CN216418976U - 均匀分配流量的天然气掺氢装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及均匀分配流量的天然气掺氢装置，包括方形管道、分隔结构和均流器；方形管道设有天然气进气口和氢气进气口，天然气进气口沿管轴方向布置，氢气进气口沿管侧径向布置；方形管道内设有方形网格状的分隔结构，分隔结构将方形管道管内空间分为区域一和区域二；区域一分为多个相互独立部分，区域二则为一个相连的整体；区域二分为区域三和区域四，其中分隔结构的方形网格状节点处的方格为区域四，区域四四边处的方格为区域三；氢气通道内设置均流器，均流器包括渐缩渐扩管、收缩弹簧和流体弹子。本实用新型的有益效果是：本实用新型设置了管内分隔结构，将两种流体分散为细小支流，将不同气体种类的支流依次排列，实现快速均匀掺混。

Description

均匀分配流量的天然气掺氢装置

技术领域

本实用新型涉及一种天然气掺氢装置，具体涉及一种均匀分配流量的天然气掺氢装置。

背景技术

天然气掺氢一直是国内外氢气运输和规模化利用的重要研究方向，对促进我国氢能产业发展具有重要的意义。天然气掺氢混合是掺氢天然气安全输送的重要技术问题。

现有的天然气掺氢方式分为三种：第一种是直接混合法，即天然气管和氢气管直接交汇为一路天然气掺氢管，利用湍流效应经过较长距离后达到均匀状态，此方案的优势在于无需额外的混合装置，缺点在于达到混合状态前需较长距离，因此在混合点后较长距离内气体组分都处于不均匀状态；第二种是动部件气体混合装置，通过机械结构搅浑实现掺氢混合，可快速实现均匀混合，但需要耗能；第三种是无动部件气体混合装置，其可靠性高于动部件气体混合装置，现有的无动部件气体混合装置包括SV型、SK型、SX型、SL型、SH型等，其原理都是通过设置复杂流道不断改变流体流向增强湍流效益以达到混合效果。

天然气管与氢气管的混合处，无论是否采用混合器，由于混和初始阶段，两股气体有明显分界，且不同局部的压降损失不等，因此必定造成最初一段流体的组分与达到平衡后的组分存在差异，这一过程中，以较远管处的气体为对象，同一管截面上的气体组分是可以均匀一致的，但在不同时间点上气体组分是波动变化的。如图10所示，i为混和平衡达成后的组分，j为平衡达成所需的时间，在波动段，组分(指某一管截面上气体总的比例，而非均匀度)是在平衡组分值的上下波动的，由于物质守恒，这一段波动曲线的“组分-时间”的积分面积等于i·j。同理的，在混合点的天然气管或氢气管的进气流量变化后，建立新的组分平衡，同样需要经历一个波动段。

上述混合过程中波动段的存在，使得混合点的流量变化，必定造成后端的组分波动，这一波动对于终端用户的燃烧稳定存在不利影响，是需要消除的。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有技术中的不足，提供一种均匀分配流量的天然气掺氢装置。

这种均匀分配流量的天然气掺氢装置，包括方形管道、分隔结构和均流器；方形管道设有天然气进气口和氢气进气口，天然气进气口沿管轴方向布置，氢气进气口沿管侧径向布置；方形管道内设有方形网格状的分隔结构，分隔结构将方形管道管内空间分为区域一和区域二；区域一分为多个相互独立部分，区域二则为一个相连的整体；区域二分为区域三和区域四，其中分隔结构的方形网格状节点处的方格为区域四，区域四四边处的方格为区域三；区域三为流通空间且区域四为封闭空间，或者区域三为封闭空间且区域四为流通空间；区域一作为天然气通道，分隔结构的区域三或区域四作为氢气通道；氢气通道内设置均流器，均流器包括渐缩渐扩管、收缩弹簧和流体弹子，渐缩渐扩管内部前端设有收缩弹簧，收缩弹簧连接流体弹子，流体弹子与渐缩渐扩管的最窄段相贴合。

作为优选：在沿管轴的方向上，区域二的结构是局部的。

作为优选：区域一作为天然气通道，区域四作为氢气通道，天然气通道与氢气通道之间角与角接触。

作为优选：区域一作为天然气通道，区域三作为氢气通道，每个氢气通道上下或左右两个方向与天然气通道接触。

作为优选：天然气通道内设置均流器。

本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型设置了管内分隔结构，将两种流体分散为细小支流，将不同气体种类的支流依次排列，实现快速均匀掺混。

