CN112833334A - 一种混合燃气输送调节***及调节方法 - Google Patents

一种混合燃气输送调节***及调节方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种混合燃气输送调节***及方法，属于能源输送调节领域。该***包括依次连通的燃气混合单元、输送单元和终端设备，所述终端设备连接有第一分析单元，所述第一分析单元通过控制器连接所述燃气混合单元。该***通过在终端设备和燃气混合后设置取样分析装置，对末端工艺设备金属成分的氢脆抗性进行分析，得到该工艺设备的安全混合气体的氢气浓度上限值，以调节调节阀的开度，进而调节氢气‑天然气的安全掺混比例，掺混气体再通过负反馈调节进行修正，直至达到安全稳定的输送状态，来保障下游用户的用气安全。整套***在用户支管末端进行调节，以个体进行分析和调控，控制更加精准。

Description

一种混合燃气输送调节***及调节方法
技术领域
本发明涉及能源输送调节领域，具体涉及一种混合燃气输送调节***；
本发明还涉及一种混合燃气输送调节方法。
背景技术
我国石油天然气对外依存度较高，据权威报告显示2019年我国天然气对外依存度升至45.3％，能源安全面临挑战，随着大气污染防治日益收到关注，环境约束形式也在加剧。为解决环境问题，各国纷纷投入对天然气-氢气掺混的研发。
目前，我国已经建设氢气管道总长度约68公里，为缓解天然气能源对外依存度、缓解冬季气源短缺的问题以及优化能源结构实现节能减排，研发天然气-氢气掺混势在必行。现阶段，国内研发多集中在提高氢气掺混比例，国际上已实现氢气掺混比例达20％。
同时，目前天然气-氢气混合燃气并未实际的作为一次输入能源应用于下游工业生产用户，在实际应用中，由于混合气体中的氢气在某些化学和物理条件下，氢气能够分离出氢原子进入金属材料内部并溶解在金属晶格内部，与其中已经存在的细微裂纹发生作用，导致材料延展性和抗拉强度降低，金属材料脆性增加。
因此，传统天然气管道下游工业用户的金属工艺设备易与氢气-天然气混合气体发生氢脆，且不同业态的工艺生产设备不同，对混合气体的氢气浓度承受度也不同。另外，氢气和天然气混合气体本身存在氢气超过极限浓度***的危险。
因此，需要同时考虑下游不同设备金属特性带来的氢脆隐患和混合气体中氢气本身的***极限浓度，提供一种专门用于接近终端设备的氢气-天然气输送调节***，保障下游终端设备的正常使用和安全使用。
有鉴于此，特提出本申请。
发明内容
本发明提供了一种混合燃气输送调节***及方法，通过在终端设备和燃气混合后设置取样分析装置，对末端工艺设备金属成分的氢脆抗性进行分析，得到该工艺设备的安全混合气体的氢气浓度上限值，以调节调节阀的开度，进而调节氢气-天然气的安全掺混比例，掺混气体再通过负反馈调节进行修正，直至达到安全稳定的输送状态，来保障下游用户的用气安全。整套***在用户支管末端进行调节，以个体进行分析和调控，控制更加精准。
本发明具体技术方案如下：
一种混合燃气输送调节***，包括依次连通的燃气混合单元、输送单元和终端设备，所述终端设备连接有第一分析单元，所述第一分析单元通过控制器连接所述燃气混合单元。
优选地，所述输送单元连接有第二分析单元，所述第二分析单元通过所述控制器连接所述燃气混合单元。
所述燃气混合单元包括天然气管路和氢气管路，所述天然气管路和氢气管路分别通过调节阀与所述输送单元连通。
进一步地，所述第一分析单元包括相互连接的成分传感器和第一分析仪，所述成分传感器上游与所述终端设备连接，所述第一分析仪下游与所述控制器连接。所述成分传感器中包含金属检测装置，通过对终端设备的取样，检测终端设备内易与氢气发生化学反应引起氢脆的金属成分及含量(如Fe、Zn、Al、Cu、Sn等金属元素)，并将数据传给所述第一分析仪。
