一种燃气轮机混氢装置系统及方法与流程

1.本发明涉及天然气混氢技术领域，具体涉及一种燃气轮机混氢装置系统及方法。


背景技术：

2.燃气发电系统以其起停速度快、负荷调节能力强以及受限制条件少等优点，逐渐成为能源电力系统重要的调峰电源，但是目前燃气发电系统依然存在气源供应紧张、天然气发电成本高昂以及二氧化碳排放等突出问题。因此，发展氢燃料燃气轮机将有利于化解天然气稀缺和能源安全等诸多问题，实现弃风弃光等可再生能源的消纳利用和发电侧低碳排放。
3.氢气掺烧对于混氢比例的精确控制要求较高，燃料成分的瞬间变化会对燃烧稳定和燃气轮机安全运行造成影响，同时氢气掺烧也需要严格把控氢气和天然气的混合均匀性和流动稳定性。
4.cn 217635105u公开了一种燃气混氢装置，包括氢气管线结构、燃气管线结构、混合气管线结构、控制结构；使用时，上游天然气经调压后以压力p1进入流量计，流量计将经过温压补偿后的标准流量信号远传至控制系统，控制系统根据预先设定的流量比例及氢气的瞬时流量，控制防爆电动调节阀的开度，使氢气以设定的混气比例计算出的流量，以高于p1的压力p2进入静态混合器中，与天然气混合，混合气经过静态混合器中内置的不锈钢孔板波纹填料进一步的充分混合。
5.cn 111992071a公开了一种氢能源利用燃气掺混系统及氢气和天然气配比控制方法，源头氢气进入混气管道经入口球阀、气动切断阀、过滤器，通过流量计计量氢气流量，再通过调节阀调节氢气用量后经出口球阀进入混气装置；源头天然气进入混气管道经入口球阀、过滤器切断阀，调压计量后经调节阀到出口球阀进入混气装置；混气出口的检测设备混配合温压补偿后的流量值共同控制天然气和氢气管线上调节阀开度，控制氢气体积流量，进行加氢量的在线调节与自动跟随，实现天然气和氢气配比。
6.上述现有技术中提供的混氢装置，将天然气和氢气分为两路，在混合装置内自由混合后即送至燃气轮机燃料系统，这种混合方式无法有效保证氢气和天然气混合的均匀性和流动的稳定性，极易造成燃气轮机运行偏离预设工况，影响燃气轮机的安全稳定运行。
7.针对现有技术的不足，亟需提供一种能够精确控制掺氢比例且实现天然气和氢气均匀混合与流动稳定的燃气轮机混氢装置系统。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于提供一种燃气轮机混氢装置系统及方法，通过优化设计过渡单元等装置，提高了氢气与天然气混合的均匀性和流动的稳定性，同时可以精确控制掺氢比例，将掺氢比例误差降至最低范围内。
9.为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：
10.第一方面，本发明提供了一种燃气轮机混氢装置系统，所述燃气轮机混氢装置系
统包括依次连接的过渡单元、混氢装置、换热装置以及气体成分分析装置；
11.所述过渡单元包括依次连接的预混装置与整流装置；所述预混装置分别独立地连接有天然气管道与氢气管道，所述天然气管道与氢气管道分别独立地设置有流量调节阀、压力变送器以及流量计，所述压力变送器与流量计分别用于实时测量所述天然气与氢气的压力与流量，并将测量信号送至控制装置；所述气体成分分析装置用于实时测量混合燃料气中天然气与氢气的体积流量，并将测量信号送至控制装置；所述控制装置用于实时计算混氢比例以及控制所述氢气管道的流量调节阀的开度。
12.本发明提供的燃气轮机混氢装置系统，通过在混氢装置之前设置过渡单元，将天然气与氢气在所述预混装置与整流装置中进行混合前充分的预处理，有效提高了氢气与天然气混合的均匀性和流动的稳定性；通过利用控制装置实时显示天然气与氢气的体积流量、实时计算混氢比例以及控制氢气管道的流量调节阀开度，使得混氢比例的最终误差低至0.25％，实现了对混氢比例的高精度控制。
13.优选地，所述预混装置的轴向与径向均匀开设有导气孔，所述导气孔与氢气管道相连接。
14.优选地，所述导气孔的数量为1-100个，例如可以是1个、9个、16个、25个、50个或100个，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
15.氢气自上游氢气管道后引出，平均分成多个支路从各导气孔喷入预混装置，与自上游调压站后管道引出的天然气可实现充分预混。
16.优选地，所述导气孔的直径为50-100mm，例如可以是50mm、60mm、70mm、80mm或100mm，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
17.优选地，所述整流装置的内部设置有滤网。
18.天然气与氢气混合后的燃料气经过所述滤网后，将进一步提高混合燃料气流动的稳定性和均匀性。
19.优选地，所述滤网的目数为300-600目，例如可以是300目、350目、400目、500目或600目，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