2、本实用新型在气体通道各支路中设置相同的均流器，通过平衡各支路的压损，在流量变化时快速实现分支流量均匀化控制。

3、本实用新型将分隔结构与均流器相结合，既能实现天然气掺氢混合充分，又能在流量变化时快速建立组分平衡，同时实现均匀和流量控制。

附图说明

图1为混合器进气方式示意图；

图2为方形管道的管截面图；

图3为管内空间划分情况示意图；

图4为管内分隔结构示意图；

图5为掺混流体分区示意图；

图6为相邻射流发展混合过程示意图；

图7为有无均流器设置时的管路流动示意图；

图8为均流器结构示意图；

图9为均流器工作原理图(其中：上图是流量为零时的均流器状态图，中图是流量较小时的均流器状态图，下图是流量较大时的均流器状态图)；

图10为混和初期组分波动示意图。

附图标记说明：区域一1、区域二2、区域三3、区域四4、渐缩渐扩管5、收缩弹簧6、流体弹子7。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

本实用新型的均匀分配流量的天然气掺氢装置，在天然气掺氢混合充分的基础上，实现流量变化时快速建立组分平衡。

实施例一

本申请实施例一提供一种均匀分配流量的天然气掺氢装置，能够实现天然气掺氢混合充分。

如图2所示，本实施例采用方形管道代替圆形管道，这样更好理解，圆形管道用同样的原理也可以实现相同的效果。

如图1所示，本实施例的均匀分配流量的天然气掺氢装置，待混合气体的进气方式是：两股流体分别沿管轴向进气、于管侧径向进气。混合气沿管轴向出气。由于天然气掺氢过程中，天然气占比达80％以上，氢气占比仅20％以下，本实施例中的天然气沿管轴向进气，氢气于管侧径向进气。

如图3所示为气体进口处的一段管道的管内空间划分情况，利用方形网格状结构将这个方形管道管内空间分为两部分，一部分为区域一1，另一部分为区域二2(可以定义为分隔结构)。区域一分为多个相互独立部分，区域二则为一个相连的整体。进一步的，管轴向的结构如图3的A-A截面所示，在沿管轴的方向上，区域二的结构是局部的，也就是说区域二在局部对管内空间进行了划分，B-B截面则进一步说明区域二是一个整体。本实施例中，天然气的进口无需进一步描述，图3中区域一原本和前端以及后端的管路都是连通的，需要对区域二进行进一步的描述。

如图4所示，对图3的区域二(分隔结构)进行进一步描述。分隔结构虽为整体，但内部同样利用隔板分为区域三3和区域四4，区域三和区域四互不连通，其中分隔结构的方形网格状节点处的方格为区域四，区域四四边处的方格为区域三。分隔结构有两种设计方式：①图4中，区域三为流通空间、区域四为封闭空间；②图4中，区域三为封闭空间、区域四为流通空间。以设计方式①为例，如图4中A-A截面所示，分隔结构可利用一管路从管外进气，分隔结构的上游侧与外界不连通，分隔结构的下游侧则部分连通，区域四为多个独立的封闭空间，不通气，即区域四是实体的，或者内部也可以为中空，所有的面封闭内部不流通即可。区域四的作用是为了使得区域三之间互相独立，每一个区域三的通道都是独立通气。进一步说明：图4中整体的分隔结构，从A-A截面看(这里的从左到右的方向就是图1的从左向右的方向)，一开始所有的区域都是连通的，即A-A中左边的区域三都是连通的，然后到某个位置开始，有了区域四，区域四的存在使得整个流动被分为多股分流。

通过管内空间划分将天然气和氢气的单股流体分隔成多股分流，并将这些分流按介质不同依次排列成矩阵，这样就有助于天然气和氢气的均匀混合。

如图5所示，A为天然气通道，B为氢气通道，掺混流体的分区可以有两种情况。对比图5中左右两种分区方式：左图中，区域一通天然气，区域四通氢气，即分隔结构采用设计方式②，由图可知，A与B的分布更为均匀，每个A(B)分别与4个B(A)角与角接触；而右图中，区域一通天然气，区域三通氢气，即分隔结构采用设计方式①，由图可知，虽然A周围的B分布均匀，但对于每个B，只有上下或左右两个方向与A接触，分布不均匀。因此选用左图分区方式，能更好实现均匀混合。

