一种多管径天然气管道掺氢综合实验系统装置

技术领域

本发明涉及天然气管道掺氢技术领域，尤其涉及一种多管径天然气管道掺氢综合实验系统装置。

背景技术

氢能作为一种清洁能源，不仅燃烧过程中没有碳排放，而且其还可与光伏、风电等不稳定的可再生能源协同发展，作为其的储能介质，实现光伏、风电的规模化发展。然而，氢气作为二次能源，制氢场所与用氢终端往往有一定的距离，高昂的储运成本，导致氢气的经济性较差。目前，常用的储氢技术为气态高压储氢，其成本占到终端氢气成本的1/3。

天然气管道掺氢技术是指利用现有的天然气管道，将氢气与天然气部分掺混，实现氢气的大规模、低成本、远距离运输。由于天然气管道掺氢更多是针对现有燃气管网系统进行掺氢，各个地区现行管道系统的实际情况差异较大，如管材、管龄、压力、周边环境、腐蚀情况等，需要对其进行针对性的研究和评估。即便是针对新建管道系统，各城市管道的土壤情况、岩层结构、气候条件均不同，也无法直接掺氢。因此，在实行管道掺氢之前，需要通过系统化的实验测试平台，对管道、零部件进行科学的测试，在此基础上，再针对性地制定天然气管道掺氢方案。

由于掺氢对现有燃气管道的影响存在时间累计效应，并且现有城镇燃气管道系统十分复杂，管径、管材均不同，导致实验研究时间十分漫长。而现公开的城镇燃气掺氢实验系统一次实验均只能测试工况，实验效率较低。同时，为了维持实验环境，长时间的实验需要消耗大量的天然气和氢气，导致实验成本十分高。

因此，现有技术还有待改进和提高。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种天然气管道掺氢综合实验系统装置，旨在解决现有技术中的城镇燃气掺氢实验系统一次实验均只能测试工况，实验效率较低的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

第一方面，本发明提供一种多管径天然气管道掺氢综合实验系统装置，其中，所述装置包括：氢源系统、高压天然气气源，掺氢机以及实验管道系统，其中，所述氢源系统与所述高压天然气气源均与所述掺氢机的入口连接，所述实验管道系统与所述掺氢机的出口连接，所述实验管道系统与用户终端系统连接；所述实验管道系统包括实验管段以及设置在所述实验管段上的支路系统；所述实验管道包括多路并行管道，且所述多路并行管道由不同管径的管道组成。

在一种实现方式中，所述高压天然气气源与所述掺氢机的入口之间依次设置天然气流量调节阀与天然气调压阀。

在一种实现方式中，所述氢源系统与所述掺氢机的入口之间依次设置有氢气流量调节阀、氢气压缩机以及氢气调压阀。

在一种实现方式中，每一路所述并行管道的两端均包括一个球阀与一个法兰。

在一种实现方式中，所述掺氢机的出口与所述实验管道系统的入口之间依次设置有掺氢天然气调节阀与第一球阀。

在一种实现方式中，所述实验管段的两端各设置有三通阀，所述支路系统与所述三通阀连接。

在一种实现方式中，所述支路系统包括第一支路以及与所述第一支路并行设置的第二支路。

在一种实现方式中，所述第一支路上设置有掺氢天然气压缩机，且所述掺氢天然气压缩机的两端设置有球阀。

在一种实现方式中，所述第二支路上设置有止回阀，所述止回阀的两端设置有球阀。

在一种实现方式中，所述多路并行管道为不同管龄、不同管材的管道。

有益效果：与现有技术相比，本发明提供了一种多管径天然气管道掺氢综合实验系统装置，所述装置包括：氢源系统、高压天然气气源，掺氢机以及实验管道系统，其中，所述氢源系统与所述高压天然气气源均与所述掺氢机的入口连接，所述实验管道系统与所述掺氢机的出口连接，所述实验管道系统与用户终端系统连接；所述实验管道系统包括实验管段以及设置在所述实验管段上的支路系统；所述实验管道包括多路并行管道，且所述多路并行管道由不同管径的管道组成。本发明一方面可同时进行多种不同管径管道的天然气管道掺氢实验，另一方面可通过支路系统，保证实验管道系统内天然气流速与真实情况一致，同时，还可降低实验过程对终端用气量的要求，减少实验过程中的天然气成本。

