CN209245710U - 一种长输管道天然气加氢气装置 - Google Patents

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丁峰
仝淑月
李冬林
白光乾
李云
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Abstract

本实用新型公开了一种长输管道天然气加氢气装置，包括主管线、第一管路、第二管线、PLC控制器和安全保护部分，主管线和第一管路分别与混合总管线连接，主管线内设置有天然气，第一管路内均设置有氢气，第二管线与第一管路连接，混合总管线的出口端设置有静态混合器，PLC控制器分别与主管线和第一管路连接，安全保护部分分别设置在主管线、第一管路和第二管线上，包括可燃气体报警控制器和正压防爆控制系统。本实用新型自动控制简单，加入量大，连续运行，加入比例稳定，混合均匀，无放空污染，安全可靠。

Description

一种长输管道天然气加氢气装置
技术领域
本实用新型属于气体加注技术领域，具体涉及一种长输管道天然气加氢气装置。
背景技术
天然气中加入一定的氢气，成为一种新型燃料—氢天然气，兼具有天然气和氢气的优点，燃烧速度快，碳排放更低，更加环保，是一种应对石油危机的新途径。氢气压缩比小，且不易液化，导致汽车运输成本高，推广经济性差。而采用长输管道和天然气一起输送极大地降低了氢气的运输成本，成为氢天然气推广的极佳方法。由于氢气与天然气相比更易爆炸，且对管材有一定的影响。因此对氢气加入天然气中的比例、均匀性以及安全性有较高的要求，加入方法是关键。
国内对天然气中加入氢气的方法研究的比较少，但有在加气站加入氢气的专利，也有在天然气中混合空气的专利，加入原理与方法相近，但不尽相同。若用于长输管道对天然气加入氢气，处理量小；存在多次放空问题；加入比例不好控制且加入后天然气与氢气混合不均匀。且需对天然气和氢气两路管道进行控制；天然气管路没有旁路，不便于检修；缺少超压泄放回输管路。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种长输管道天然气加氢气装置，自动控制简单，加入量大，连续运行，加入比例稳定，混合均匀，无放空污染，安全可靠的加氢装置。
本实用新型采用以下技术方案：
一种长输管道天然气加氢气装置，包括主管线、第一管路、第二管线、PLC控制器和安全保护部分，主管线和第一管路分别与混合总管线连接，主管线内设置有天然气，第一管路内均设置有氢气，第二管线与第一管路连接，混合总管线的出口端设置有静态混合器，PLC控制器分别与主管线和第一管路连接，安全保护部分分别设置在主管线、第一管路和第二管线上，包括可燃气体报警控制器和正压防爆控制系统。
具体的，第一管路上设置有第二卸压阀，第二卸压阀依次经第二过滤器、第二流量计、调节控制阀、第三截断阀和单向阀后与混合总管线连接。
进一步的，第二流量计和调节控制阀之间设置有第二压力变送器，第二流量计、第二压力变送器和调节控制阀分别通过信号控制线与PLC控制器连接。
更进一步的，第二卸压阀和第二过滤器之间连接有氢气回流管线，氢气回流管线上设有第一泄压阀。
具体的，第二管线上设置有电解水制氢装置，电解水制氢装置的正极与氧气缓冲罐连接，负极依次经氢气缓冲罐和增压压缩机后与第一管路上设置的第二卸压阀连接。
具体的，主管线上设置有第一截断阀，第一截断阀依次经第一过滤器、第一流量计和第二截断阀后与混合总管线连接，第一过滤器和第一流量计之间设置有第一压力变送器，第一压力变送器和第一流量计分别通过信号控制线与PLC控制器连接。
进一步的，可燃气体报警控制器与第一截断阀连接。
具体的，主管线还连接有旁通管线，通过旁通管线与混合总管线连接，旁通管线上设置有旁通阀。
具体的，静态混合器内部设置有扰流网。