所述输送单元包括混合气输送管路；所述混合气输送管路上游端部与所述调节阀连通，下游端部与所述终端设备连通；所述混合气输送管路上设有稳定混气装置。
可选地，所述稳定混气装置上游的混合气输送管路上还设有混合气体取样装置。
所述第二分析单元包括相互连接的传感器和第二分析仪，所述传感器上游与所述混合气体取样装置连接，所述第二分析仪下游与所述控制器连接。所述传感器用于获取包括天然气和氢气管道的压力、温度、成分等环境边界参数。第二分析仪对上述边界参数，利用华白数、回火指数、最小着火能等进行***性分析，得出在此外界实际条件下氢气天然气混合燃气的***极限氢气浓度值C0％。
所述混合气输送管路上通过阀门连接有泄压储气装置。优选地，所述混合气体取样装置和稳定混气装置之间的混合气输送管路上设有第一切断阀和第一安全保护装置，所述连接泄压储气装置处和所述终端设备之间的混合气输送管路上设有第二切断阀和第二安全保护装置。更优选地，所述稳定混气装置和连接泄压储气装置处之间的混合气输送管路上依次连接有管路检测装置和气体泄漏探测器。
优选地，所述稳定混气装置还连接有氢气-天然气分析仪。
优选地，所述终端设备还连接有烟气分析仪。
优选地，所述终端设备与第二切断阀和第二安全保护装置通过PE软管连接。
本发明还提供一种基于上述***的混合燃气输送调节方法，所述第一分析单元分析所述终端设备的金属成分和含量，通过所述控制器控制混合气体中的氢气浓度小于发生氢脆的氢气浓度上限值C1％。
进一步地，所述第二分析单元分析所述混合气体取样装置中的混合气体的氢气浓度，通过控制器控制其小于***极限氢气浓度值C0％和所述C1％。
更进一步地，控制所述C1％小于C0％。
进一步地，所述成分传感器中包含金属检测装置，通过对终端设备的取样，检测终端设备内易与氢气发生化学反应引起氢脆的金属成分及含量(如Fe、Zn、Al、Cu、Sn等金属元素)，并将数据传给所述第一分析仪。
结合所述金属成分和含量，分析得出发生氢脆的氢气浓度上限值，于所述终端设备运行温度区间模拟若干个等比例温度区间下的模拟燃烧特性参数，若出现多组发生氢脆的氢气浓度上限值，差值＜±1％以内进行C1％合并，取最小值，最后得出若干组模拟区间浓度值，如C1 ’％、C1 ‘’％、C1 ’‘’％…，需C1 ’％、C1 ‘’％、C1 ’‘’％…＜C0％，以调节所述调节阀的开度。
所述第二分析单元分析得出所述混合气体取样装置中的混合气体的实际燃烧特性参数，反馈至控制器；将实际燃烧特性参数与所述模拟燃烧特性参数做比较是否符合条件，并由所述控制器修正调节阀开度。
进一步优选地，若有多组区间参数满足条件，以最小值的对应区间为目标参数进行控制，通过修正调节阀开度，直至获取满足所述终端设备工艺安全、精确浓度的混合气体，再输入到稳定混气装置中。
所述氢气-天然气分析仪实时监控所述稳定混气装置内混合气体是否满足目标参数，控制稳定混气装置内气体在30min内气体成分变化率≤±1％时进行输送。
优选地，所述管路检测装置和气体泄漏探测器对混合气输送管路进行监控，对瞬态和静态分别进行水利管网计算，确保实时监控参数范围符合目标参数，保障混合气体的输送安全。
可选地，所述泄压储气装置与第一切断阀和第一安全保护装置以及第二切断阀和第二安全保护装置联动，若出现警报，第一切断阀和第二切断阀执行命令，将混合气输送管路进行首尾切断，管内气体泄压到泄压储气装置中。
所述烟气分析仪将混合气体燃烧后的烟气进行取样分析，保障***使用安全。