如图6所示，由于气体射流喷出后有一径向扩展过程，因此分隔结构中不通流体的区域不会影响整体的掺混过程。

实施例二

本申请实施例二提供一种设置在气体通道中的均流器，可在流量变化时快速建立组分平衡，避免混合过程的波动段。

沿程阻力：

其中：λ表示沿程阻力系数；l表示管长；d表示管径；v表示流速；g表示重力加速度。

局部阻力：

其中：ζ是局部阻力系数；v表示流速；g表示重力加速度。

如图7所示，左图为常规的分流支路并联情况，由于各支路管长l及局部阻力系数ζ的不同，即便经过一段时间后达成F_OA＝F_OB＝F_OC＝F_OD＝F_OE(达到平衡后，并联管路阻力损失相等；其中F_OA、F_OB、F_OC、F_OD、F_OE表示各并联管路阻力，其为沿程阻力与局部阻力的和)，也无法保证A、B、C、D、E口的流量均匀一致。中图和右图为在各分流支路中皆设置同一均流器的情况，有均流器时，对应某一流量，若均流器阻力F_均流器＞＞max(F_OA,F_OB,F_OC,F_OD,F_OE)-min(F_OA,F_OB,F_OC,F_OD,F_OE)，考虑总损失时，原先的沿程阻力和无均流器时的局部阻力可忽略不计，根据F_均流器与流量Q的对应关系的单调性，通过均流器使得不同分支的F’_OA＝F’_OB＝F’_OC＝F’_OD＝F’_OE(F’_OA、F’_OB、F’_OC、F’_OD、F’_OE表示增加均流器后各并联管路阻力)近似成立时，A、B、C、D、E分支的流量均匀一致。另外，由于流体会优先选择压损低的路径通过，因此当F’_OA＝F’_OB＝F’_OC＝F’_OD＝F’_OE未建立时，A、B、C、D、E分支的流量亦不一致，将快速建立流量平衡使F’_OA＝F’_OB＝F’_OC＝F’_OD＝F’_OE成立，因此均流器的布置可快速实现分支流量均匀控制。右图的流量大于中图的流量。

如图8所示，氢气通道必须要设置均流器，也就是图5的区域B。天然气通道(区域A)最好设置均流器。因为天然气是沿着主管方向流动的，而氢气是侧向进入的，所以压力不好分配。均流器包括渐缩渐扩管5、收缩弹簧6、流体弹子7，渐缩渐扩管5内部前端设有收缩弹簧6，收缩弹簧6连接流体弹子7，流体弹子7与渐缩渐扩管5的最窄段相贴合。如图9所示，通过收缩弹簧，对流体弹子施加与流动方向相反的力。流体流量越大，对应渐缩渐扩管与流体弹子之间的间隙越大，弹簧长度越大，对流体弹子的约束力越大。

通过在不同分流支路(分流支路尺寸一致)，设置同样的均流器，即可快速实现分支流量均匀控制。

Claims (3)

1.一种均匀分配流量的天然气掺氢装置，其特征在于：包括分隔结构和均流器；方形管道设有天然气进气口和氢气进气口，天然气进气口沿管轴方向布置，氢气进气口沿管侧径向布置；方形管道内设有方形网格状的分隔结构，分隔结构将方形管道管内空间分为区域一(1)和区域二(2)；区域一分为多个相互独立部分，区域二则为一个相连的整体；区域二分为区域三(3)和区域四(4)，其中分隔结构的方形网格状节点处的方格为区域四，区域四四边处的方格为区域三；区域三为流通空间且区域四为封闭空间，或者区域三为封闭空间且区域四为流通空间；区域一作为天然气通道，分隔结构的区域三或区域四作为氢气通道；氢气通道内设置均流器，均流器包括渐缩渐扩管(5)、收缩弹簧(6)和流体弹子(7)，渐缩渐扩管(5)内部前端设有收缩弹簧(6)，收缩弹簧(6)连接流体弹子(7)，流体弹子(7)与渐缩渐扩管(5)的最窄段相贴合。

2.根据权利要求1所述的均匀分配流量的天然气掺氢装置，其特征在于：在沿管轴的方向上，区域二的结构是分隔的。

3.根据权利要求1所述的均匀分配流量的天然气掺氢装置，其特征在于：天然气通道内设置均流器。

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