CN117165345A - 一种利用多级膜分离法提纯掺氢天然气的加氢能源站 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用多级膜分离法提纯掺氢天然气的加氢能源站，属于氢气提纯技术领域。解决了现有技术中难以提纯掺氢天然气获得氢燃料电池所需纯度标准氢气的问题；本发明多级膜分离法提纯系统与城镇掺氢天然气管网相连；多级膜分离法提纯系统的渗透侧与氢气压缩单元、氢气存储单元、加氢区依次相连；智能调控系统包括控制器和可视化屏幕，控制器用于控制多级膜分离法提纯系统，可视化屏幕用于显示加氢能源站的运行情况。本发明实现了提取掺氢天然气供应氢气燃料电池所需纯度的氢气，加氢能源站布置过程中通过配置光伏发电供电系统、蓄电区和天然气压缩机，增设加气区和充电区，可以应用于不同压力级别的掺氢天然气管道提取氢气进行供气和供能。
Description
技术领域
本发明涉及一种提纯掺氢天然气的加氢能源站，尤其涉及一种利用多级膜分离法提纯掺氢天然气的加氢能源站，属于氢气提纯技术领域。
背景技术
汽车碳排放占我国交通领域碳排放的80％以上，占全社会碳排放7.5％左右。传统加气站、加油站转型，建立新型能源站是应对气候变化的必由之路，而其中的加氢环节是减少尾气排放的重要战略举措。但是我国氢能产业链存在严重的区域分布不均的现象，目前氢气的运输主要依靠长管拖车，然而随着加氢站数量增多，长管拖车运输氢气暴露出效率低和经济性差的问题，其难以保证氢气的供应。因而，利用现役天然气管道在天然气中掺混一定比例氢气，将在短时间内消除氢气基础设施建设的成本及技术问题，大幅提升氢能的时空调配规模和效率。掺氢天然气在交通领域的应用尚处于研发阶段，如：若将掺氢比4％-20％为掺氢天然气直接用于加气站的压缩天然气燃料汽车，在夏季高温天气存在爆炸风险；而在加氢站内，氢燃料电池对于氢气纯度要求较高，氢燃料电池所需纯度标准为氢气纯度大于99.97％。综上所述，在能源站内通过提纯掺氢天然气，获得氢燃料电池所需纯度标准的氢气，既降低了掺氢天然气直接用于压缩天然气燃料汽车的风险，又能满足加氢环节氢气的供应需求，推动了新型能源站的发展。
目前较成熟的氢气提纯方法为变压吸附法，但是其适用于大规模气体提纯，需配备大型装置，且在氢含量大于50％左右时提纯效果好，一方面，国内外已开展的掺氢天然气示范项目掺氢比一般在4％-20％之间，若采用变压吸附法意味着需要吸附大量的气体却仅能回收少量的氢气；另一方面，常规加氢站日加氢量在300Nm3/h作用，气体需求规模较小。因此，变压吸附并不适用于加氢站用气量下的提纯，为满足供氢需求，需要一种能够提纯掺氢天然气获得满足燃料电池所需氢气纯度的能源站。
发明内容
在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
鉴于此，为解决现有技术中难以提纯掺氢天然气获得氢燃料电池所需纯度标准氢气的问题，本发明提供一种利用多级膜分离法提纯掺氢天然气的加氢能源站。
技术方案如下：一种利用多级膜分离法提纯掺氢天然气的加氢能源站，包括多级膜分离法提纯系统、光伏发电供电系统、蓄电区、氢气压缩单元、氢气储存单元、天然气压缩机、加氢区、加气区、充电区和智能调控系统；
所述多级膜分离法提纯系统与城镇掺氢天然气管网相连；
所述多级膜分离法提纯系统的渗透侧与氢气压缩单元、氢气存储单元、加氢区依次相连；
所述多级膜分离法提纯系统的渗透侧与天然气压缩机、加气区依次相连；
所述光伏发电供电系统、蓄电区、充电区依次相连，蓄电区为多级膜分离法提纯系统、氢气压缩单元、天然气压缩机提供电源；
所述智能调控系统包括控制器和可视化屏幕，智能化调控系统与多级膜分离法提纯系统、光伏发电供电系统、蓄电区、氢气压缩单元、氢气储存单元、天然气压缩机、加氢区、加气区、充电区相连，控制器用于控制多级膜分离法提纯系统，可视化屏幕用于显示加氢能源站的运行情况。
进一步地，所述城镇掺氢天然气管网包括高压城镇掺氢天然气管道、中压城镇掺氢天然气管道和低压城镇掺氢天然气管道；
所述多级膜分离法提纯系统包括高压膜分离系统和中压膜分离系统，高压膜分离系统和中压膜分离系统均与氢气压缩单元连接；
所述高压城镇掺氢天然气管道与高压膜分离系统连接，中压城镇掺氢天然气管道与中压膜分离系统连接，低压城镇掺氢天然气管道与高压膜分离系统和中压膜分离系统的渗余侧连接。