具体的，PLC控制器设置在正压箱内，正压箱内保持空气或氮气正压。
与现有技术相比，本实用新型至少具有以下有益效果：
本实用新型一种长输管道天然气加氢气装置，通过PLC控制器实现人机交互设定控制，可以按需设定氢气混合量和压力并实现精确控制，并使氢气和天然气在静态混合器内完全混合，满足经济效益最大化，适用于不同场合，并可以根据客户的不同加注比例要求进行混合，氢气可以通过电解水的方法自制获得，方便灵活，也可以通过外部的氢气管网直接加入。并且电解水装置可做成撬装，便于移动和安装。并且本装置还设有旁路以及氢气回流管道，方便检修，提升系统的安全性。
进一步的，在第一管线上，氢气过滤器用以除去氢气中的固体杂质和颗粒。通过设置氢气流量计和压力变送器把流量信号和压力信号传送给PLC控制器。控制阀接收PLC的信号改变阀门开度来控制氢气和天然气的混合比例。管道发生破损泄漏后，截断阀可根据管道的降压速率来实现阀门的自动关闭。氢气单向阀防止混合气倒流进入氢气管线。
进一步的，第二管线上的压缩机给氢气加压，为氢气的运输提供动力。缓冲罐可以储存电解水装置产生的氢气，并能保证进入压缩机的氢气压力波动较小。
进一步的，氢气回流管线上的氢气泄压阀可随压力变化自动开启或关闭，使管路中的压力维持稳定，保证管路安全。
进一步的，通过旁通管线可在检修仪表时，保证设备不停运，当系统突然停止运行或者超压时，天然气通过旁通管线继续向下游输送，氢气降压后自动回流至储存设备，有效提高了设备的系统能量效率、安全性和适用性。
进一步的，静态混合器中的扰流网可以保证天然气和氢气进行充分混合。
进一步的，由于正常工作时电气设备可能会产生电火花，或温度升高PLC控制器设置在正压箱内可以防止电气设备与爆炸性气体发生接触，从而避免了发生爆炸的风险。
综上所述，本实用新型自动控制简单，加入量大，连续运行，加入比例稳定，混合均匀，无放空污染，安全可靠。
下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本实用新型连接示意图。
其中：1.主管线；2.第一截断阀；3.第一过滤器；4.第一压力变送器；5.第一流量计；6.第二截断阀；7.静态混合器；8.信号控制线；9.PLC控制器；10.信号线；11.旁通管线；12.第一卸压阀；13.回流管线；14.旁路阀；15.第一管线；16.第二管线；17.第二卸压阀；18.第二过滤器；19.第二流量计；20.第二压力变送器；21.调节控制阀；22.第三截断阀；23.单向阀；24.增压压缩机；25.氢气缓冲罐；26.氧气缓冲罐；27.电解水制氢装置。
具体实施方式
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
本实用新型提供了一种长输管道天然气加氢气装置，至少一路天然气管路、至少一路氢气管路、至少一路氢气回流管路和至少一路混合总管组成管线部分，每路天然气管路上设有天然气截断阀、天然气过滤器、天然气流量计，每路氢气管路上设有截断阀、过滤器、流量计、调节控制阀，单向阀，每路氢气回流管路设有安全阀，每路混合总管设有静态混合器。利用PLC控制系统通过人机交互设定控制方法，可以按需设定氢气混合量和压力并实现精确控制，并使氢气和天然气在静态混合器内完全混合，满足经济效益最大化；当系统突然停止运行或者超压时，天然气通过旁通管线继续向下游输送，氢气降压后自动回流至储存设备，有效提高了设备的系统能量效率、安全性和适用性，使得本实用新型混合设备可以适用于不同场合，并可以根据客户的不同加注比例要求进行混合。
