CN115774086A - 燃气管道天然气掺氢浓度的测量方法以及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种燃气管道天然气掺氢浓度的测量方法，包括：获得燃气管道中天然气掺混氢气前的密度ρ1；获得燃气管道中天然气掺混氢气后的密度ρ2；设氢气密度为ρH，天然气掺氢后氢气的浓度为x，x＝(ρ1‑ρ2)/(ρ1‑ρH)。在燃气管道中天然气掺混氢气前的取样位置设置第一气体密度计，从第一气体密度计处获得所述密度ρ1，在燃气管道中天然气掺混氢气后的取样位置设置第二气体密度计，从第二气体密度计处获得所述密度ρ2。
Description
技术领域
本发明属于燃气输送技术领域，特别涉及一种燃气管道天然气掺氢浓度的测量方法以及设备。
背景技术
天然气掺氢，是指将一定比例的氢气注入到天然气中与天然气混合形成的一种混合气体(HCNG)，是氢能利用的重要方向之一。天然气-氢气掺混的意义在于：
(1)天然气掺氢混合燃料稀燃极限宽，可以采用稀薄燃烧，从而提高热效率，降低了碳排放量，降低NOx排放，环保价值明显。
(2)天然气掺氢混合燃料方式可以利用现有比较完善的天然气基础设施，具有巨大的实际市场应用价值。
燃气管道掺氢是快速打通氢能储存和运输的一种有效方法。氢能作为一种清洁的二次能源载体，其安全、高效、经济的氢气运输技术是氢能规模化应用的主要瓶颈之一。管道运氢运量大、成本低，但需建设专用氢气管道，而氢气管道因材质的原因，造价高昂，建设成本极大阻碍了氢气的大规模应用。世界范围已建成的规模庞大的天然气管网必然成为氢气高效输配的首选渠道，如果大批量付诸以实践，可以大大加速氢能与现有能源系统的融合速度，快速提高社会对清洁能源的利用水平，让氢气应用走入千家万户的生活，实践从低碳到零碳的减排目标，为世界能源战略的转型做出不可替代的贡献。为此，在生产中需要对燃气管道中的天然气掺氢浓度进行监控。
在采用在线气体色谱分析仪测量燃气管道中天然气的掺氢浓度时，在线气体色谱 分析仪的原理是，以氮气为载气，采用填充柱或毛细管柱对被测管道中掺氢天然气进行分离；由于天然气中各组份的沸点、极性及吸附系数的差异，使各种组份在色谱柱中得到分离，由检测器将各种组份按分离顺序检测出来，将转换后的电信号送至色谱工作站；由色谱工作站将各组份的气相色谱图记录并进行分析，与标定好的对应浓度的氢气色谱柱数据进行比对，从而得到氢气组份的分析结果。
发明内容
本发明实施例之一，一种燃气管道中天然气掺氢浓度的测量方法，
在燃气管道中天然气掺混氢气前的取样位置设置第一气体密度计，从第一气体密度计处获得所述密度ρ1，
在燃气管道中天然气掺混氢气后的取样位置设置第二气体密度计，从第二气体密度计处获得所述密度ρ2。
设氢气密度为ρH，
天然气掺氢后氢气的摩尔浓度为x，x＝(ρ1-ρ2)/(ρ1-ρH)。
附图说明
通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，其中：
图1根据本发明实施例之一的燃气管道天然气掺氢浓度测量系统示意图。
图2根据本发明实施例之一的燃气管道天然气掺氢浓度测量系统示意图。
图3根据本发明实施例之一的燃气管道天然气掺氢浓度测量系统示意图。
具体实施方式
现有的在线气相色谱仪的检测结果虽然相对可靠，但测试速度仍然较慢，一般测试周期是3-5分钟以上，最快的色谱分析仪也需要1分钟以上，给天然气掺氢工艺自控带来一定的滞后性，可能形成短时间的氢气浓度在天然气中的超限问题。
由于氢气对碳钢管道有氢蚀的风险，目前认为20％以内的掺氢浓度是安全的。如果掺氢浓度超过管道材质所能承受上限20％的浓度范围，会给燃气管道天然气掺氢工艺实施带来一定的长期运行安全风险。
此外，由于气相色谱分析仪价格较贵，燃气供应领域认可的型号产品尤其昂贵。并且，由于气相色谱分析仪测量系统需要使用标准气定期对色谱柱进行标定，还需要消耗价格昂贵的高纯载气，系统运行费用比较高。同时，测定后的燃气还需要解决排放的安全问题。因此，气相色谱分析仪测量方法有比较高的成本门槛，不利于未来氢能利用掺氢的大规模推广。
根据一个或者多个实施例，一种燃气管道天然气掺氢浓度的测量方法，获得燃气管道中天然气掺混氢气前的密度ρ1；获得燃气管道中天然气掺混氢气后的密度ρ2；设氢气密度为ρH，天然气掺氢后氢气的浓度为x，x＝(ρ1-ρ2)/(ρ1-ρH)。其中，获取密度ρ1和密度ρ2的方式是，