进一步地，所述高压膜分离系统包括高压调压阀、高压膜分离系统升温换热器、高压膜分离系统一级膜分离器、高压膜分离系统二级膜分离器和高压膜分离系统降温换热器；
所述高压城镇掺氢天然气管道与高压调压阀的进口相连，高压调压阀的出口与高压膜分离系统升温换热器的进口相连，高压膜分离系统一级膜分离器设置有高压膜分离系统一级膜分离器进料侧、高压膜分离系统一级膜分离器渗余侧和高压膜分离系统一级膜分离器渗透侧，高压膜分离系统升温换热器的出口与高压膜分离系统一级膜分离器进料侧相连，高压膜分离系统二级膜分离器设置有高压膜分离系统二级膜分离器进料侧、高压膜分离系统二级膜分离器渗透侧和高压膜分离系统二级膜分离器渗余侧；高压膜分离系统一级膜分离器渗透侧与高压膜分离系统二级膜分离器进料侧相连；高压膜分离系统一级膜分离器渗余侧和高压膜分离系统二级膜分离器渗余侧通过高压膜分离系统降温换热器与低压城镇掺氢天然气管道相连，高压膜分离系统二级膜分离器渗透侧与氢气压缩单元相连。
进一步地，所述中压膜分离系统包括中压调压阀、中压膜分离系统升温换热器、中压膜分离系统一级膜分离器、一级分离真空泵、压缩机、二级分离真空泵、中压膜分离系统二级膜分离器和中压膜分离系统降温换热器；
所述中压城镇掺氢天然气管道与中压调压阀的进口相连，中压调压阀的出口与中压膜分离系统升温换热器的进口相连，中压膜分离系统一级膜分离器设置有中压膜分离系统一级膜分离器进料侧、中压膜分离系统一级膜分离器渗余侧和中压膜分离系统一级膜分离器渗透侧，中压膜分离系统升温换热器的出口与中压膜分离系统一级膜分离器进料侧相连，中压膜分离系统二级膜分离器设置有中压膜分离系统二级膜分离器进料侧、中压膜分离系统二级膜分离器渗透侧和中压膜分离系统二级膜分离器渗余侧，中压膜分离系统一级膜分离器渗透侧与一级分离真空泵、压缩机和中压膜分离系统二级膜分离器进料侧相连，中压膜分离系统一级膜分离器渗余侧和中压膜分离系统二级膜分离器渗余侧通过中压膜分离系统降温换热器与低压掺氢天然气管道相连，中压膜分离系统二级膜分离器渗透侧通过二级分离真空泵与氢气压缩单元相连。
进一步地，高压膜分离系统的控制方法为：
通过控制器对高压膜分离系统中的高压调压阀、高压膜分离系统升温换热器进行控制并对产生的数据进行存储，通过可视化屏幕对高压膜分离系统中产生的数据进行实时显示；具体的：
高压城镇掺氢天然气管道的原料气进入到高压膜分离系统，输出渗透组分氢气在原料气的摩尔分数x氢1，随后通过高压调压阀调节压力，判断高压膜分离系统一级膜分离器的驱动压差是否满足需求，若不是，则继续通过高压调压阀调节压力，直至驱动压差满足需求，若是，则输出高压膜分离系统一级膜分离器进料侧压力px1，随后通过高压膜分离系统升温换热器进行加热，判断高压膜分离系统一级膜分离器的操作温度是否满足需求，若不是，则继续通过高压膜分离系统升温换热器换热，直至操作温度满足需求，若是，则输出高压膜分离系统一级膜分离器操作温度T1，随后进行高压膜分离系统一级膜分离，进而判断高压膜分离系统一级膜分离器渗透侧氢气纯度是否大于90％，若不是则继续通过高压调压阀调节压力，循环上述操作，直至氢气纯度大于90％，若是，则输出氢气纯度、高压膜分离系统一级膜分离渗透侧气体的体积流量VP1、高压膜分离系统一级膜分离器渗透侧压力py1和渗透组分氢气在高压膜分离系统一级膜分离器渗透侧的摩尔分数y氢1，随后进行高压膜分离系统二级膜分离，判断高压膜分离系统二级膜分离器渗透侧氢气纯度是否大于99.97％，若不是，则继续从高压城镇掺氢天然气管道的原料气进入到高压膜分离系统开始，循环上述操作，直至氢气纯度大于99.97％，若是，则输出氢气纯度、高压膜分离系统二级膜分离渗透侧气体的体积流量VP2、高压膜分离系统二级膜分离器进料侧压力px2、高压膜分离系统二级膜分离器渗透侧压力py2高压膜分离系统二级膜分离器操作温度T2和渗透组分氢气在渗透侧的摩尔分数y氢2，判断氢气渗透通量J是否满足加氢能源站供氢需求，若不是，则继续从高压城镇掺氢天然气管道的原料气进入到高压膜分离系统开始，直至满足需求为止，若是，则高压膜分离系统工作结束。
进一步地，中压膜分离系统的控制方法为：
通过控制器对中压膜分离系统中的中压调压阀、中压膜分离系统升温换热器、压缩机进行控制并对产生的数据进行存储，通过可视化屏幕对中压膜分离系统中产生的数据进行实时显示；具体的：