附图说明

图1为本发明实施例提供的多管径天然气管道掺氢综合实验系统装置。附图标号：

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接连接到另一个部件或者间接连接至该另一个部件上。

还需说明的是，本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”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发明和简化描述，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，附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

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该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

本实施例提供一种多管径天然气管道掺氢综合实验系统装置，如图1 中所示，所述装置包括：氢源系统1、高压天然气气源2，掺氢机8以及实验管道系统12，其中，所述氢源系统1与所述高压天然气气源2均与所述掺氢机8的入口连接，所述实验管道系统12与所述掺氢机8的出口连接，所述实验管道系统与用户终端系统连接；所述实验管道系统12包括实验管段以及设置在所述实验管段上的支路系统；所述实验管道包括多路并行管道，且所述多路并行管道由不同管径的管道组成。由于本实施例中的实验管道系统12中的实验管道是由多个不同管径的管道组成的，因此可进行多种不同管径管道的天然气管道掺氢实验，以实现一次实验测试多种工况。并且，本实施例的实验管道系统12中设置有支路系统，该支路系统可保证进行掺氢实验时流速与实际情况一致。同时，还可降低实验过程对终端用气量的要求，减少实验过程中的天然气成本。

具体地，如图1中所示，本实施例中的所述高压天然气气源2与所述掺氢机8的入口之间依次设置天然气流量调节阀3与天然气调压阀4，所述氢源系统1与所述掺氢机8的入口之间依次设置有氢气流量调节阀5、氢气压缩机6以及氢气调压阀7。所述掺氢机8的出口将所述掺氢机8的出口与所述实验管道系统12的入口之间依次设置有掺氢天然气调节阀9与第一球阀10，掺氢机8后掺氢天然气进入实验管道系统12，本实施例的实验管道系统12中实验管段设置有5路并行管，每一路的并行管道的管径均不相同，且每一路并行管道也可设置为不同管龄、不同管材的管道。每一路所述并行管道的两端均包括一个球阀(如图1中的第三球阀13和第六球阀17)与一个法兰11。在本实施例中，支路系统包括第一支路以及与所述第一支路并行设置的第二支路。此外，所述实验管段的两端各设置有三通阀(如图1 中的第一三通阀18和第二三通阀19)，所述支路系统与所述三通阀连接。支路系统的两端分别与第一三通阀18和第二三通阀19连接，并且连接位置上均设置有球阀(如图1中的第四球阀14和第五球阀16)。本实施例中的支路系统包括第一支路以及与所述第一支路并行设置的第二支路。所述第一支路上设置有掺氢天然气压缩机15，用于回流，且所述掺氢天然气压缩机15的两端设置有球阀(如图1中第九球阀23和第十球阀24)。所述第二支路上设置有止回阀21，用于分流，所述止回阀21的两端设置有球阀 (如图1中第七球阀20和第八球阀22)。

本实施例利用上述装置进行天然气管道掺氢综合实验工艺，依次包括步骤：

先根据下游用气平均情况，对管路进行设计，确保管道内流量满足标准。在实验管道系统12中，如果只需进行一路实验，且管径与整体管路系统一致，则无需连接支路系统。

在实验管道系统12中，如需进行多路实验，或实验管段的管径与整体管路系统相差较大，则对实验管段进行加工，在管段两头设置三通阀，再将加工后的管段和支路系统一起连入实验管道系统12中。掺氢天然气进入实验管道系统12之后，通过支路系统的调节，实现变管径情况下，各实验管段的流速不受影响的效果。

当实验管段的管径大于整体管路系统时，掺氢天然气进入实验管段，由于膨胀效应，流速降低。通过第九球阀23和第十球阀24打开支路系统中的第一支路，将管段中的掺氢天然气经加压后，循环回实验管段入口。通过设定压缩机出口压力，使实验管段中的气体流速达到设定值，保证实验在设定条件下进行。