在燃气管道中天然气掺混氢气前的取样位置设置第一气体密度计，从第一气体密度计处获得所述密度ρ1，在燃气管道中天然气掺混氢气后的取样位置设置第二气体密度计，从第二气体密度计处获得所述密度ρ2。
进一步的，在燃气管道中天然气掺混氢气处设置静态混合器，输入的天然气和氢气输入所述静态混合器，在所述静态混合器内混合。在燃气管道中天然气掺混氢气后的取样位置处还设置有气体色谱分析仪。
以1个标准大气压，环境温度为20℃为例，设天然气掺混前的密度为ρ1,天然气掺混后的密度为ρ2，查氢气的密度表，对应氢气的20℃密度按0.082658×103kg/Nm3,天然气掺氢后氢气的摩尔浓度设为x，对应公示为ρ1(1-x)+0.082658x＝ρ2,掺氢后天然气的密度下降，ρ2〈ρ1
则x＝(ρ1-ρ2)/(ρ1-0.082658)……公式(1)
考虑氢气的密度也是随环境温度变化，设氢气密度为ρH
则公式(1)改为x＝(ρ1-ρ2)/(ρ1-ρH)……公式(2)
其中ρH计划采用氢气的密度数据库，可以根据现场实测温度的数据自动匹配相关的数据，提升测量的精确度，降低计算误差。
本公开实施例采用间接测量的方法来测定管道燃气中天然气的掺氢浓度。具体方法是采用高精度仪表快速测量气体物理量或物理性质变化的方法，结合计算机技术，通过高性能微处理器计算程序来计算管道天然气中的掺氢浓度，缩短氢气浓度测量的周期，提升管道燃气掺氢工艺的安全水平。考虑管道天然气并非一种稳定组分的混合物，但一定时间内在掺氢前后除了增加氢气外，常温条件下，天然气组分相对稳定，总质量和摩尔量守恒，不会发生化学反应。例如，通过直接测量掺混氢气天然气的密度变化，结合本地的高性能微处理器，快速计算出天然气中掺混氢气的实际浓度。
通过上述方法，根据气体密度计仪表的本身反馈时间，天然气掺氢浓度的测量速度可以大幅度提升，理论上可以做到秒级反馈时间，提升掺氢工艺的自控效率，减少天然气掺氢工艺中氢气浓度超标的情况发生几率，降低运行管道的安全风险。
通过本公开实施例的燃气管道中天然气掺氢浓度的测量方法，可以快速提供掺氢工艺的控制效率，测量周期从之前的不少于2分钟(60秒)降低到以秒为单位，提供精确的气体密度值，极大的提高了燃气管道掺氢工艺的安全性和可靠性，确保现有燃气管道输送氢气的可行性。
根据一个或者多个实施例，一种燃气管道天然气掺氢浓度的测量设备，所述测量设备包括第一气体密度计、第二气体密度计和电子设备。
在燃气管道中天然气掺混氢气前的取样位置设置第一气体密度计，从第一气体密度计处获得所述密度ρ1。在燃气管道中天然气掺混氢气后的取样位置设置第二气体密度计，从第二气体密度计处获得所述密度ρ2。
所述电子设备包括包括存储器；以及耦合到所述存储器的处理器，该处理器被配置为执行存储在所述存储器中的指令，所述处理器执行以下操作：
获得燃气管道中天然气掺混氢气前的密度ρ1；获得燃气管道中天然气掺混氢气后的密度ρ2；设氢气密度为ρH，设天然气掺氢后氢气的摩尔浓度为x，x＝(ρ1-ρ2)/(ρ1-ρH)。这里的气体密度计可以采用艾默生Micro Motion的气体密度计GDM5AAAC2Z1MZZZ。
在燃气管道中天然气掺混氢气处设置有静态混合器，输入的天然气和氢气输入所述静态混合器，在所述静态混合器内混合获得混合气。在燃气管道中天然气掺混氢气后的取样位置处还设置有气体色谱分析仪，该气体色谱分析仪的输出结果输入所述电子设备。
本公开实施例，是在天然气掺氢前后各测试一次管道内气体的密度，取气直接在燃气管路上安装气体密度计，在线取燃气管道的天然气进行密度的测试，考虑天然气掺混氢气的混合效果，在气体静态混合器后保留一定的管容，使氢气和天然气充分混合，确保掺氢后取样的参数真实稳定。
这里可以设计两路不同的混合方法，一路有静态混合器，一路不设静态混合器，是为了测试静态混合器的效果。取样都是在前后两个高精度的气体密度计各自测试，获取相应的运行数据。其中后一个气体密度还同时考虑到管道不同高度的测试位置，取样管可对应插入管道内不同的深度，比对测试的结果的差异，从而验证是否会出现掺混后气体分层的情况。如图1或图2所示
同时管道系统也在出口处预留了接口，可以加设传统的气体色谱分析仪，通过选取多个点的数据比对，来验证采用测试气体密度计算掺混后氢气浓度测试方法的可靠性。如图3所示。
综上所述，本发明的有益效果包括：