中压城镇掺氢天然气管道原料气进入到高压膜分离系统，输出渗透组分氢气在原料气的摩尔分数x氢1'，随后通过中压调压阀调节压力，判断中压膜分离系统一级膜分离器的驱动压差是否满足需求，若不是，则继续通过中压调压阀调节压力，直至驱动压差满足需求，若是，则输出中压膜分离系统一级膜分离器进料侧压力px1'，随后通过中压膜分离系统升温换热器进行加热，判断中压膜分离系统一级膜分离器的操作温度是否满足需求，若不是，则继续通过中压膜分离系统升温换热器换热，直至操作温度满足需求，若是，则输出中压膜分离系统一级膜分离器操作温度T1'，随后进行中压膜分离系统一级膜分离，进而判断中压膜分离系统一级膜分离器渗透侧氢气纯度是否大于90％，若不是，则继续通过中压调压阀调节压力，直至氢气纯度大于90％，若是，则输出氢气纯度、中压膜分离系统一级膜分离渗透侧气体的体积流量VP1'、中压膜分离系统一级膜分离器渗透侧压力py1'和渗透组分氢气在中压膜分离系统一级膜分离器渗透侧的摩尔分数y氢1'，随后通过压缩机进行压缩，判断中压膜分离系统二级膜分离器的驱动压差是否满足需求，若不是，则继续通过压缩机调节压力，直至驱动压差满足需求，若是，则输出中压膜分离系统二级膜分离器进料侧压力px2'，随后进行中压膜分离系统二级膜分离，判断中压膜分离系统二级膜分离器渗透侧氢气纯度是否大于99.97％，若不是，则继续从压缩机压缩开始，循环上述流程，直至氢气纯度大于99.97％，若是，则输出氢气纯度、中压膜分离系统二级膜分离渗透侧气体的体积流量VP2'、中压膜分离系统二级膜分离器进料侧压力px2'、中压膜分离系统二级膜分离器渗透侧压力py2'和中压膜分离系统二级膜分离器操作温度T2'和渗透组分氢气在中压膜分离系统渗透侧的摩尔分数y氢2'，进而判断氢气渗透通量J'是否满足加氢能源站供氢需求，若不是，则继续从中压城镇掺氢天然气管道的原料气进入到高压膜分离系统开始，循环上述流程，直至满足需求为止，若是，则中压膜分离系统工作结束。
进一步地，渗透组分氢气在高压膜分离系统一级膜分离器渗透侧的摩尔分数y氢1等于渗透组分氢气在高压膜分离系统二级膜分离器进料侧的摩尔组分x氢2。
进一步地，渗透组分氢气在中压膜分离系统一级膜分离器渗透侧的摩尔分数y氢1'等于渗透组分氢气在中压膜分离系统二级膜分离器进料侧的摩尔组分x氢2'。
本发明的有益效果如下：本发明利用多级膜分离法提纯掺氢天然气，将城镇掺氢天然气管网与多级膜分离法提纯系统、氢气压缩单元、氢气储存单元、加氢区依次相连，实现了有效供应氢气燃料电池所需纯度的氢气，且可以将经多级膜分离法提纯系统后的渗余气补偿给城镇掺氢天然气管网或直接输送到天然气用户，也可以将多级膜分离法提纯系统的渗余气输送到天然气压缩机中，为增设的加气区进行供气，避免了资源浪费；本发明的智能调度系包括控制器和可视化屏幕，控制器可以控制多级膜分离法提纯系统中的换热器进行加热，直至达到提纯氢气过程中所需的操作温度，还可以通过控制压力调节阀的开度，调节提纯氢气过程中所需的压力，可视化屏幕可以将提纯氢气过程中的数据进行实时显示；本发明还设置有光伏发电供电系统和蓄电区，其能够产生并储存清洁能源为多级膜分离法提纯系统和氢气压缩单元提供电能，同时可以为增设的充电区进行供电，使加氢能源站的服务项目更加多元化，提高经济效益的同时节约了土地资源。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为一种利用多级膜分离法提纯掺氢天然气的加氢能源站示意图；
图2为一种利用多级膜分离法提纯掺氢天然气的加氢能源站的实施例示意图；
图3为高压膜分离系统结构示意图；
图4为中压膜分离系统结构示意图；
图5为高压膜分离系统的控制方法流程示意图；
图6为中压膜分离系统的控制方法流程示意图；
图7为膜分离器结构示意图。