请参阅图1，本实用新型一种长输管道天然气加氢气装置，包括管路部分、电气控制部分和安全保护部分，管路部分包括天然气主管线1、氢气第一管路15、氢气第二管线16、氢气回流管线13和混合总管线，天然气主管线1、氢气第一管路15和氢气第二管线16分别与混合总管线连接，混合总管线上设置有静态混合器7；电气控制部分包括PLC控制器9，PLC控制器9分别与主管线1和第一管路15连接，通过第一管路15上的调节控制阀21进行实时控制。
电气控制部分包括：PLC控制器9和人机交换界面，第一流量计5、第一压力变送器4、第二流量计19、第二压力变送器20、调节控制阀21的数据通过网络传输至PLC控制器9实现均匀、安全、实时混合，数据实时采集，自动计算及自动控制，全设备一键式操作，并有停止按键及急停按钮，也可手动点击进行手动加注。
静态混合器7内部设置有扰流网，保证进入混合器的两种气体充分混合。
主管线1上依次设置有第一截断阀2、第一过滤器3、第一压力变送器4、第一流量计5和第二截断阀6，第一压力变送器4和第一流量计5分别与PLC控制器9连接。
主管线1还经旁通管线11与混合总管线连接，旁通管线11上设置有旁通阀14。
第一管路15上依次设置有第二卸压阀17、第二过滤器18、第二流量计19、第二压力变送器20、调节控制阀21、第三截断阀22和单向阀23，第二流量计19和第二压力变送器20分别与PLC控制器9连接。
第二卸压阀17和第二过滤器18之间连接有氢气回流管线13，氢气回流管线13上设有第一泄压阀12。
第二管线16上依次设置有电解水制氢装置27、氢气缓冲罐25和增压压缩机24，电解水制氢装置27的正极连接氧气缓冲罐26，负极与氢气缓冲罐25连接，增压压缩机24与第一管线15上的第二卸压阀17连接。
安全保护部分包括可燃气体报警控制器和正压防爆控制系统，可燃气体报警控制器用于可燃气体一旦泄漏，可燃气体探头声光报警，并关断第一截断阀2，该功能由可燃气体报警控制器实现；正压防爆控制系统用于保护电气部分在爆炸性气体危险环境下安全运行。
正压防爆控制系统采用南阳市一通防爆电气有限公司生产的BXPK正压型防爆控制柜。
电气控制部分安装在正压箱内，正压箱内保持空气或氮气正压，包括控制系统与人机交互界面，第一压力变送器4、第二压力变送器20、第一流量计5、第二流量计19将数据传输至PLC控制器9进而控制调节控制阀21，实现天然气与氢气按一定比例混合。
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本实用新型实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
本实用新型一种长输管道天然气加氢气方法，通过第一压力变送器4、第一流量计5、第二流量计19、第二压力变送器20分别检测天然气管路和氢气管路的压力和流量，PLC控制器9计算出相应的标况流量Qb，然后设置混配比例，PLC控制器9发出信号，通过第一管线15的调节控制阀21调节氢气的流量，进而实现天然气与氢气的混合。
标准状态下的流量Qb计算如下：
其中，Q为工况下的流量，m3/h，为介质的绝对压力，MPa，P为标准状态下的压力，Pb为0.101325MPa，T为介质工况下的温度，K，Tb为标准状态下的温度，为293K，Fz为压缩因子。
首先，第一压力变送器4和第二压力变送器20分别将天然气的工况压力P1和氢气的工况压力P2传递给PLC；第一流量计5和第二流量计19分别将天然气的工况流量Q1和氢气的工况流量Q2传递给PLC，PLC控制器中按上述公式分别计算出天然气和氢气的标况流量Qb1、Qb2，计算出天然气与氢气实时的混配比例如下：
n′＝Qb1/Qb2
假设在PLC控制器中预设的混配比例为n，n′与n不相等时PLC控制器会发出信号，调节氢气控制阀21来调节氢气流量，最后使n′与n相等，使天然气与氢气的混配比例满足要求。
在天然气的主管线1上设置旁通管线11，通过旁通阀14可在检修仪表时，保证设备不停运；
