，还可以应用于偏远地区的充电、供电运营需求。
(3)本发明在所述燃气管网安装多级减压阀可以使掺氢燃气在管道中处于稳定流动，不发生分层，进而可以应用于多种领域中，扩展了应用领域，提高了应用灵活性。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是本发明实施例1提供的一种天然气稳定掺氢控制方法流程图。
1、天然气门站，2、掺氢天然气，3、天然气、氢气掺混装置，4、燃气输送管道，5、固体氧化物燃料电池，6、居民用户。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如前所述，现有对氢气天然气的混合输送大都掺混后要进行分离，成本高、推广应用难，且存在分层的现象，影响利用效率。
有鉴于此，本发明设计了一种天然气稳定掺氢控制方法，解决了氢气储存输送利用难度大、成本高、分层的难题，增加了氢气利用的可行性和适用性。
本发明的第一方面，提供一种天然气稳定掺氢控制方法，包括以下步骤：
步骤一，将天然气门站的掺氢天然气通过燃气管网输送到下游社区用户；
步骤二，在下游社区用户的特定点安装固体燃料电池；
步骤三，掺氢天然气在进户之前首先进入固体燃料电池，通过固体燃料电池发电入户。
在一种典型实施方式中，步骤一中，所述燃气管网安装多级减压阀，现有技术中的减压阀是通过调节，将进口压力减至某一需要的出口压力，并依靠介质本身的能量，使出口压力自动保持稳定的阀门，本发明采用减压阀通过改变节流面积，使流速及流体的动能改变，造成不同的压力损失，使掺氢燃气在管道中处于稳定流动，不发生分层。发明人发现，通过利用减压阀减小系统压力，可以使天然气和氢气的压力处于相对平衡状态，使得掺氢天然气在管道流动过程中改善了分层现象的发生。申请人还进一步发现，控制减压阀不同的压力对分层现象的改善效果不同，当控制减压阀压力为0.5MPa-8MPa范围内，可以最大程度改善分层现象，当压力低于0.5MPa时，掺氢天然气的压力不足以使得流动状态处于发生足够平衡的状态，当压力高于8MPa时，掺氢天然气的压力太大使得压力振摆幅度大，无法发挥稳压效果，进而无法改善掺氢天然气的分层现象。优选的，为了进一步改善分层现象，在减压阀内设置翅片，能够均匀扰动管内气体，使之出于湍流状态，进一步保障管内气体不分层。
在一种典型实施方式中，步骤一中，所述多级减压阀的设置方式为：比例式减压阀与稳定式减压阀串联应用，首先根据入口压力按比例调整出口压力，然后进入稳定式减压阀将压力降到设定数值。
在一种典型实施方式中，步骤一中，天然气门站的掺氢天然气可以来源于上游管道，也可在门站就地掺入氢气，天然气门站出站气体含氢量为5％-20％，若含氢量高于20％，则会引起氢脆、氢致开裂、氢鼓包和脱碳等氢损伤；进入燃气输送管道的氢气量由管道中天然气的量动态控制，掺氢比例为该工况下的额定值。
在一种典型实施方式中，步骤一中，门站就地掺氢装置通过内置的逻辑控制系统，能够根据下游进入燃气管道的天然气量，以额定掺氢比，控制掺混如燃气管网的氢气的量，并均匀混合好天然气和氢气。
在一种典型实施方式中，步骤一中，部分地上燃气管道采用多材质(如：PE、碳钢、铸铁等)并联形式，便于在运行的过程中，实时监测掺氢天然气对不同材质管道及零部件的影响，便于对整个系统的运营情况及巡检防护周期做参考比对。
在一种典型实施方式中，步骤二中，安装点的布置采用K-means算法优化布置，采用“星状-枝状”联合的分布方式，且安装点应采用一用一备的方式布置固体燃料电池，使固体燃料电池的数目、功率与居民用户用电高峰期适配；“星状-枝状”的分布方式可以避免当一处安装点发生故障，引起其他安装点均无法使用的弊端，同时能将固体燃料电池的安装成本降低，使社区对固体燃料电池的接受程度提高。
在一种典型实施方式中，步骤二中，所述K-means算法的具体过程为：预将用户数分为K组，随机选取K个布置点作为初始的聚类中心，然后计算每个用户与各个布置点之间的距离，把每个用户分配给距离它最近的布置点，布置点以及分配给它们的用户就代表一个聚类，每分配一个用户，聚类的布置点会根据聚类中现有的用户被重新计算，不断重复直到社区所有用户计算完成。
在一种典型实施方式中，步骤三中，固体燃料电池前安装流量随动调压阀，流量随动调压阀能根据燃气流量与固体燃料电池发电量控制开度，既能满足固体燃料电池的处理压力，又能满足处理流量。优选的，固体燃料电池的入口压力大于2.0KPa，在此压力下可以将掺氢天然气稳定送入固体燃料电池系统中，发电功率大于3.0KW，能够满足供应需求。
本发明的第二个方面，提供上述天然气稳定掺氢控制方法在燃料电池充电桩方面的应用。