附图标记：1、高压城镇掺氢天然气管道；2、高压调压阀；3、高压膜分离系统升温换热器；4、高压膜分离系统一级膜分离器进料侧；5、高压膜分离系统一级膜分离器渗余侧；6、高压膜分离系统一级膜分离器渗透侧；7、高压膜分离系统二级膜分离器进料侧；8、高压膜分离系统二级膜分离器渗透侧；9、高压膜分离系统二级膜分离器渗余侧；10、高压膜分离系统降温换热器；11、低压掺氢天然气管道；12、中压城镇掺氢天然气管道；13、中压调压阀；14、中压膜分离系统升温换热器；15、中压膜分离系统一级膜分离器进料侧；16、中压膜分离系统一级膜分离器渗余侧；17、中压膜分离系统一级膜分离器渗透侧；18、一级分离真空泵；19、压缩机；20、中压膜分离系统二级膜分离器进料侧；21、二级分离真空泵；22、中压膜分离系统二级膜分离器渗透侧；23、中压膜分离系统二级膜分离器渗余侧；24、中压膜分离系统降温换热器；A、高压膜分离系统一级膜分离器；B、高压膜分离系统二级膜分离器；C、中压膜分离系统一级膜分离器；D、中压膜分离系统二级膜分离器。
具体实施方式
为了使本发明实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
参考图1-图7详细说明本实施例，一种利用多级膜分离法提纯掺氢天然气的加氢能源站，包括多级膜分离法提纯系统、光伏发电供电系统、蓄电区、氢气压缩单元、氢气储存单元、天然气压缩机、加氢区、加气区、充电区和智能调控系统；
所述多级膜分离法提纯系统与城镇掺氢天然气管网相连；
所述多级膜分离法提纯系统的渗透侧与氢气压缩单元、氢气存储单元、加氢区依次相连；
所述多级膜分离法提纯系统的渗透侧与天然气压缩机、加气区依次相连；
所述光伏发电供电系统、蓄电区、充电区依次相连，蓄电区为多级膜分离法提纯系统、氢气压缩单元、天然气压缩机提供电源；
所述智能调控系统包括控制器和可视化屏幕，智能化调控系统与多级膜分离法提纯系统、光伏发电供电系统、蓄电区、氢气压缩单元、氢气储存单元、天然气压缩机、加氢区、加气区、充电区相连，控制器用于控制多级膜分离法提纯系统，可视化屏幕用于显示加氢能源站的运行情况。
进一步地，所述城镇掺氢天然气管网包括高压城镇掺氢天然气管道1、中压城镇掺氢天然气管道12和低压城镇掺氢天然气管道11；
所述多级膜分离法提纯系统包括高压膜分离系统和中压膜分离系统，高压膜分离系统和中压膜分离系统均与氢气压缩单元连接；
所述高压城镇掺氢天然气管道1与高压膜分离系统连接，中压城镇掺氢天然气管道12与中压膜分离系统连接，低压城镇掺氢天然气管道11与高压膜分离系统和中压膜分离系统的渗余侧连接。
进一步地，所述高压膜分离系统包括高压调压阀2、高压膜分离系统升温换热器3、高压膜分离系统一级膜分离器A、高压膜分离系统二级膜分离器B和高压膜分离系统降温换热器10；
所述高压城镇掺氢天然气管道1与高压调压阀2的进口相连，高压调压阀2的出口与高压膜分离系统升温换热器3的进口相连，高压膜分离系统一级膜分离器A设置有高压膜分离系统一级膜分离器进料侧4、高压膜分离系统一级膜分离器渗余侧5和高压膜分离系统一级膜分离器渗透侧6，高压膜分离系统升温换热器3的出口与高压膜分离系统一级膜分离器进料侧4相连，高压膜分离系统二级膜分离器B设置有高压膜分离系统二级膜分离器进料侧7、高压膜分离系统二级膜分离器渗透侧8和高压膜分离系统二级膜分离器渗余侧9；高压膜分离系统一级膜分离器渗透侧6与高压膜分离系统二级膜分离器进料侧7相连；高压膜分离系统一级膜分离器渗余侧5和高压膜分离系统二级膜分离器渗余侧9通过高压膜分离系统降温换热器10的进口相连，高压膜分离系统降温换热器10的出口与低压城镇掺氢天然气管道11相连，高压膜分离系统二级膜分离器渗透侧8与氢气压缩单元相连。
进一步地，所述中压膜分离系统包括中压调压阀13、中压膜分离系统升温换热器14、中压膜分离系统一级膜分离器C、一级分离真空泵18、压缩机19、二级分离真空泵21、中压膜分离系统二级膜分离器D和中压膜分离系统降温换热器24；
所述中压城镇掺氢天然气管道12与中压调压阀13的进口相连，中压调压阀13的出口与中压膜分离系统升温换热器14的进口相连，中压膜分离系统一级膜分离器C设置有中压膜分离系统一级膜分离器进料侧15、中压膜分离系统一级膜分离器渗余侧16和中压膜分离系统一级膜分离器渗透侧17，中压膜分离系统升温换热器14的出口与中压膜分离系统一级膜分离器进料侧15相连，中压膜分离系统二级膜分离器D设置有中压膜分离系统二级膜分离器进料侧20、中压膜分离系统二级膜分离器渗透侧22和中压膜分离系统二级膜分离器渗余侧23，中压膜分离系统一级膜分离器渗透侧17与一级分离真空泵18、压缩机19和中压膜分离系统二级膜分离器进料侧20相连，中压膜分离系统一级膜分离器渗余侧16和中压膜分离系统二级膜分离器渗余侧23通过中压膜分离系统降温换热器24与低压掺氢天然气管道11相连，中压膜分离系统二级膜分离器渗透侧22通过二级分离真空泵21与氢气压缩单元相连；
