天然气掺氢装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及天然气技术领域，特别是涉及一种天然气掺氢装置及其控制方法。

背景技术

天然气掺氢指在现有天然气管道体系基础上，加入一定浓度的氢气，形成氢气和天然气的混合气体(HCNG)来进行运输的技术。氢能作为连接诸多行业的理想能源，它对能源转型正在做出重要贡献。天然气掺氢能够有效降低二氧化碳排放，同时对于抑制气候变暖也有着积极的作用。

目前，受制于氢能生产和存储技术等方面的限制，氢能的大规模应用还处于过渡阶段。天然气掺氢则直接利用天然气管道自身的优势，又兼具投资少、产生经济效益迅速、广泛连接终端用户等优点，成为化石能源向氢能经济过渡、加速氢能产业发展的可行方案，并且为规模化氢能应用提供技术储备。更重要的是，混氢天然气的使用能够提高氢能在能源中的比例，减少对传统化石燃料的依赖，还有助于扩大氢能的需求并通过规模化降低制氢成本，这对氢能在交通、建筑、制造业和电力等方面的推广有着重要意义。

HCNG的掺氢比例对输气设备、燃气的燃烧和排放特性都有着重要影响。用户端尤其是工业用户的HCNG用气设备一般会针对一定的掺氢比进行参数设定，实际供应的HCNG掺氢比可在一定范围内波动。若上游供应的HCNG掺氢体积超出范围，则可能带来风险，或导致能源利用效率的下降，因此必须保持HCNG掺氢比例的基本稳定。天然气管道的天然气流量一般会在一定范围内波动，若不及时根据天然气流量调整掺氢量，则可能导致掺氢比超出控制范围，给整个输气系统及下游用户带来安全风险。

发明内容

(1)要解决的技术问题

本发明实施例提供了一种天然气掺氢装置及其控制方法，以解决现有技术中掺氢比例偏差大、对下游用户造成安全隐患的技术问题。

(2)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种天然气掺氢装置，包括天然气管道、氢气管道、混合气管道和控制系统，所述天然气管道和所述氢气管道混流后连接至所述混合气管道；

所述氢气管道上设有氢气质量流量控制器；

所述天然气管道上设有天然气质量流量计；

所述控制系统包括触摸屏和PLC单元，所述PLC单元包括CPU、存储模块、通讯模块和模拟量输入模块；

所述触摸屏和所述PLC单元通信，以实现人机交互功能；所述PLC单元通过氢气质量流量控制器通信，以控制氢气的流量；所述天然气质量流量计和所述模拟量输入模块通信，以将天然气模拟量信号通过数模转化为电流信号。

可选地，所述天然气管道上设有天然气止回阀。

可选地，所述天然气管道上设有天然气安全阀，所述天然气安全阀连有天然气阻火器。

可选地，所述氢气管道上设有氢气止回阀。

可选地，所述氢气管道上设有氢气安全阀，所述氢气安全阀连有氢气阻火器。

可选地，所述混合气管道上设有混合气减压阀。

可选地，所述混合气管道上设有混合气安全阀，所述混合气安全阀连有混合气阻火器。

本发明还公开了一种上述天然气掺氢装置的控制方法，包括：

通过所述天然气质量流量计获取天然气的天然气实时流量值，并将所述天然气实时流量值通过所述模拟量输入模块采集到所述PLC单元；

通过触摸屏输入掺氢体积比，根据所述掺氢体积比计算得到氢气目标流量；

若所述氢气实时流量不等于所述氢气目标流量，所述PLC单元控制所述氢气质量流量控制器内的电磁阀开始动作，以使所述氢气实时流量等于所述氢气目标流量；若所述氢气实时流量等于所述氢气目标流量，所述PLC单元控制所述氢气质量流量控制器内的电磁阀停止动作。

可选地，所述氢气目标流量根据以下公式计算：

V

与现有技术相比，本发明的天然气掺氢装置及其控制方法，根据天然气实时流量值和掺氢体积比得到氢气目标流量值，然后判断氢气实时流量是否等于氢气目标流量，然后进行调节，最终使得氢气实时流量等于氢气目标流量，能够精确控制氢气和天然气的比例，不会使掺氢比超出控制范围，能够保证整个输气系统及下游用户的安全性。

本发明采用高精度的氢气质量流量控制器使用快速稳定的优质电磁阀及优化的PID调校，既可在线监测氢气管道实时流量，也能调节氢气流量达到设定掺氢比，达到优于100ms的控制速度，并保持极佳稳定性。提供了一种简单的天然气掺氢装置掺氢比例动态可调的控制方法，使得H

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一实施例中天然气掺氢装置的结构示意图；

图2是本发明一实施例中天然气掺氢装置的控制方法的流程图。

图中

1-氢气减压阀；2-氢气管道；3-氢气质量流量控制器；4-氢气止回阀；5-氢气安全阀；6-氢气阻火器；7-混合气管道；8-天然气止回阀；9-天然气质量流量计；10-天然气管道；11-天然气安全阀；12-天然气阻火器；13-天然气减压阀；14-控制系统；15-混合气减压阀；16-混合气安全阀；17-混合气阻火器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。

