CN115046139A - 一种利用天然气管道混合送氢装置、掺氢装置及分配系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用天然气管道混合送氢装置、掺氢装置及分配系统，其中利用天然气管道混合送氢装置包括天然气管道，所述天然气管道内设氢气管道；所述天然气管道传输尾端密封，所述氢气管道沿天然气管道轴向继续向前延伸，所述天然气管道侧壁上开有天然气出气分管。通过送氢装置、掺氢装置及分配系统的配合，有效利用现有的天然气管道，实现氢气气源从运输、混合到供给用户终端的使用，实现对现有管道的优先利用，降低输氢运氢的成本，且能提高掺氢比例，对氢能源发展具有促进意义。

Description

一种利用天然气管道混合送氢装置、掺氢装置及分配系统

技术领域

本发明属于新能源的技术领域，具体涉及一种利用天然气管道混合送氢装置、掺氢装置及分配系统。

背景技术

氢能源是一种二次能源，它是通过一定的方法利用其它能源制取的,而不像煤、石油和天然气等可以直接从地下开采几乎完全依靠化石燃料，氢能源是未来国家能源体系的重要组成部分，是用能终端实现绿色低碳转型的重要载体。氢能源被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源，氢能产业是战略性新兴产业和未来产业重点发展方向。

在氢能源的发展中，氢气的运输成本约占加氢站最终氢气成本的 30% ～ 40%。掺氢会使泄漏、燃爆的危险增加，且掺氢比例的增加会增大该影响，一定程度上增加了管网的总体运行风险。而氢气的经济运输的确是制约氢能产业发展的瓶颈性问题。利用已有相对完善的天然气管道设施，掺入一定比例的氢气进行传输，已成为欧美各国的研究热点。

2007 年在荷兰实施的 Sustainable Ameland项目经过4年的实际运行证明，掺氢对低压非金属管道的影响可以忽略不计，对如橡胶密封、阀门、铜管和计量设施的影响很小，用户终端的点火、回火、泄露、火焰稳定等均能满足规范要求，掺氢后能使燃烧产生的碳氧化物和氮氧化物的排放量大幅降低，环保效益明显。目前全球最大规模、第一个 PTM 项目为德国奥迪公司的 E－Gas 项目，通过6. 3 MW的风电电解水装置，制得的氢气再与二氧化碳发生甲烷化反应生成甲烷，然后注入到天然气管道中。德国最大的 PTH 项目位于美因茨，该项目使用风电和市电电解水制氢，规模为3.75 MW，然后把氢气掺入运行压力为0.6～0.8 MPa 的低压天然气管道，掺氢比例为 15%。从欧美天然气管道掺氢 ( Hydrogeninjection into the gas grid，HIGG) 实际项目的运行情况来看，在一定掺氢比例范围内技术上是可行的。

有研究表明，由于密度差异，管输同样能量氢气的压缩机功耗约是天然气的3. 3倍以上，掺氢10%的氢气就会使压缩机能耗增加约 12%，使得管输氢气的成本大幅高于管输天然气。但对于区域性的中低压天然气管道无需增压站，故无需考虑和评估对压缩机的影响。掺氢会影响原天然气计量设施的计量精度，对掺氢比例≥5%时，计量设施就需要更换或改进。掺氢比例＜ 5%则对管道和终端用户的影响有限。天然气掺氢后会增压天然气内燃机的热效率，但产生的热量总量降低。天然气内燃机对掺氢比例的限制为≤2%，最大可能的比例约为 10%。对于其他下游工业用户的影响，目前全球范围内尚没有系统详细的评估结果。

荷兰企业SoluForce开发了一种用于氢气应用的可缠绕增强热塑性工业管道系统(RTP，也称为 FCP)。经认证，SoluForce FCP 可用于高达42 bar工作压力的氢气应用，这在氢运输领域独一无二。与钢铁材质管道相比，这种即用型柔性管道解决方案有望极大地促进绿氢的规模化应用。SoluForce的柔性输氢管道方案解决了传统钢铁管道最关键的安装成本高问题和氢损伤问题。SoluForce于 2000 年首次在中东布置了SoluForce柔性复合管道解决方案，这些管道至今仍在使用。截止目前，SoluForce已在全球范围内安装了超过3500 公里柔性管道，在各种应用中进行了广泛的现场验证，包括石油和天然气公用管道、配水/注入管道、石油和天然气输送流线、石油和天然气收集线。