当第一管线15的流量过大或压力过高，导致氢气与天然气的比例超过混配比例时，氢气可以通过回流管线13自动泄压回流，不放空，安全环保。
为了实现天然气和氢气的实时混合，并保证处理量足够，采用PLC控制系统，可以对天然气和氢气的流量及压力进行实时采集、计算并且PLC仅对氢气管线进行控制，快捷高效。在氢气管线上设置氢气回流管线，在氢气超压或流量的情况下，可以通过泄压阀实现自动泄压、回流，保证系统能够稳定运行。当发生可燃气体泄漏时，可燃气体报警控制器作用，发出声光报警并且自动关断主管线上的第一截断阀，保证系统的安全。
以上内容仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种长输管道天然气加氢气装置，其特征在于，包括主管线(1)、第一管路(15)、第二管线(16)、PLC控制器(9)和安全保护部分，主管线(1)和第一管路(15)分别与混合总管线连接，主管线(1)内设置有天然气，第一管路(15)内均设置有氢气，第二管线(16)与第一管路(15)连接，混合总管线的出口端设置有静态混合器(7)，PLC控制器(9)分别与主管线(1)和第一管路(15)连接，安全保护部分分别设置在主管线(1)、第一管路(15)和第二管线(16)上，包括可燃气体报警控制器和正压防爆控制系统。
2.根据权利要求1所述的长输管道天然气加氢气装置，其特征在于，第一管路(15)上设置有第二卸压阀(17)，第二卸压阀(17)依次经第二过滤器(18)、第二流量计(19)、调节控制阀(21)、第三截断阀(22)和单向阀(23)后与混合总管线连接。
3.根据权利要求2所述的长输管道天然气加氢气装置，其特征在于，第二流量计(19)和调节控制阀(21)之间设置有第二压力变送器(20)，第二流量计(19)、第二压力变送器(20)和调节控制阀(21)分别通过信号控制线(8)与PLC控制器(9)连接。
4.根据权利要求2或3所述的长输管道天然气加氢气装置，其特征在于，第二卸压阀(17)和第二过滤器(18)之间连接有氢气回流管线(13)，氢气回流管线(13)上设有第一泄压阀(12)。
5.根据权利要求1所述的长输管道天然气加氢气装置，其特征在于，第二管线(16)上设置有电解水制氢装置(27)，电解水制氢装置(27)的正极与氧气缓冲罐(26)连接，负极依次经氢气缓冲罐(25)和增压压缩机(24)后与第一管路(15)上设置的第二卸压阀(17)连接。
6.根据权利要求1所述的长输管道天然气加氢气装置，其特征在于，主管线(1)上设置有第一截断阀(2)，第一截断阀(2)依次经第一过滤器(3)、第一流量计(5)和第二截断阀(6)后与混合总管线连接，第一过滤器(3)和第一流量计(5)之间设置有第一压力变送器(4)，第一压力变送器(4)和第一流量计(5)分别通过信号控制线(8)与PLC控制器(9)连接。
7.根据权利要求6所述的长输管道天然气加氢气装置，其特征在于，可燃气体报警控制器与第一截断阀(2)连接。
8.根据权利要求1所述的长输管道天然气加氢气装置，其特征在于，主管线(1)还连接有旁通管线(11)，通过旁通管线(11)与混合总管线连接，旁通管线(11)上设置有旁通阀(14)。
9.根据权利要求1所述的长输管道天然气加氢气装置，其特征在于，静态混合器(7)内部设置有扰流网。
10.根据权利要求1所述的长输管道天然气加氢气装置，其特征在于，PLC控制器(9)设置在正压箱内，正压箱内保持空气或氮气正压。
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CN112705058A (zh) * 2020-12-31 2021-04-27 湖南理工学院 一种管道内氢气与天然气混合装置

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