本申请对管道输送末端进行设计，通过在终端设备和燃气混合后设置取样分析装置，一方面检测控制混合燃气的氢气***极限浓度，更重要的是通过对终端设备金属成分的氢脆抗性进行分析，得到该工艺设备的安全混合气体的氢气浓度上限值，该浓度值通过传感控制***，输出电信号分别作用在氢气、天然气管道上的调节阀，通过调节调节阀的开度，进而调节氢气-天然气的安全掺混比例，掺混气体再通过负反馈调节进行修正，直至达到安全稳定的输送状态，来保障下游用户的用气安全。由于该***在下游用户支管末端调节，以个体进行实际工况分析，并进行个体调控，更贴近用户侧，控制也更加精准；此外，该***在用户末端调节并不影响天然气门站下游输送管道的送气能力，不需对现有燃气管道***进行大规模改造。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对本发明范围的限定。
图1是本发明的混合燃气输送调节***的结构示意图。
附图标记说明：
1、混合气输送管路；2、天然气管路；3、氢气管路；4、调节阀；5、混合气体取样装置；6、第一切断阀和第一安全保护装置；7、稳定混气装置；8、氢气-天然气分析仪；9、管路检测装置；10、气体泄漏探测器；11、泄压储气装置；12、阀门；13、第二切断阀和第二安全保护装置；14、终端设备；15、烟气分析仪；16、成分传感器；17、第一分析仪；18、控制器；19、第二分析仪；20、传感器；21、PE软管。
具体实施方式
下面将结合具体实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1
一种混合燃气输送调节***，如图1所示，包括依次连通的燃气混合单元、输送单元和终端设备14，终端设备14连接有第一分析单元，所述第一分析单元通过控制器18连接所述燃气混合单元。
所述输送单元连接有第二分析单元，所述第二分析单元通过控制器18连接所述燃气混合单元。
所述燃气混合单元包括天然气管路2和氢气管路3，天然气管路2和氢气管路3分别通过调节阀4与所述输送单元连通。
所述第一分析单元包括相互连接的成分传感器16和第一分析仪17，成分传感器16上游与终端设备14连接，第一分析仪17下游与控制器18连接。成分传感器16中包含金属检测装置，通过对终端设备14的取样，检测终端设备14内易与氢气发生化学反应引起氢脆的金属成分及含量，并将数据传给第一分析仪17。
所述输送单元包括混合气输送管路1；混合气输送管路1上游端部与调节阀4连通，下游端部与终端设备14连通；混合气输送管路1上设有稳定混气装置7。
稳定混气装置7上游的混合气输送管路1上还设有混合气体取样装置5。
所述第二分析单元包括相互连接的传感器20和第二分析仪19，传感器20上游与混合气体取样装置5连接，第二分析仪19下游与控制器18连接。传感器20用于获取包括天然气管路2和氢气管路3的混合后的压力、温度、成分等环境边界参数。第二分析仪19对上述边界参数，利用华白数、回火指数、最小着火能等进行***性分析，得出在此外界实际条件下氢气天然气混合燃气的***极限氢气浓度值C0％。
混合气输送管路1上通过阀门12连接有泄压储气装置11。混合气体取样装置5和稳定混气装置7之间的混合气输送管路1上设有第一切断阀和第一安全保护装置6，连接泄压储气装置11处和终端设备14之间的混合气输送管路1上设有第二切断阀和第二安全保护装置13。稳定混气装置7和连接泄压储气装置11处之间的混合气输送管路1上依次连接有管路检测装置9和气体泄漏探测器10。
稳定混气装置7还连接有氢气-天然气分析仪8。
终端设备14还连接有烟气分析仪15。
本实施例中，终端设备14与第二切断阀和第二安全保护装置13通过PE软管21连接。