这些国际经验都为我国传统油气行业参与氢能产业、实现低碳转型提供了关键方向和路径。

本发明主要提供了一套针对现有天然气管道混合输运氢及终端掺氢的系统，充分利用国内现有的天然气管道。

发明内容

基于掺氢后对管道材料、压缩机和管件等的影响，对居民、燃气轮机和内燃机等下游用户的影响，对管道泄露与运行安全的影响等，本发明提供了一种利用天然气管道混合送氢装置、掺氢装置及分配系统，有效利用现有的天然气管道，实现氢气气源从运输、混合到供给用户终端的使用，实现对现有管道的优先利用，降低输氢运氢的成本，且能提高掺氢比例，对氢能源发展具有促进意义。

本发明采用以下技术方案：一种利用天然气管道混合送氢装置，包括天然气管道，所述天然气管道内设氢气管道；所述天然气管道传输尾端密封，所述天然气管道侧壁上开有天然气出气分管。

进一步的，还包括送气压力表、送气调节阀和送气流量计，所述送气压力表、送气调节阀、送气流量计、氢气管道依次连接。

进一步的，所述天然气管道的出口处安装有氢气纯度表。

进一步的，所述天然气管道内部的氢气管道为单根或多根，多根氢气管道时管径可相同或不同。

进一步的，所述氢气管道采用柔性管道。

进一步的，所述氢气管道的管径小于或等于天然气管道的管径的60%。

进一步的，所述氢气管道的管内压力小于或等于所述天然气管道的管内压力。

进一步的，所述氢气管道的管内压力与所述天然气管道的管内压力两者的压力差小于或等于20%。

本发明还提供一种掺氢装置，包含前述的一种利用天然气管道混合送氢装置和掺氢混合器，所述掺氢混合器设于一种利用天然气管道混合送氢装置的末端；所述掺氢混合器包括进气管一、锥形喷射嘴、进气管二、出气管、混合筒体、若干圆柱筒和若干小导管，所述进气管一、进气管二分别用于输入天然气、氢气，混合筒体采用内外层双层结构，伸入所述混合筒体内层的进气管一末端设有锥形喷射嘴，所述进气管二与混合筒体外层连通；所述混合筒体内层均布若干小导管，所述小导管与混合筒体外层连通，每个小导管上开有若干出气孔。

进一步的，所述进气管一、出气管沿同一轴线分布；所述进气管二为两个，对称分布在进气管一的左右两侧，若干小导管沿混合筒体内层的进气管一左右两侧均布，且朝向出气管方向倾斜设置。

进一步的，掺氢装置还包括颈状喉管和锥形喷嘴，混合筒体内层与进气管一对应的另一端依次连接有锥形喷嘴、出气管，所述锥形喷嘴内设有中间窄、两端宽的颈状喉管。

本发明还提供一种分配系统，包含前述的掺氢装置、逆止阀一、截止阀一、截止阀二、截止阀三、流量计一、流量计二、流量计三、压力表、调节阀一和调节阀二，所述天然气依次经逆止阀一、截止阀一、流量计一、调节阀一进入掺氢混合器的进气管一中，所述氢气经逆止阀二、截止阀二、调节阀二、流量计二进入掺氢混合器的进气管二中，掺氢混合器输出的混合气体经截止阀三、压力表、流量计三输出给用户。

进一步的，分配系统还包括独立设置的安全监测系统，用于监测天然气、氢气传输过程中系统的内部压力、氢气含量及输出预警信息。

采用本发明技术方案，本发明的有益效果为：

（1）利用现有的天然气管道内置铺设氢气管道，无需额外大工程重新布线，可操作性强，易安装、易拓展，不会对原有管道进行大的改造，大大减少新建氢气管道成本，实现了氢气和天然气分开且同时同线路运传输；由于氢气管道被外环的天然气管道所包裹，氢气即使泄露也不会直接泄露到空气中，最大限度减少氢气的泄露量，有利于加强对氢气的泄露监测；氢气运输容量可以通过调节氢气管道尺寸或者直接增加氢气管道数量进行拓展，不受终端用户对掺氢比例的限制；

（2）将氢气和天然气分别输入到掺氢混合器中，利用文丘里管的压差原理，最大限度让气体充分混合的同时确保小的内阻损失；通过安全监测系统和各类阀门、仪表等配合，能准确确定系统运行信息及状态，实时监测和显示、控制氢气混合比例等后传输给用户端；