具体的，在建设加氢能源站时可以就近选择城镇掺氢天然气管道作为原料气供气端和回收端，并根据管道压力匹配相同压力等级的多级膜分离提纯系统，本实施例中高压城镇掺氢天然气管道1压力范围为0.4-4，单位为MPa，中压城镇掺氢天然气管道12压力范围为0.01-0.4，单位为MPa，低压城镇掺氢天然气管道11压力小于0.01，单位为MPa，掺氢天然气的掺氢比范围为4％-20％；城镇掺氢天然气管道均处于常温条件下；为了满足加氢能源站日加氢量为300Nm3/h-3000Nm3/h的需求，氢气压缩单元设置有一级压缩机和二级压缩机，氢气存储单元设置有内部压力为35MPa的储氢罐和内部压力为70MPa的储氢罐，蓄电区与一级压缩机和二级压缩机分别相连，高压膜分离系统和中压膜分离系统的渗透侧与一级压缩机相连，一级压缩机、内部压力为35MPa的储氢罐、加氢区依次相连，一级压缩机、二级压缩机、内部压力为70MPa的储氢罐、加氢区依次相连，高压膜分离系统和中压膜分离系统的渗余侧与天然气用户相连；光伏发电供电系统产生的电能储存在蓄电区后，可以通过控制器为一级压缩机、二级压缩机和多级膜分离法提纯系统中的用电设备供能，同时为加氢能源站中的充电区供能；多级膜分离法提纯系统一级膜分离器的膜材料均采用中空纤维碳分子筛膜，碳化温度范围为500℃-600℃，多级膜分离法提纯系统二级膜分离器的膜材料均使采用中空纤维金属混合基质膜；智能调控系统选用具有远程监控报警显示、控制和存储功能的DCS控制系统，使用过程中可以根据工况需要对控制器预先设定压力调节阀调节后的压力极限值，当超过极限值时可视化屏幕对此刻压力数据进行显示并报警。
进一步地，高压膜分离系统的控制方法为：
通过控制器对高压膜分离系统中的高压调压阀、高压膜分离系统升温换热器进行控制并对产生的数据进行存储，通过可视化屏幕对高压膜分离系统中产生的数据进行实时显示；具体的：
高压城镇掺氢天然气管道1的原料气进入到高压膜分离系统，输出渗透组分氢气在原料气的摩尔分数x氢1，随后通过高压调压阀2调节压力，判断高压膜分离系统一级膜分离器A的驱动压差是否满足需求，若不是，则继续通过高压调压阀2调节压力，直至驱动压差满足需求，若是，则输出高压膜分离系统一级膜分离器进料侧4压力px1，随后通过高压膜分离系统升温换热器3进行加热，判断高压膜分离系统一级膜分离器A的操作温度是否满足需求，若不是，则继续通过高压膜分离系统升温换热器3换热，直至操作温度满足需求，若是，则输出高压膜分离系统一级膜分离器A操作温度T1，随后进行高压膜分离系统一级膜分离，进而判断高压膜分离系统一级膜分离器渗透侧6氢气纯度是否大于90％，若不是，则继续通过高压调压阀2调节压力，循环上述操作，直至氢气纯度大于90％，若是，则输出氢气纯度、高压膜分离系统一级膜分离器渗透侧6气体的体积流量VP1、高压膜分离系统一级膜分离器渗透侧6压力py1和渗透组分氢气在高压膜分离系统一级膜分离器渗透侧6的摩尔分数y氢1，随后进行高压膜分离系统二级膜分离，判断高压膜分离系统二级膜分离器渗透侧8氢气纯度是否大于99.97％，若不是，则继续从高压城镇掺氢天然气管道1的原料气进入到高压膜分离系统开始，循环上述操作，直至氢气纯度大于99.97％，若是，则输出氢气纯度、高压膜分离系统二级膜分离器渗透侧8气体的体积流量VP2、高压膜分离系统二级膜分离器进料侧7压力px2、高压膜分离系统二级膜分离器渗透侧8压力py2、高压膜分离系统二级膜分离器B操作温度T2和渗透组分氢气在高压膜分离系统二级膜分离器渗透侧8的摩尔分数y氢2，判断氢气渗透通量J是否满足加氢能源站供氢需求，若不是，则继续从高压城镇掺氢天然气管道1的原料气进入到高压膜分离系统开始，直至满足需求为止，若是，则高压膜分离系统工作结束；
进一步地，中压膜分离系统的控制方法为：
通过控制器对中压膜分离系统中的中压调压阀、中压膜分离系统升温换热器、压缩机进行控制并对产生的数据进行存储，通过可视化屏幕对中压膜分离系统中产生的数据进行实时显示；具体的：