本实施例还提供一种基于上述***的混合燃气输送调节方法，所述第一分析单元分析终端设备14的金属成分和含量，通过控制器18控制混合气体中的氢气浓度小于发生氢脆的氢气浓度上限值C1％。
第二分析单元分析混合气体取样装置5中的混合气体的氢气浓度，通过控制器18控制其小于***极限氢气浓度值C0％和所述C1％，控制所述C1％小于C0％。
成分传感器16中包含金属检测装置，通过对终端设备14的取样，检测终端设备14内易与氢气发生化学反应引起氢脆的金属成分及含量，并将数据传给第一分析仪17。
结合所述金属成分和含量，分析得出发生氢脆的氢气浓度上限值，于450-650℃之间模拟四个等比例温度区间下的模拟燃烧特性参数，若出现多组发生氢脆的氢气浓度上限值，差值＜±1％以内进行C1％合并，取最小值，最后得出若干组模拟区间浓度值，如C1 ’％、C1 ‘’％、C1 ’‘’％…，需C1 ’％、C1 ‘’％、C1 ’‘’％…＜C0％，以调节所述调节阀的开度。
本实施例中的燃烧特性参数主要是最高燃烧平均温度Tmax、最大燃烧压力Pmax和燃烧速率V1等，通过扫描电子显微镜和X射线衍射光谱仪等设备，结合成分传感器16输入的金属成分及含量参数，在上述四个模拟燃烧条件下，对颗粒边界金属浓度进行氢脆特征进行电子能谱分析，得到保障设备不产生氢脆、可安全稳定运行的混合气体氢气浓度上限值。
若有多组区间参数满足条件，以最小值的对应区间为目标参数进行控制，第一分析仪17将几组结果传至控制器18，依次输出电信号，分别作用在天然气、氢气管道上的调节阀4，根据设定值通过控制调节阀4开度调节混合气体的氢气浓度，混合气体取样装置5中的气体通过传感器20内的气泵取样感应气体成分，获取混合气体H2-CH4温度、压力、成分和浓度参数并传给第二分析仪19，第二分析仪19通过电化学原理分析，计算出混合气体实际燃烧特性参数最高燃烧平均温度T’max、混合气体最大燃烧压力P’max和混合气体燃烧速率V’1等反馈至控制器18。将实际燃烧特性参数与模拟燃烧特性参数做比较是否符合条件，并修正调节阀4阀门开度。直至获取满足所述终端设备工艺安全、精确浓度的混合气体，再输入到稳定混气装置7中。
所述氢气-天然气分析仪8实时监控稳定混气装置7内混合气体是否满足目标参数，控制稳定混气装置7内气体在30min内气体成分变化率≤±1％时进行输送。
管路检测装置9和气体泄漏探测器10对混合气输送管路1进行监控，对瞬态和静态分别进行水利管网计算，确保实时监控参数范围符合目标参数，保障混合气体的输送安全；
泄压储气装置11与第一切断阀和第一安全保护装置6以及第二切断阀和第二安全保护装置13联动，若出现警报，第一切断阀和第二切断阀执行命令，将混合气输送管路1进行首尾切断，管内气体泄压到泄压储气装置11中。
烟气分析仪15将混合气体燃烧后的烟气进行取样分析，保障***使用安全。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在上面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

Claims (13)

1.一种混合燃气输送调节***，其特征在于，包括依次连通的燃气混合单元、输送单元和终端设备，所述终端设备连接有第一分析单元，所述第一分析单元通过控制器连接所述燃气混合单元。
2.根据权利要求1所述的混合燃气输送调节***，其特征在于，所述输送单元连接有第二分析单元，所述第二分析单元通过所述控制器连接所述燃气混合单元。
3.根据权利要求1或2所述的混合燃气输送调节***，其特征在于，所述燃气混合单元包括天然气管路和氢气管路，所述天然气管路和氢气管路分别通过调节阀与所述输送单元连通。