（3）采用本发明的装置，可应用于天然气及氢气以外的其他两种可混合的气体传输，具有使用灵活简单、安装维护成本低，可广泛应用于气体传输和混合等领域，可推广复制性强。

附图说明

图1是本发明的利用天然气管道混合送氢的过程示意图；

图2是一种利用天然气管道混合送氢装置的示意图；

图3a是第一种利用天然气管道混合送氢装置的管道截面示意图；

图3b是第二种利用天然气管道混合送氢装置的管道截面示意图；

图3c是第三种利用天然气管道混合送氢装置的管道截面示意图；

图4是天然气管道混合送氢装置的管道终端截面示意图；

图5是一种掺氢装置的结构示意图；

图6是一种分配系统的结构示意图。

图中：1送气压力表，2送气调节阀，3送气流量计，4氢气管道，5天然气管道，51天然气出气分管，6掺氢混合器，61进气管一，62锥形喷射嘴，63进气管二，64出气管，65混合筒体，651混合筒体内层，652混合筒体外层，66锥形喷嘴，67小导管，68颈状喉管，7安全监测系统，8逆止阀一，9截止阀一、10截止阀二，11截止阀三，12流量计一，13流量计二，14流量计三，15压力表，16调节阀一，17调节阀二，18逆止阀二。

具体实施方式

结合附图对本发明具体方案具体实施例作进一步的阐述，使得本技术方案更加清楚、明白。本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本实施例提供了一种利用现有天然气管道进行氢气运输的设备，以及将氢气及天然气混合最终传输给用户终端使用，实现对现有管道的优先利用、降低输氢运氢成本、且能提高掺氢比例，对氢能发展具有促进意义。如图1所示，先利用一种利用天然气管道混合送氢装置将氢气进行传送，再利用掺氢装置进行氢气与天然气的混合，最终将混合气体送到给用户。

如图2所示，一种利用天然气管道混合送氢装置，包括现有的天然气管道5，在该天然气管道5内设置氢气管道4，所述天然气管道5传输尾端密封，所述天然气管道5侧壁上开有天然气出气分管51，氢气管道4则沿天然气管道的轴线方向继续传输，如图4所示。

为了对氢气输送状态进行监测，本送氢装置还包括送气压力表1、送气调节阀2和送气流量计3，所述送气压力表1、送气调节阀2、送气流量计3、氢气管道4、天然气管道5依次连接，氢气经送气压力,1、送气调节阀2、送气流量计3的检测控制后才进入氢气管道4中被传输。氢气管道和天然气管道重合处进行密封，运输终端天然气和氢分两路分开。

所述天然气管道5内部的氢气管道4可以为单个或多个，多个氢气管道时管径可设置为相同或不同。

如图3a所示，在原有的天然气管道5中直接置入小管径的氢气管道4进行氢气运输，优先选用中低压的天然气管道，当然高压天然气管道也可以采用。输氢管道优选采用柔性管道，如TCP热塑性玻纤输氢管道。便于安装和布置到天然气管道5。当然也可以采用传统的刚性输氢管道。所述氢气管道的管内压力小于或等于所述天然气管道的管内压力。

也可以如图3b所示，根据氢气运输需求增大氢气管道的管径，在原有的天然气管道5中直接置入大管径的氢气管道4进行氢气运输，但为了保证氢气的安装和维修的灵活性，所述氢气管道4的管径需要保持在天然气管道5的管径的60%或以下的尺寸。

根据运输需求或后期氢气使用不同的线路需求，也可以通过改变氢气管道数量从而增加管道运力，即在原有的天然气管道5中直接置入多个氢气管道4进行氢气运输，如图3c所示。

在管道运输终端可直接将氢气管道和天然气管道进行分流，天然气管道5进行密封，并从侧面接口的天然气出气分管51上接出，氢气管道4则继续往前传输。其中分离后的氢气和天然气管道分别接上阀门，并和下一步工序的氢气混合器分别联通，最后氢气混合器的出口与用户连接。通过调整阀门开度可调整氢气和天然气流量，从而实现对掺氢比例的控制。