中压城镇掺氢天然气管道12的原料气进入到高压膜分离系统，输出渗透组分氢气在原料气的摩尔分数x氢1'，随后通过中压调压阀13调节压力，判断中压膜分离系统一级膜分离器C的驱动压差是否满足需求，若不是，则继续通过中压调压阀13调节压力，直至驱动压差满足需求，若是，则输出中压膜分离系统一级膜分离器进料侧15压力px1'，随后通过中压膜分离系统升温换热器14进行加热，判断中压膜分离系统一级膜分离器C的操作温度是否满足需求，若不是，则继续通过中压膜分离系统升温换热器14换热，直至操作温度满足需求，若是，则输出中压膜分离系统一级膜分离器C操作温度T1'，随后进行中压膜分离系统一级膜分离，进而判断中压膜分离系统一级膜分离器渗透侧17氢气纯度是否大于90％，若不是，则继续通过中压调压阀13调节压力，直至氢气纯度大于90％，若是，则输出氢气纯度、中压膜分离系统一级膜分离器渗透侧17气体的体积流量VP1'、中压膜分离系统一级膜分离器渗透侧17压力py1'和渗透组分氢气在中压膜分离系统一级膜分离器渗透侧17的摩尔分数y氢1'，随后通过压缩机19进行压缩，判断中压膜分离系统二级膜分离器D的驱动压差是否满足需求，若不是，则继续通过压缩机19调节压力，直至驱动压差满足需求，若是，则输出中压膜分离系统二级膜分离器进料侧20压力px2'，随后进行中压膜分离系统二级膜分离，判断中压膜分离系统二级膜分离器渗透侧22氢气纯度是否大于99.97％，若不是，则继续从压缩机19压缩开始，循环上述流程，直至氢气纯度大于99.97％，若是，则输出氢气纯度、中压膜分离系统二级膜分离渗透侧气体的体积流量VP2'、中压膜分离系统二级膜分离器进料侧20压力px2'、中压膜分离系统二级膜分离器渗透侧22压力py2'和中压膜分离系统二级膜分离器D操作温度T2'和渗透组分氢气在中压膜分离系统二级膜分离器渗透侧22的摩尔分数y氢2'，进而判断氢气渗透通量J'是否满足加氢能源站供氢需求，若不是，则继续从中压城镇掺氢天然气管道12的原料气进入到高压膜分离系统开始，循环上述流程，直至满足需求为止，若是，则中压膜分离系统工作结束；
具体的，将膜的渗透组分氢气的渗透通量公式表示为：
其中，J为膜的渗透组分氢气的渗透通量，单位为GPU，且10-9mol/m2·s·Pa＝3GPU；VP为渗透气体的体积流量，单位为ml/s；xi为渗透组分i在上游的摩尔分数；yi为渗透组分i在下游的摩尔分数；A为膜面积，单位为cm2；T为操作温度，单位为K；px为上游压力，单位为cmHg；py为下游压力，单位为cmHg；φxi为渗透组分i在上游的逸度系数，远小于1；φyi为渗透组分i在下游的逸度系数，近似于1；高级膜分离系统工作结束后，高压膜分离系统二级膜分离器渗透侧8的氢气流向一级压缩机随后经内部压力为35MPa的储氢罐后向加氢区供氢，中级膜分离系统工作结束后，中压膜分离系统二级膜分离器渗透侧22的氢气流向一级压缩机后经二级压缩机进入内部压力为70MPa的储氢罐向加氢区供氢；高压膜分离系统二级膜分离器渗余侧9和中压膜分离系统二级膜分离器渗余侧16的天然气可以通过控制器调度流回城镇掺氢天然气管网或直接输送到天然气用户，也可以经天然气压缩机处理后为加气区进行供气。
进一步地，渗透组分氢气在高压膜分离系统一级膜分离器渗透侧6的摩尔分数y氢1等于渗透组分氢气在高压膜分离系统二级膜分离器进料侧7的摩尔组分x氢2。
进一步地，渗透组分氢气在中压膜分离系统一级膜分离器渗透侧17的摩尔分数y氢1'等于渗透组分氢气在中压膜分离系统二级膜分离器进料侧20的摩尔组分x氢2'。
尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。
Claims (8)
1.一种利用多级膜分离法提纯掺氢天然气的加氢能源站，其特征在于，包括多级膜分离法提纯系统、光伏发电供电系统、蓄电区、氢气压缩单元、氢气储存单元、天然气压缩机、加氢区、加气区、充电区和智能调控系统；
所述多级膜分离法提纯系统与城镇掺氢天然气管网相连；
所述多级膜分离法提纯系统的渗透侧与氢气压缩单元、氢气存储单元、加氢区依次相连；
所述多级膜分离法提纯系统的渗透侧与天然气压缩机、加气区依次相连；
所述光伏发电供电系统、蓄电区、充电区依次相连，蓄电区为多级膜分离法提纯系统、氢气压缩单元、天然气压缩机提供电源；