现有技术中，掺氢天然气均是用于车载式燃料电池，其燃料在汽车搭载的燃料电池中，与大气中的氧气发生氧化还原反应，产生出电能来带动电动车工作，由电动机带动汽车中的机械传动结构，进而带动汽车的前桥等行走机械结构工作，从而驱动电动汽车前进。而充电桩输入端却是直接连接电网，输出端装有充电插头为电动汽车充电。两者工作方式的差异来源于在车载式燃料电池中，气体燃料可以通过减压阶段和加湿器加湿被供应到燃料电池堆，而混合气体在充电桩内的分布状态与其供电模式无法达到很好的匹配，进而影响供电效果。本申请通过减压阀控制掺氢天然气的分布状态可以与充电桩工作模式达到很好的协调效果，进而满足供电需求。
本发明的第三个方面，提供上述天然气稳定掺氢控制方法在城市供电、氢能综合利用、氢进万家方面的应用。
充电桩可以与城市供电网络相连，在用电高峰期由充电桩对城市的用点需求进行补充，由于脱离了电网，这种模式对偏远地区的充电、供电运营具有重要的实践价值。
实施例1
一种天然气稳定掺氢控制方法，包括以下步骤：
步骤一，将天然气门站的掺氢天然气通过燃气管网输送到下游用户，氢气含量为5％，门站就地掺氢装置通过内置的逻辑控制系统，能够根据下游进入燃气管道的天然气量，以额定掺氢比，控制掺混如燃气管网的氢气的量，并均匀混合好天然气和氢气；燃气管网安装多级减压阀，比例式减压阀与稳定式减压阀串联应用，控制减压阀出口压力1.0MPa，多级减压阀使掺氢燃气在管道中处于稳定流动，不发生分层；多级减压阀内还设置翅片，能够均匀扰动管内气体，使之处于湍流状态，进一步保障管内气体不分层。同时，燃气管网中的管道采用PE和碳钢并联的方式，便于在运行过程中，实时监测掺氢天然气对不同材质管道及零部件的影响，便于对整个系统的运营情况及巡检防护周期做参考比对。
步骤二，在下游社区用户的特定点安装固体燃料电池，安装点的布置采用K-means算法优化布置，预将用户数分为K组，随机选取K个布置点作为初始的聚类中心，然后计算每个用户与各个布置点之间的距离，把每个用户分配给距离它最近的布置点，布置点以及分配给它们的用户就代表一个聚类，每分配一个用户，聚类的布置点会根据聚类中现有的用户被重新计算，不断重复直到社区所有用户计算完成。采用“星状-枝状”联合的分布方式，安装点采用一用一备的方式布置固体燃料电池，使固体燃料电池的数目、功率与居民用户用电高峰期适配；
步骤三，掺氢天然气在进户之前首先进入固体燃料电池，通过固体燃料电池发电入户，固体燃料电池前安装流量随动调压阀，流量随动调压阀能根据燃气流量与固体燃料电池发电量控制开度，既能满足固体燃料电池的处理压力，又能满足处理流量；控制固体燃料电池的入口压力大于2.0KPa，发电功率大于3.0KW即可。
实施例2
一种天然气稳定掺氢控制方法，包括以下步骤：
步骤一，将天然气门站的掺氢天然气通过燃气管网输送到下游用户，氢气含量为15％，门站就地掺氢装置通过内置的逻辑控制系统，能够根据下游进入燃气管道的天然气量，以额定掺氢比，控制掺混如燃气管网的氢气的量，并均匀混合好天然气和氢气；燃气管网安装多级减压阀，比例式减压阀与稳定式减压阀串联应用，控制减压阀出口压力4.0MPa，多级减压阀使掺氢燃气在管道中处于稳定流动，不发生分层；多级减压阀内还设置翅片，能够均匀扰动管内气体，使之处于湍流状态，进一步保障管内气体不分层。同时，燃气管网中的管道采用PE和碳钢并联的方式，便于在运行过程中，实时监测掺氢天然气对不同材质管道及零部件的影响，便于对整个系统的运营情况及巡检防护周期做参考比对。
步骤二，在下游社区用户的特定点安装固体燃料电池，安装点的布置采用K-means算法优化布置，预将用户数分为K组，随机选取K个布置点作为初始的聚类中心，然后计算每个用户与各个布置点之间的距离，把每个用户分配给距离它最近的布置点，布置点以及分配给它们的用户就代表一个聚类，每分配一个用户，聚类的布置点会根据聚类中现有的用户被重新计算，不断重复直到社区所有用户计算完成。采用“星状-枝状”联合的分布方式，安装点采用一用一备的方式布置固体燃料电池，使固体燃料电池的数目、功率与居民用户用电高峰期适配；
步骤三，掺氢天然气在进户之前首先进入固体燃料电池，通过固体燃料电池发电入户，固体燃料电池前安装流量随动调压阀，流量随动调压阀能根据燃气流量与固体燃料电池发电量控制开度，既能满足固体燃料电池的处理压力，又能满足处理流量；控制固体燃料电池的入口压力大于2.0KPa，发电功率大于3.0KW即可。
实施例3
一种天然气稳定掺氢控制方法，包括以下步骤：