4.根据权利要求3所述的混合燃气输送调节***，其特征在于，所述第一分析单元包括相互连接的成分传感器和第一分析仪，所述成分传感器上游与所述终端设备连接，所述第一分析仪下游与所述控制器连接。
5.根据权利要求3所述的混合燃气输送调节***，其特征在于，所述输送单元包括混合气输送管路；所述混合气输送管路上游端部与所述调节阀连通，下游端部与所述终端设备连通；所述混合气输送管路上设有稳定混气装置；
优选地，所述稳定混气装置上游的混合气输送管路上还设有混合气体取样装置。
6.根据权利要求5所述的混合燃气输送调节***，其特征在于，所述第二分析单元包括相互连接的传感器和第二分析仪，所述传感器上游与所述混合气体取样装置连接，所述第二分析仪下游与所述控制器连接。
7.根据权利要求5所述的混合燃气输送调节***，其特征在于，所述混合气输送管路上通过阀门连接有泄压储气装置；
优选地，所述混合气体取样装置和稳定混气装置之间的混合气输送管路上设有第一切断阀和第一安全保护装置，连接所述泄压储气装置处和所述终端设备之间的混合气输送管路上设有第二切断阀和第二安全保护装置；
优选地，所述稳定混气装置和连接所述泄压储气装置处之间的混合气输送管路上依次连接有管路检测装置和气体泄漏探测器。
8.根据权利要求5所述的混合燃气输送调节***，其特征在于，所述稳定混气装置连接有氢气-天然气分析仪；
优选地，所述终端设备还连接有烟气分析仪。
9.一种基于权利要求1-8任一项所述***的混合燃气输送调节方法，其特征在于，所述第一分析单元分析所述终端设备的金属成分和含量，通过所述控制器控制混合气体中的氢气浓度小于发生氢脆的氢气浓度上限值C1％；
优选地，所述第二分析单元分析所述混合气体取样装置中的混合气体的氢气浓度，通过控制器控制其小于***极限氢气浓度值C0％和所述C1％。
10.根据权利要求9所述的混合燃气输送调节方法，其特征在于，所述C1％小于C0％。
11.根据权利要求10所述的混合燃气输送调节方法，其特征在于，结合所述金属成分和含量，分析得出发生氢脆的氢气浓度上限值，于所述终端设备运行温度区间模拟若干个等比例温度区间下的模拟燃烧特性参数，若出现多组发生氢脆的氢气浓度上限值，差值＜±1％以内进行C1％合并，取最小值，最后得出若干组模拟区间浓度值，以调节所述调节阀的开度；
优选地，所述第二分析单元分析得出所述混合气体取样装置中的混合气体的实际燃烧特性参数，反馈至控制器；将实际燃烧特性参数与所述模拟燃烧特性参数做比较是否符合条件，并由所述控制器修正调节阀开度；
进一步优选地，若有多组区间参数满足条件，以最小值的对应区间为目标参数进行控制，通过修正调节阀开度，直至获取满足所述终端设备工艺安全、精确浓度的混合气体，再输入到稳定混气装置中。
12.根据权利要求9所述的混合燃气输送调节方法，其特征在于，所述氢气-天然气分析仪实时监控所述稳定混气装置内混合气体是否满足目标参数，控制稳定混气装置内气体在30min内气体成分变化率≤±1％时进行输送；
优选地，所述管路检测装置和气体泄漏探测器对混合气输送管路进行监控，对瞬态和静态分别进行水利管网计算，确保实时监控参数范围符合目标参数，保障混合气体的输送安全；
进一步优选地，所述泄压储气装置与第一切断阀和第一安全保护装置以及第二切断阀和第二安全保护装置联动，若出现警报，第一切断阀和第二切断阀执行命令，将混合气输送管路进行首尾切断，管内气体泄压到泄压储气装置中。
13.根据权利要求9所述的混合燃气输送调节方法，其特征在于，所述烟气分析仪将混合气体燃烧后的烟气进行取样分析，保障***使用安全。
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