当实验管段管径小于整体管路系统时，掺氢天然气进入实验管段，由于节流效应，流速增加。将部分掺氢天然气进入支路系统的第二支路，进行分流，分流量通过设置第二支路中的球阀(即图1中第七球阀20和第八球阀22)开度确定，以保证实验管段中的流速在设定条件下进行。

举例说明，例1：以终端用户用气量为50m3/h的场景为例，主管路系统的管径为DN50，实验压力为0.4MPa，实验管段数为3，管径均为DN50。

通过门站高压管道引出旁路，得到高压天然气气源2，经过天然气调压阀4，调节压力稳定在0.4MPa，氢气从氢气瓶组中经氢气压缩机6和氢气调压阀7调整至0.4MPa后，与0.4MPa的天然气在掺氢机8中混合。氢气流量调节和天然气流量根据下游终端用户系统25实时用氢量和设置的实验掺氢比，通过PLC控制柜，经氢气流量调节阀5和天然气流量调节阀3进行实时调节。

关闭第七球阀20和第八球阀22，打开第五球阀16、第一三通管、第九球阀23以第十球阀24及实验管道系统12中3路并联管段两端的球阀。掺氢机8出口掺氢天然气经掺氢天然气调压阀4和第一球阀10后，进入到实验管道系统12。由于分了3路，主路与实验管段的管径均为DN50，导致实验管段的流量降为实际情况的1/3。改造3路实验管段，在两端加设三通阀。将3路管段并联接入支路系统。3段平行的实验管段中的天然气经过掺氢天然气压缩机15加压后，用以抵消管道压降和调节循环气体量，再经第九球阀23和第十球阀24，循环回实验管段。直到实验管段中的气体流速，达到设定值。

例2：以终端用户用气量为80000m3/h的场景为例，主管路系统的管径为DN400，实验压力为4MPa，实验管段数为1，管径为DN323。

通过门站高压管道引出旁路，得到高压天然气气源2，经过天然气调压阀4，调节压力稳定在4MPa，氢气从氢气瓶组中经氢气压缩机6和氢气调压阀7调整至4MPa后，与4MPa的天然气在掺氢机8中混合。氢气流量调节和天然气流量根据下游终端用户系统25实时用氢量和设置的实验掺氢比，通过PLC控制柜，经氢气流量调节阀5和天然气流量调节阀3进行实时调节。

关闭第九球阀23和第十球阀24，打开第五球阀16、第一三通管、第七球阀20以第八球阀22及实验管道系统12中1路并联管段两端的球阀。掺氢机8出口掺氢天然气经掺氢天然气调压阀4和第一球阀10后，进入到实验管道系统12。由于无分流，且管径由DN400缩小至DN323，导致实验管段的流量增加，存在超过国标的风险。改造实验管段，在两端加设三通阀。将实验管段接入管道支路系统。实验管段中的天然气进入管道实验系统后，通过调节第七球阀20的开度，使部分掺氢天然气进入支路进行分流，确保实验管段中的气体流速达到设定值。

与现有技术相比，本实施例具有以下有益效果：

本实施例可避免因管径变化或并联分流，而导致的实验管段系统气体流速与真实情况偏差较大的情况。本实施例可实现并行管道，多管径、多流速同步实验的目的，提高实验效率。本实施例可通过设置回路，降低实验系统对终端系统用气量的要求，在保证流速的情况下，减少实验用气量，降低实验成本。

综上，本发明公开了一种多管径天然气管道掺氢综合实验系统装置，所述装置包括：氢源系统1、高压天然气气源2，掺氢机8以及实验管道系统12，其中，所述氢源系统1与所述高压天然气气源2均与所述掺氢机8 的入口连接，所述实验管道系统12与所述掺氢机8的出口连接，所述实验管道系统与用户终端系统连接；所述实验管道系统12包括实验管段以及设置在所述实验管段上的支路系统；所述实验管道包括多路并行管道，且所述多路并行管道由不同管径的管道组成。本发明一方面可同时进行多种不同管径管道的天然气管道掺氢实验，另一方面可通过支路系统，保证实验管道系统12内天然气流速与真实情况一致，同时，还可降低实验过程对终端用气量的要求，减少实验过程中的天然气成本。

最后应说明的是：以上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精神和范围。