步骤一，将天然气门站的掺氢天然气通过燃气管网输送到下游用户，氢气含量为20％，门站就地掺氢装置通过内置的逻辑控制系统，能够根据下游进入燃气管道的天然气量，以额定掺氢比，控制掺混如燃气管网的氢气的量，并均匀混合好天然气和氢气；比例式减压阀与稳定式减压阀串联应用，控制减压阀出口压力6.0MPa，多级减压阀使掺氢燃气在管道中处于稳定流动，不发生分层；多级减压阀内还设置翅片，能够均匀扰动管内气体，使之处于湍流状态，进一步保障管内气体不分层。同时，燃气管网中的管道采用PE和碳钢并联的方式，便于在运行过程中，实时监测掺氢天然气对不同材质管道及零部件的影响，便于对整个系统的运营情况及巡检防护周期做参考比对。
步骤二，在下游社区用户的特定点安装固体燃料电池，安装点的布置采用K-means算法优化布置，预将用户数分为K组，随机选取K个布置点作为初始的聚类中心，然后计算每个用户与各个布置点之间的距离，把每个用户分配给距离它最近的布置点，布置点以及分配给它们的用户就代表一个聚类，每分配一个用户，聚类的布置点会根据聚类中现有的用户被重新计算，不断重复直到社区所有用户计算完成。采用“星状-枝状”联合的分布方式，安装点采用一用一备的方式布置固体燃料电池，使固体燃料电池的数目、功率与居民用户用电高峰期适配；
步骤三，掺氢天然气在进户之前首先进入固体燃料电池，通过固体燃料电池发电入户，固体燃料电池前安装流量随动调压阀，流量随动调压阀能根据燃气流量与固体燃料电池发电量控制开度，既能满足固体燃料电池的处理压力，又能满足处理流量；控制固体燃料电池的入口压力大于2.0KPa，发电功率大于3.0KW即可。
对比例1
将控制减压阀压力设置为0.4MPa，其他参数条件与实施例1相同。
对比例2
将控制减压阀压力设置为8.5MPa，其他参数条件与实施例1相同。
性能测试
按照实施例1-3和对比例1-2的控制方法，以山东省济南市的某一小区为考察对象，并与现有技术中传统的充电桩充电效果相比较，考察了安全性、稳定性等指标，如下表1所示。
表1实施例1-3、对比例1-2和现有技术充电桩充电效果比较
发电效率 安全性 稳定性
实施例1 90％ 非常高 非常好
实施例2 88％ 非常高 非常好
实施例3 85％ 非常高 非常好
对比例1 40％ 一般 较差
对比例2 35％ 一般 较差
现有技术 60％ 一般 一般
由上可以看出，将减压阀压力控制在本申请所述范围内才可以获得最好的供电效果。本申请的控制方法可以取得与现有技术充电方式相当的技术效果，具有重要的实践意义。
以上实施例中未尽事宜为公知技术。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种天然气稳定掺氢控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，将天然气门站的掺氢天然气通过燃气管网输送到下游社区用户，所述燃气管网安装多级减压阀；所述多级减压阀设置方式为：比例式减压阀与稳定式减压阀串联应用，首先根据入口压力按比例调整出口压力，然后进入稳定式减压阀将压力降到设定数值；控制稳定式减压阀出口压力为0.5 MPa-8 MPa；在减压阀内设置翅片，均匀扰动管内气体，使之出于湍流状态；
步骤二，在下游社区用户的特定点安装固体燃料电池；安装点的布置采用K-means算法优化布置，采用“星状-枝状”联合的分布方式，且安装点应采用一用一备的方式布置固体燃料电池，使固体燃料电池的数目、功率与居民用户用电高峰期适配；
步骤三，掺氢天然气在进户之前首先进入固体燃料电池，通过固体燃料电池发电入户。
2.根据权利要求1所述的天然气稳定掺氢控制方法，其特征在于，步骤一中，天然气门站的掺氢天然气可以来源于上游管道，也可在门站就地掺入氢气，天然气门站出站气体含氢量为5%-20%，进入燃气输送管道的氢气量由管道中天然气的量动态控制，掺氢比例为该工况下的额定值。
3.根据权利要求1所述的天然气稳定掺氢控制方法，其特征在于，步骤一中，门站就地掺氢装置通过内置的逻辑控制系统，能够根据下游进入燃气管道的天然气量，以额定掺氢比，控制掺混入燃气管网的氢气的量，并均匀混合好天然气和氢气。
4.根据权利要求1所述的天然气稳定掺氢控制方法，其特征在于，步骤一中，部分地上燃气管道采用多材质并联形式。
5.根据权利要求1所述的天然气稳定掺氢控制方法，其特征在于，步骤三中，固体燃料电池前安装流量随动调压阀，流量随动调压阀能根据燃气流量与固体燃料电池发电量控制开度。
6.权利要求1-5任一项所述天然气稳定掺氢控制方法在燃料电池充电桩方面的应用。
7.权利要求1-5任一项所述天然气稳定掺氢控制方法在城市供电方面的应用。
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