一种具体的实施例中，阀门尽量采用采用球阀和截止阀等，管道连接部位优选采用凹凸式/榫槽式/梯形槽法兰等，有利于防止氢气泄露。

本送氢装置中，所述氢气管道4的管内压力与所述天然气管道5的管内压力两者的压力差小于或等于20%。

一种具体的实施例中，在管道运输终端需要分别安装氢气和天然气的流量表、纯度表、压力表，尤其是在天然气管道的出口处安装有氢气纯度表，可直接检测氢气泄露情况。

本实施例的管道混合运氢原理为：

与现有的掺氢体系直接将氢气与天然气进行混合运输不同，本装置主要利用原有的天然气管道，将氢气管道设置在天然气管道中，做到氢气和天然气分开且同时同管道运输。将氢气管道设置在天然气管道内，即使氢气管道发生轻微泄露，一是可以在终端进行及时测量和发现，二是泄漏的氢气管道被外环的天然气管道所包裹，氢气不会直接泄露到空气中，最大限度减少氢气的泄露量。由于后端用户对不同掺氢比例的要求差异较大，通过在终端依据不同混合比例需求对天然气与氢气控制不同比例的定量混和，从而实现对于不同终端用户采取不同掺氢比例进行利用，最大限度增加用户的自由选择度。

如图5所示，本实施例还提供一种掺氢装置，包含前述的一种利用天然气管道混合送氢装置和掺氢混合器6，所述掺氢混合器6设于一种利用天然气管道混合送氢装置的末端；所述掺氢混合器6包括进气管一61、锥形喷射嘴62、进气管二63、出气管64、混合筒体65和若干小导管67，所述进气管一61、进气管二63分别用于输入天然气、氢气，混合筒体65采用内外层双层结构，伸入所述混合筒体内层651的进气管一61末端设有锥形喷射嘴62，所述进气管二63与混合筒体外层652连通；所述混合筒体内层651均布若干小导管67，所述小导管67与混合筒体外层652连通，每个小导管67上开有若干出气孔。

一种具体的实施例中，所示的进气管一61、出气管64沿同一轴线分布；所述进气管二63为两个，对称分布在进气管一61的左右两侧，若干小导管67沿混合筒体内层651的进气管一61左右两侧均布，且朝向出气管64方向倾斜设置。

一种具体的实施例中，掺氢装置还包括颈状喉管68和锥形喷嘴66，混合筒体内层651与进气管一61对应的另一端依次连接有锥形喷嘴66、出气管64，所述锥形喷嘴66内设有中间窄、两端宽的颈状喉管68。

掺氢装置的工作原理为：天然气、氢气两种气体分别进入掺氢混合器，利用文丘里管的技术，最大限度让气体充分混合的同时确保小的内阻损失。

本发明还提供一种分配系统，如图6所示，包含前述的掺氢装置、逆止阀一8、截止阀一9、截止阀二10、截止阀三11、流量计一12、流量计二13、流量计三14、压力表15、调节阀一16和调节阀二17和安全监测系统7，这些元件都并集成一体，实体化在一封闭区域，便于安全监测和运行维护。所示的天然气依次经逆止阀一8、截止阀一9、流量计一12、调节阀一16进入掺氢混合器的进气管一61中，所述氢气经逆止阀二18、截止阀二10、调节阀二17、流量计二13进入掺氢混合器的进气管二63中，掺氢混合器输出的混合气体经截止阀三11、压力表15、流量计三14到出气管64输出给用户。

安全监测系统7独立设置，用于监测天然气、氢气传输过程中系统的内部压力、氢气含量及输出预警信息等各种信息。安全监测系统采用现阶段成熟的涉氢系统安全监测系统，不过多赘述。例如各种市场上售卖的氢气监测报警仪器、氢气泄露探测器、浓度监测系统等，如由呼和浩特市气象局王晓龙等设计的基于Arduino的氢气安全监测系统，其主要由驱动电路单元、氢气泄露监测单元（MQ-8气体传感器）、后台信号处理与控制单元（ArduinoUNO R3开发板）和声光报警单元等构成。当密闭操作室内有氢气泄露时，氢气安全监测系统会通过传感器部分感知到氢气含量，通过后台信号处理与控制单元，接受捕捉的空间氢含量等信息，从而进行分析判断，实时显示空间内氢含量等信息，并在必要时发出报警信息，从而便于及时进行现场维护和保证系统安全稳定运行。