所述智能调控系统包括控制器和可视化屏幕，智能化调控系统与多级膜分离法提纯系统、光伏发电供电系统、蓄电区、氢气压缩单元、氢气储存单元、天然气压缩机、加氢区、加气区、充电区相连，控制器用于控制多级膜分离法提纯系统，可视化屏幕用于显示加氢能源站的运行情况。
2.根据权利要求1所述的一种利用多级膜分离法提纯掺氢天然气的加氢能源站，其特征在于，所述城镇掺氢天然气管网包括高压城镇掺氢天然气管道(1)、中压城镇掺氢天然气管道(12)和低压城镇掺氢天然气管道(11)；
所述多级膜分离法提纯系统包括高压膜分离系统和中压膜分离系统，高压膜分离系统和中压膜分离系统均与氢气压缩单元连接；
所述高压城镇掺氢天然气管道(1)与高压膜分离系统连接，中压城镇掺氢天然气管道(12)与中压膜分离系统连接，低压城镇掺氢天然气管道(11)与高压膜分离系统和中压膜分离系统的渗余侧连接。
3.根据权利要求2所述的一种利用多级膜分离法提纯掺氢天然气的加氢能源站，其特征在于，所述高压膜分离系统包括高压调压阀(2)、高压膜分离系统升温换热器(3)、高压膜分离系统一级膜分离器(A)、高压膜分离系统二级膜分离器(B)和高压膜分离系统降温换热器(10)；
所述高压城镇掺氢天然气管道(1)与高压调压阀(2)的进口相连，高压调压阀(2)的出口与高压膜分离系统升温换热器(3)的进口相连，高压膜分离系统一级膜分离器(A)设置有高压膜分离系统一级膜分离器进料侧(4)、高压膜分离系统一级膜分离器渗余侧(5)和高压膜分离系统一级膜分离器渗透侧(6)，高压膜分离系统升温换热器(3)的出口与高压膜分离系统一级膜分离器进料侧(4)相连，高压膜分离系统二级膜分离器(B)设置有高压膜分离系统二级膜分离器进料侧(7)、高压膜分离系统二级膜分离器渗透侧(8)和高压膜分离系统二级膜分离器渗余侧(9)；高压膜分离系统一级膜分离器渗透侧(6)与高压膜分离系统二级膜分离器进料侧(7)相连；高压膜分离系统一级膜分离器渗余侧(5)和高压膜分离系统二级膜分离器渗余侧(9)通过高压膜分离系统降温换热器(10)与低压城镇掺氢天然气管道(11)相连，高压膜分离系统二级膜分离器渗透侧(8)与氢气压缩单元相连。
4.根据权利要求2所述的一种利用多级膜分离法提纯掺氢天然气的加氢能源站，其特征在于，所述中压膜分离系统包括中压调压阀(13)、中压膜分离系统升温换热器(14)、中压膜分离系统一级膜分离器(C)、一级分离真空泵(18)、压缩机(19)、二级分离真空泵(21)、中压膜分离系统二级膜分离器(D)和中压膜分离系统降温换热器(24)；
所述中压城镇掺氢天然气管道(12)与中压调压阀(13)的进口相连，中压调压阀(13)的出口与中压膜分离系统升温换热器(14)的进口相连，中压膜分离系统一级膜分离器(C)设置有中压膜分离系统一级膜分离器进料侧(15)、中压膜分离系统一级膜分离器渗余侧(16)和中压膜分离系统一级膜分离器渗透侧(17)，中压膜分离系统升温换热器(14)的出口与中压膜分离系统一级膜分离器进料侧(15)相连，中压膜分离系统二级膜分离器(D)设置有中压膜分离系统二级膜分离器进料侧(20)、中压膜分离系统二级膜分离器渗透侧(22)和中压膜分离系统二级膜分离器渗余侧(23)，中压膜分离系统一级膜分离器渗透侧(17)与一级分离真空泵(18)、压缩机(19)和中压膜分离系统二级膜分离器进料侧(20)相连，中压膜分离系统一级膜分离器渗余侧(16)和中压膜分离系统二级膜分离器渗余侧(23)通过中压膜分离系统降温换热器(24)与低压掺氢天然气管道(11)相连，中压膜分离系统二级膜分离器渗透侧(22)通过二级分离真空泵(21)与氢气压缩单元相连。
5.根据权利要求3所述的一种利用多级膜分离法提纯掺氢天然气的加氢能源站，其特征在于，高压膜分离系统的控制方法为：
通过控制器对高压膜分离系统中的高压调压阀、高压膜分离系统升温换热器进行控制并对产生的数据进行存储，通过可视化屏幕对高压膜分离系统中产生的数据进行实时显示；