请参照图1至图2，一种天然气掺氢装置，包括天然气管道10、氢气管道2、混合气管道7和控制系统14，所述天然气管道10和所述氢气管道2混流后连接至所述混合气管道7；

所述氢气管道2上设有氢气质量流量控制器3；

所述天然气管道10上设有天然气质量流量计9；

所述控制系统14包括触摸屏、接线端子排、电源和PLC单元，所述PLC单元包括CPU、存储模块、通讯模块和模拟量输入模块；

接线端子排用于接线，电源用于给触摸屏和PLC单元供电，电源的电压为24V。所述触摸屏和所述PLC单元通信，以实现人机交互功能；所述PLC单元通过氢气质量流量控制器3通信，以控制氢气的流量；所述天然气质量流量计9和所述模拟量输入模块通信，以将天然气模拟量信号通过数模转化为电流信号。

天然气管道10中通入天然气，氢气管道2中通入氢气，天然气管道10和氢气管道2在混合气管道7处汇流，使天然气和氢气混合。CPU用于分析控制，存储模块用于存储信息，触摸屏通过Rj45网线与PLC单元通讯。PLC单元通过通讯模块和氢气质量流量控制器3通讯，具体的，PLC单元通过485总线基于Modbus RTU协议，与氢气质量流量控制器3通讯，实现对氢气质量流量控制器3内的阀门控制。天然气质量流量计9通过接线端子排连接到PLC单元的模拟量输入模块，将天然气流量模拟量信号通过数模转换为4-20mA电流信号采集到PLC单元。

本实施例天然气掺氢装置的控制方法，包括：

通过所述天然气质量流量计9获取天然气的天然气实时流量值，并将所述天然气实时流量值通过所述模拟量输入模块采集到所述PLC单元；

通过触摸屏输入掺氢体积比，根据所述掺氢体积比计算得到氢气目标流量；

若所述氢气实时流量不等于所述氢气目标流量，所述PLC单元控制所述氢气质量流量控制器3开始动作，以使所述氢气实时流量等于所述氢气目标流量；若所述氢气实时流量等于所述氢气目标流量，所述PLC单元控制所述氢气质量流量控制器3停止动作。具体的，若所述氢气实时流量不等于所述氢气目标流量，所述PLC单元控制所述氢气质量流量控制器3的电磁阀开始动作；若所述氢气实时流量等于所述氢气目标流量，所述PLC单元控制所述氢气质量流量控制器3的电磁阀停止动作。

在一实施例，所述氢气目标流量根据以下公式计算：

V

本实施例的天然气掺氢装置及其控制方法，根据天然气实时流量和掺氢体积比得到氢气目标流量值，然后判断氢气实时流量是否等于氢气目标流量，然后进行调节，最终使得氢气实时流量等于氢气目标流量，能够精确控制氢气和天然气的比例，不会使掺氢比超出控制范围，能够保证整个输气系统及下游用户的安全性。

本实施例采用高精度的氢气质量流量控制器3使用快速稳定的优质电磁阀及优化的PID调校，既可在线监测氢气管道2实时流量，也能调节氢气流量达到设定掺氢比，达到优于100ms的控制速度，并保持极佳稳定性。提供了一种简单的天然气掺氢装置掺氢比例动态可调的控制方法，使得H

在一实施例，所述天然气管道10上设有天然气止回阀13，能够防止天然气管道10上的天然气倒流，确保天然气传输的安全性。

在一实施例，所述天然气管道10上设有天然气安全阀11，所述天然气安全阀11连有天然气阻火器12，对天然气具有安全保护作用，防止出现危险。

在一实施例，所述氢气管道2上设有氢气止回阀4，能够防止氢气管道2上的氢气倒流，确保氢气传输的安全性。

在一实施例，所述氢气管道2上设有氢气安全阀5，所述氢气安全阀5连有氢气阻火器6，对氢气具有安全保护作用，防止出现危险。

在一实施例，所述混合气管道7上设有混合气减压阀15，具有调节减压的作用。

在一实施例，所述混合气管道7上设有混合气安全阀16，所述混合气安全阀16连有混合气阻火器17，对混合气具有安全保护作用，防止出现危险。

具体的，基于上述实施例的结合，在一实施例中，氢气气源的压力为15MPa，接入氢气管道2，经过氢气减压阀1后分为两路，一路依次经过氢气质量流量控制器3、氢气止回阀4与混合气管道7相连，另一路接氢气安全阀5和氢气阻火器6。与氢气源等压的天然气气源接入天然气管道10，经过天然气减压阀13后分为两路，一路依次经过天然气质量流量计9、天然气止回阀8与混合气管道7相连。混合气管道7的出气口经过混合气减压阀15后分为两路，一路接用户端，另一路接混合气安全阀16和混合气阻火器17。天然气质量流量计9和氢气质量流量控制器3与控制系统14连接。控制系统14设有PLC单元、触摸屏、接线端子排等。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。