20.优选地，所述混氢装置的内部设置有导流装置，所述导流装置包括第一导流板与第二导流板。
21.优选地，所述第一导流板与第二导流板的夹角为90
°
。
22.所述导流装置可以改善混合燃料气的分布效果，一定程度上消除实际运行过程中的不均匀流动。
23.优选地，所述第一导流板与水平面的夹角为30-60
°
，例如可以是30
°
、35
°
、40
°
、50
°
或60
°
，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
24.优选地，所述第二导流板与水平面的夹角为120-150
°
，例如可以是120
°
、125
°
、130
°
、140
°
或150
°
，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
25.优选地，所述混氢装置包括混氢罐。
26.优选地，所述换热装置包括管壳式换热器。
27.天然气和氢气组成的混合燃料气进入所述管壳式换热器，与管壳式换热器内的中压锅炉给水进行换热，混合燃料气升温后将进一步强化分子运动，提高燃料气的华白指数和混合效果。
28.优选地，所述气体成分分析装置包括气体成分分析仪。
29.优选地，所述控制装置包括控制柜。
30.第二方面，本发明提供了一种应用第一方面所述的燃气轮机混氢装置系统进行混氢的方法，所述方法包括如下步骤：
31.天然气与氢气依次经预混处理、整流处理、混合处理以及换热处理，所得混合燃料气进行体积流量测量与混氢比例计算，得到混氢比例实际值；调节所述氢气的流量至混氢比例实际值达到混氢比例设定值，然后将所述混合燃料气送至燃烧处理。
32.本发明提供的方法，通过控制天然气与氢气的流量与初始压力，并在混合处理前进行预混处理与整流处理，使得天然气与氢气的混合均匀性与流动稳定性进一步提高，有利于达到高效、充分的燃烧效果；通过对混合燃料气进行体积流量测量，计算得到混氢比例实际值，进一步调控氢气流量以达到混氢比例设定值，然后送至燃烧处理，混氢比例误差低至0.25％，实现了对混氢比例的高精度控制，有利于达到燃气轮机的预设负荷，实现燃气轮机的安全稳定运行。
33.优选地，所述天然气的压力为3-4mpa，例如可以是3mpa、3.2mpa、3.5mpa、3.8mpa或4mpa，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
34.优选地，所述天然气的流量为15000-20000m3/h，例如可以是15000m3/h、16000m3/h、18000m3/h、19000m3/h或20000m3/h，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
35.优选地，所述氢气的压力为3-4mpa，例如可以是3mpa、3.2mpa、3.5mpa、3.8mpa或4mpa，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
36.优选地，所述氢气的流量为3000-7000m3/h，例如可以是3000m3/h、4000m3/h、5000m3/h、6000m3/h或7000m3/h，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
37.优选地，所述预混处理的时间为5-15s，例如可以是5s、8s、10s、12s或15s，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
38.优选地，所述整流处理的时间为5-15s，例如可以是5s、8s、10s、12s或15s，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
39.优选地，所述混合处理的时间为5-15s，例如可以是5s、8s、10s、12s或15s，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
40.优选地，所述换热处理所用中压锅炉给水的温度为150-250℃，例如可以是150℃、180℃、200℃、220℃或250℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
41.作为本发明所述方法的优选技术方案，所述方法包括如下步骤：
42.压力为3-4mpa、流量为15000-20000m3/h的天然气与压力为3-4mpa、流量为3000-7000m3/h的氢气依次经预混处理5-15s、整流处理5-15s、混合处理5-15s以及150-250℃中压锅炉给水的换热处理，所得混合燃料气进行体积流量测量与混氢比例计算，得到混氢比例实际值；调节所述氢气的流量至混氢比例实际值达到混氢比例设定值，然后将所述混合燃料气送至燃烧处理。