分配系统通过安全监测系统和各类监测仪表等，实时监测和显示氢气混合比例等，给用户提供准确系统运行信息。

分配系统中，各功能描述如下：

（1）调节氢气混合比例功能的实现：通过系统上的调节阀一、调节阀二以及流量计一、流量计二、流量计三，可精确控制氢气、天然气进气量从而控制混合比例。

（2）防止气体倒流：通过逆止阀一、逆止阀二设置，可防止因天然气和氢气压差等外界因素导致的气体倒流；

（3）安全保护：通过安全监测系统，适时监测集成的分配系统内部压力、氢气含量等情况并及时传输预警信号，确保整套掺氢混合系统的安全运行。

本发明在原有天然气管道中放入尺寸较小的氢气管道，实现天然气继续在原有大管道中运输，氢气在内部小管道中运输。氢气管道与天然气管道直接柔性接触，不额外焊接，安装时直接将小尺寸氢气管道置入大燃气管道，实现便利安装。若要增加氢气运量，调整内部氢气管道尺寸即可。管道运输终点与用户端连接端，根据不同用户的需求设置掺氢混合器进行混合，同时设置天然气和氢气计量表，测量气体流量、纯度、压力等，最后送入用户。

本发明可适用于天然气、氢气运输管道，及氢气与天然气的混合。但内置到天然气管道中的管道不限于用于氢气传输，其他任何两种可以混合的气体均可采用此法运输和混合。比如页岩气、天然气等等。关于掺氢混合器的使用，中部分两路气体进入的管道走密度较小的气体，底部进入管道走密度较大的气体。本发明的装置及系统具有灵活简单、安装维护成本低的优点，可广泛应用于气体传输和混合等领域，可推广复制性强。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例， 而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种利用天然气管道混合送氢装置，其特征在于，包括天然气管道，所述天然气管道内设氢气管道；

所述天然气管道传输尾端密封，所述氢气管道沿天然气管道轴向继续向前延伸，所述天然气管道侧壁上开有天然气出气分管。

2.根据权利要求1所述的一种利用天然气管道混合送氢装置，其特征在于，还包括送气压力表、送气调节阀和送气流量计，所述送气压力表、送气调节阀、送气流量计、氢气管道依次连接；

或者，所述天然气管道的出口处安装有氢气纯度表。

3.根据权利要求1所述的一种利用天然气管道混合送氢装置，其特征在于，所述天然气管道内部的氢气管道为单根或多根，多根氢气管道时管径可相同或不同。

4.根据权利要求1所述的一种利用天然气管道混合送氢装置，其特征在于，所述氢气管道采用柔性管道；

或者，所述氢气管道的管径小于或等于天然气管道的管径的60%。

5.根据权利要求1所述的一种利用天然气管道混合送氢装置，其特征在于，所述氢气管道的管内压力小于或等于所述天然气管道的管内压力；

或者，所述氢气管道的管内压力与所述天然气管道的管内压力两者的压力差小于或等于20%。

6.一种掺氢装置，其特征在于，包含如权利要求1-5任一所述的一种利用天然气管道混合送氢装置和掺氢混合器，所述掺氢混合器设于一种利用天然气管道混合送氢装置的末端；

所述掺氢混合器包括进气管一、锥形喷射嘴、进气管二、出气管、混合筒体、若干圆柱筒和若干小导管，所述进气管一、进气管二分别用于输入天然气、氢气，混合筒体采用内外层双层结构，伸入所述混合筒体内层的进气管一末端设有锥形喷射嘴，所述进气管二与混合筒体外层连通；

所述混合筒体内层均布若干小导管，所述小导管与混合筒体外层连通，每个小导管上开有若干出气孔。

7.根据权利要求6所述的一种掺氢装置，其特征在于，所述进气管一、出气管沿同一轴线分布；

所述进气管二为两个，对称分布在进气管一的左右两侧，若干小导管沿混合筒体内层的进气管一左右两侧均布，且朝向出气管方向倾斜设置。

8.根据权利要求6所述的一种掺氢装置，其特征在于，还包括颈状喉管和锥形喷嘴，混合筒体内层与进气管一对应的另一端依次连接有锥形喷嘴、出气管，所述锥形喷嘴内设有中间窄、两端宽的颈状喉管。

9.一种分配系统，其特征在于，包含如权利要求6所述的掺氢装置、逆止阀一、截止阀一、截止阀二、截止阀三、流量计一、流量计二、流量计三、压力表、调节阀一和调节阀二，所述天然气依次经逆止阀一、截止阀一、流量计一、调节阀一进入掺氢混合器的进气管一中，所述氢气经逆止阀二、截止阀二、调节阀二、流量计二进入掺氢混合器的进气管二中，掺氢混合器输出的混合气体经截止阀三、压力表、流量计三输出给用户。

10.根据权利要求9所述的一种分配系统，其特征在于，还包括独立设置的安全监测系统，用于监测天然气、氢气传输过程中系统的内部压力、氢气含量及输出预警信息。

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