高压城镇掺氢天然气管道的原料气进入到高压膜分离系统，输出渗透组分氢气在原料气的摩尔分数x氢1，随后通过高压调压阀调节压力，判断高压膜分离系统一级膜分离器的驱动压差是否满足需求，若不是，则继续通过高压调压阀调节压力，直至驱动压差满足需求，若是，则输出高压膜分离系统一级膜分离器进料侧压力px1，随后通过高压膜分离系统升温换热器进行加热，判断高压膜分离系统一级膜分离器的操作温度是否满足需求，若不是，则继续通过高压膜分离系统升温换热器换热，直至操作温度满足需求，若是，则输出高压膜分离系统一级膜分离器操作温度T1，随后进行高压膜分离系统一级膜分离，进而判断高压膜分离系统一级膜分离器渗透侧氢气纯度是否大于90％，若不是，则继续通过高压调压阀调节压力，循环上述操作，直至氢气纯度大于90％，若是，则输出氢气纯度、高压膜分离系统一级膜分离器渗透侧气体的体积流量VP1、高压膜分离系统一级膜分离器渗透侧压力py1和渗透组分氢气在高压膜分离系统一级膜分离器渗透侧的摩尔分数y氢1，随后进行高压膜分离系统二级膜分离，判断高压膜分离系统二级膜分离器渗透侧氢气纯度是否大于99.97％，若不是，则继续从高压城镇掺氢天然气管道的原料气进入到高压膜分离系统开始，循环上述操作，直至氢气纯度大于99.97％，若是，则输出氢气纯度、高压膜分离系统二级膜分离器渗透侧气体的体积流量VP2、高压膜分离系统二级膜分离器进料侧压力px2、高压膜分离系统二级膜分离器渗透侧压力py2、高压膜分离系统二级膜分离器操作温度T2和渗透组分氢气在高压膜分离系统二级膜分离器渗透侧的摩尔分数y氢2，判断氢气渗透通量J是否满足加氢能源站供氢需求，若不是，则继续从高压城镇掺氢天然气管道的原料气进入到高压膜分离系统开始，直至满足需求为止，若是，则高压膜分离系统工作结束。
6.根据权利要求4所述的一种利用多级膜分离法提纯掺氢天然气的加氢能源站，其特征在于，中压膜分离系统的控制方法为：
通过控制器对中压膜分离系统中的中压调压阀、中压膜分离系统升温换热器、压缩机进行控制并对产生的数据进行存储，通过可视化屏幕对中压膜分离系统中产生的数据进行实时显示；具体的：
中压城镇掺氢天然气管道的原料气进入到高压膜分离系统，输出渗透组分氢气在原料气的摩尔分数x氢1'，随后通过中压调压阀调节压力，判断中压膜分离系统一级膜分离器的驱动压差是否满足需求，若不是，则继续通过中压调压阀调节压力，直至驱动压差满足需求，若是，则输出中压膜分离系统一级膜分离器进料侧压力px1'，随后通过中压膜分离系统升温换热器进行加热，判断中压膜分离系统一级膜分离器的操作温度是否满足需求，若不是，则继续通过中压膜分离系统升温换热器换热，直至操作温度满足需求，若是，则输出中压膜分离系统一级膜分离器操作温度T1'，随后进行中压膜分离系统一级膜分离，进而判断中压膜分离系统一级膜分离器渗透侧氢气纯度是否大于90％，若不是，则继续通过中压调压阀调节压力，直至氢气纯度大于90％，若是，则输出氢气纯度、中压膜分离系统一级膜分离器渗透侧气体的体积流量VP1'、中压膜分离系统一级膜分离器渗透侧压力py1'和渗透组分氢气在中压膜分离系统一级膜分离器渗透侧的摩尔分数y氢1'，随后通过压缩机进行压缩，判断中压膜分离系统二级膜分离器的驱动压差是否满足需求，若不是，则继续通过压缩机调节压力，直至驱动压差满足需求，若是，则输出中压膜分离系统二级膜分离器进料侧压力px2'，随后进行中压膜分离系统二级膜分离，判断中压膜分离系统二级膜分离器渗透侧氢气纯度是否大于99.97％，若不是，则继续从压缩机压缩开始，循环上述流程，直至氢气纯度大于99.97％，若是，则输出氢气纯度、中压膜分离系统二级膜分离渗透侧气体的体积流量VP2'、中压膜分离系统二级膜分离器进料侧压力px2'、中压膜分离系统二级膜分离器渗透侧压力py2'和中压膜分离系统二级膜分离器操作温度T2'和渗透组分氢气在中压膜分离系统二级膜分离器渗透侧的摩尔分数y氢2'，进而判断氢气渗透通量J'是否满足加氢能源站供氢需求，若不是，则继续从中压城镇掺氢天然气管道的原料气进入到高压膜分离系统开始，循环上述流程，直至满足需求为止，若是，则中压膜分离系统工作结束。
7.根据权利要求5所述的一种利用多级膜分离法提纯掺氢天然气的加氢能源站，其特征在于，渗透组分氢气在高压膜分离系统一级膜分离器渗透侧的摩尔分数y氢1等于渗透组分氢气在高压膜分离系统二级膜分离器进料侧的摩尔组分x氢2。
8.根据权利要求6所述的一种利用多级膜分离法提纯掺氢天然气的加氢能源站，其特征在于，渗透组分氢气在中压膜分离系统一级膜分离器渗透侧的摩尔分数y氢1'等于渗透组分氢气在中压膜分离系统二级膜分离器进料侧的摩尔组分x氢2'。
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