43.相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
44.本发明提供的燃气轮机混氢装置系统，通过在混氢装置之前设置过渡单元，将天然气与氢气在所述预混装置与整流装置中进行充分的混合前的预处理，有效提高了氢气与天然气混合的均匀性和流动的稳定性，有利于达到高效、充分的燃烧效果；通过利用控制装置实时显示天然气与氢气的体积流量、实时计算混氢比例以及控制氢气管道的流量调节阀的开度，使得混氢比例的最终误差低至0.25％，实现了对混氢比例的高精度控制，有利于达到燃气轮机的预设负荷，实现燃气轮机的安全稳定运行。
附图说明
45.图1是本发明实施例1提供的燃气轮机混氢装置系统的结构示意图；
46.其中：1，混氢罐；2，管壳式换热器；3，气体成分分析仪；4，预混装置；5，整流装置；6，第一流量调节阀；7，第一压力变送器；8，第二压力变送器；9，第三压力变送器；10，第一流量计；11，第二流量计；12，第三流量计；13，第二流量调节阀；14，第三流量调节阀；15，第四流量调节阀；16，第五流量调节阀；17，第四压力变送器；18，第五压力变送器；19，第六压力变送器；20，第七压力变送器；21，第四流量计；22，第五流量计；23，第六流量计；24，第七流量计；25，控制柜；26，导流装置；27，截止阀。
具体实施方式
47.下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该理解，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
48.实施例1
49.本实施例提供了一种燃气轮机混氢装置系统，如图1所示，所述燃气轮机混氢装置系统包括依次连接的过渡单元、混氢罐1、管壳式换热器2以及气体成分分析仪3；
50.所述过渡单元包括依次连接的预混装置4与整流装置5；所述预混装置4分别独立地连接有天然气管道与氢气管道；所述天然气管道设置有第一流量调节阀6、第一压力变送器7、第二压力变送器8、第三压力变送器9、第一流量计10、第二流量计11以及第三流量计12；所述氢气管道设置有第二流量调节阀13、第三流量调节阀14、第四流量调节阀15、第五流量调节阀16、第四压力变送器17、第五压力变送器18、第六压力变送器19、第七压力变送器20、第四流量计21、第五流量计22、第六流量计23以及第七流量计24；所述压力变送器与流量计分别用于实时测量所述天然气与氢气的压力与流量，并将测量信号送至控制柜25；
51.所述预混装置4的轴向与径向均匀开设有16个直径为80mm的导气孔，所述导气孔与氢气管道相连接；所述整流装置5的内部设置有目数为400目的滤网；
52.所述混氢罐1的内部均匀设置有6个导流装置26，所述导流装置26包括夹角为90
°
的第一导流板与第二导流板；所述第一导流板与水平面的夹角为40
°
；所述第二导流板与水平面的夹角为130
°
；
53.所述管壳式换热器2设置有中压锅炉给水进口与中压锅炉给水出口；
54.所述气体成分分析仪3用于实时测量混合燃料气中天然气与氢气的体积流量，并将测量信号送至控制柜25；所述控制柜25用于实时计算混氢比例以及控制所述第二流量调节阀13、第三流量调节阀14、第四流量调节阀15以及第五流量调节阀16的开度；所述气体成分分析仪3所在送气管道上设置有截止阀27，用于控制混合燃料气进入所述燃气轮机的燃
料系统。
55.实施例2
56.本实施例提供了一种燃气轮机混氢装置系统，与实施例1的区别在于，将所述导气孔的直径调整为50mm，所述滤网的目数调整为300目，所述第一导流板与水平面的夹角调整为30
°
，第二导流板与水平面的夹角调整为120
°
，其余均与实施例1相同。
57.实施例3
58.本实施例提供了一种燃气轮机混氢装置系统，与实施例1的区别在于，将所述导气孔的直径调整为100mm，所述滤网的目数调整为600目，所述第一导流板与水平面的夹角调整为60
°
，第二导流板与水平面的夹角调整为150
°
，其余均与实施例1相同。
59.实施例4
60.本实施例提供了一种燃气轮机混氢装置系统，与实施例1的区别在于，所述导气孔调整为单一氢气进气口，其余均与实施例1相同。
61.实施例5
62.本实施例提供了一种燃气轮机混氢装置系统，与实施例1的区别在于，所述整流装置5的内部未设置滤网，其余均与实施例1相同。
63.实施例6
64.本实施例提供了一种燃气轮机混氢装置系统，与实施例1的区别在于，所述混氢罐1的内部未设置导流装置26，其余均与实施例1相同。
65.对比例1
66.本对比例提供了一种燃气轮机混氢装置系统，与实施例1的区别在于，所述过渡单元无预混装置4，其余均与实施例1相同。
67.对比例2
68.本对比例提供了一种燃气轮机混氢装置系统，与实施例1的区别在于，所述过渡单元无整流装置5，其余均与实施例1相同。