(1)本公开测量方法把管道中的天然气作为一种相对稳定的混合物来看待，常温常压状态下，气体组分相对稳定的，未发生化学反应，质量和摩尔量混合前后保持一致，但掺氢前后其物理量或物理性能发生了变化，选择高效率的检测仪表通过快速测试出相应的变化量值，依据已总结出的公式(1)或公式(2)等相关氢气浓度的计算公式，通过本地的高性能微处理器，结合氢气的密度数据库数据，秒级计算出氢气的实际掺混浓度，是检测方式另辟蹊径的创新，高效解决了之前掺氢自控中隐藏的安全问题。
(2)本公开测量方法是依据通过间接测量的方法，所采用的气体密度计等仪表对比传统的气体色谱分析仪，系统的复杂度也有所降低，有相对低成本的优势，提高了方案的可复制性，降低了设备采用的成本门槛，具有一定的市场推广价值，同时也为今后更低成本的天然气掺氢浓度检测机械仪表开发指明了方向，将对氢能利用的发展起到推动作用。
(3)本公开测量方法更是为掺氢工艺的优化提供了新的探索路径。氢气因分子量、原子量小的因素，气体性质比较特殊，涉氢检测仪表多数都有可靠性差、检测数据容易飘移的问题。尤其是一些有关电化学反应的氢气浓度传感器(如银离子传感器)，易受污染和软失效，寿命都比较短，如采用一些物理量的间接测量方式，可显著避免氢气较强的还原性对传感器中金属氧化物介质的不利影响，提升整个系统的有效周期和安全可靠性。
值得说明的是，虽然前述内容已经参考若干具体实施方式描述了本发明创造的精神和原理，但是应该理解，本发明并不限于所公开的具体实施方式，对各方面的划分也不意味着这些方面中的特征不能组合，这种划分仅是为了表述的方便。本发明旨在涵盖所附权利要求的精神和范围内所包括的各种修改和等同布置。
Claims (7)
1.一种燃气管道天然气掺氢浓度的测量方法，其特征在于，
获得燃气管道中天然气掺混氢气前的密度ρ1；
获得燃气管道中天然气掺混氢气后的密度ρ2；
设氢气密度为ρH，
天然气掺氢后氢气的浓度为x，
x＝(ρ1-ρ2)/(ρ1-ρH)。
2.根据权利要求1所述的燃气管道天然气掺氢浓度的测量方法，其特征在于，在燃气管道中天然气掺混氢气前的取样位置设置第一气体密度计，从第一气体密度计处获得所述密度ρ1，
在燃气管道中天然气掺混氢气后的取样位置设置第二气体密度计，从第二气体密度计处获得所述密度ρ2。
3.根据权利要求2所述的燃气管道天然气掺氢浓度的测量方法，其特征在于，在燃气管道中天然气掺混氢气处设置静态混合器，输入的天然气和氢气输入所述静态混合器，在所述静态混合器内混合。
4.根据权利要求2所述的燃气管道天然气掺氢浓度的测量方法，其特征在于，在燃气管道中天然气掺混氢气后的取样位置处还设置有气体色谱分析仪。
5.一种燃气管道天然气掺氢浓度的测量设备，其特征在于，所述测量设备包括第一气体密度计、第二气体密度计和电子设备，
在燃气管道中天然气掺混氢气前的取样位置设置第一气体密度计，从第一气体密度计处获得所述密度ρ1，
在燃气管道中天然气掺混氢气后的取样位置设置第二气体密度计，从第二气体密度计处获得所述密度ρ2，
所述电子设备包括包括存储器；以及
耦合到所述存储器的处理器，该处理器被配置为执行存储在所述存储器中的指令，所述处理器执行以下操作：
获得燃气管道中天然气掺混氢气前的密度ρ1；
获得燃气管道中天然气掺混氢气后的密度ρ2；
设氢气密度为ρH，
天然气掺氢后氢气的摩尔浓度为x，
x＝(ρ1-ρ2)/(ρ1-ρH)。
6.根据权利要求5所述的燃气管道天然气掺氢浓度的测量设备，其特征在于，
在燃气管道中天然气掺混氢气处设置有静态混合器，输入的天然气和氢气输入所述静态混合器，在所述静态混合器内混合获得混合气。
7.根据权利要求6所述的燃气管道天然气掺氢浓度的测量设备，其特征在于，
在燃气管道中天然气掺混氢气后的取样位置处还设置有气体色谱分析仪，该气体色谱分析仪的输出结果输入所述电子设备。
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- 2023-06-07 WO PCT/CN2023/098785 patent/WO2024066458A1/zh unknown
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2024066458A1 (zh) * | 2022-09-30 | 2024-04-04 | 上海飞奥燃气设备有限公司 | 燃气管道天然气掺氢浓度的测量方法以及设备 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2024066458A1 (zh) | 2024-04-04 |
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