69.应用例1
70.本应用例提供了一种应用实施例1提供的燃气轮机混氢装置系统进行混氢的方法，所述方法包括如下步骤：
71.压力为3.5mpa、流量为18000m3/h的天然气与压力为3.5mpa、流量为5000m3/h的氢气依次经预混处理10s、整流处理10s、混合处理10s以及200℃中压锅炉给水的换热处理，所得混合燃料气进行体积流量测量与混氢比例计算，得到混氢比例实际值；调节所述氢气的流量至混氢比例实际值达到混氢比例设定值，然后将所述混合燃料气送至燃烧处理。
72.本应用例中，采用所述方法进行混氢，所得混合燃料气中天然气与氢气的混合均匀性和流动稳定性较好，混氢比例误差在0.25％。
73.应用例2
74.本应用例提供了一种应用实施例1提供的燃气轮机混氢装置系统进行混氢的方法，所述方法包括如下步骤：
75.压力为3mpa、流量为20000m3/h的天然气与压力为3mpa、流量为7000m3/h的氢气依次经预混处理15s、整流处理15s、混合处理15s以及150℃中压锅炉给水的换热处理，所得混合燃料气进行体积流量测量与混氢比例计算，得到混氢比例实际值；调节所述氢气的流量
至混氢比例实际值达到混氢比例设定值，然后将所述混合燃料气送至燃烧处理。
76.本应用例中，采用所述方法进行混氢，所得混合燃料气中天然气与氢气的混合均匀性和流动稳定性较好，混氢比例误差在0.28％。
77.应用例3
78.本应用例提供了一种应用实施例1提供的燃气轮机混氢装置系统进行混氢的方法，所述方法包括如下步骤：
79.压力为4mpa、流量为15000m3/h的天然气与压力为4mpa、流量为3000m3/h的氢气依次经预混处理5s、整流处理5s、混合处理5s以及250℃中压锅炉给水的换热处理，所得混合燃料气进行体积流量测量与混氢比例计算，得到混氢比例实际值；调节所述氢气的流量至混氢比例实际值达到混氢比例设定值，然后将所述混合燃料气送至燃烧处理。
80.本应用例中，采用所述方法进行混氢，所得混合燃料气中天然气与氢气的混合均匀性和流动稳定性较好，混氢比例误差在0.30％。
81.应用例4
82.本应用例提供了一种应用实施例2提供的燃气轮机混氢装置系统进行混氢的方法，所述方法的步骤与应用例1相同。
83.本应用例中，采用所述方法进行混氢，所得混合燃料气中天然气与氢气的混合均匀性和流动稳定性较好，混氢比例误差在0.26％。
84.应用例5
85.本应用例提供了一种应用实施例3提供的燃气轮机混氢装置系统进行混氢的方法，所述方法的步骤与应用例1相同。
86.本应用例中，采用所述方法进行混氢，所得混合燃料气中天然气与氢气的混合均匀性和流动稳定性较好，混氢比例误差在0.28％。
87.应用例6
88.本应用例提供了一种应用实施例4提供的燃气轮机混氢装置系统进行混氢的方法，所述方法的步骤与应用例1相同。
89.本应用例中，采用所述方法进行混氢，由于氢气进入预混装置的16个导气孔调整为单一的进气口，天然气与氢气的混合均匀性有所下降，混氢比例误差在0.50％。
90.应用例7
91.本应用例提供了一种应用实施例5提供的燃气轮机混氢装置系统进行混氢的方法，所述方法的步骤与应用例1相同。
92.本应用例中，采用所述方法进行混氢，由于整流装置中未设置滤网，天然气与氢气的混合均匀性与流动稳定性均有所下降，混氢比例误差在0.40％。
93.应用例8
94.本应用例提供了一种应用实施例6提供的燃气轮机混氢装置系统进行混氢的方法，所述方法的步骤与应用例1相同。
95.本应用例中，采用所述方法进行混氢，由于混氢罐中未设置导流装置，天然气与氢气的分布效果较差，混合燃料气呈不均匀流动，混氢比例误差在0.45％。
96.对比应用例1
97.本对比应用例提供了一种应用对比例1提供的燃气轮机混氢装置系统进行混氢的
方法，所述方法的步骤中无预混处理，其余均与应用例1相同。
98.本对比应用例中无预混处理的步骤，天然气与氢气的混合均匀性与流动稳定性明显降低，混氢比例误差在0.75％。
99.对比应用例2
100.本对比应用例提供了一种应用对比例2提供的燃气轮机混氢装置系统进行混氢的方法，所述方法的步骤中无整流处理，其余均与应用例1相同。
101.本对比应用例中无整流处理的步骤，天然气与氢气的混合均匀性与流动稳定性明显降低，混氢比例误差在0.40％。
102.综上所述，本发明提供的燃气轮机混氢装置系统，通过在混氢装置之前设置过渡单元，将天然气与氢气在所述预混装置与整流装置中进行充分的混合前的预处理，有效提高了氢气与天然气混合的均匀性和流动的稳定性，有利于达到高效、充分的燃烧效果；通过利用控制装置实时显示天然气与氢气的体积流量、实时计算混氢比例以及控制氢气管道的流量调节阀的开度，使得混氢比例的最终误差低至0.25％，实现了对混氢比例的高精度控制，有利于达到燃气轮机的预设负荷，实现燃气轮机的安全稳定运行。
103.以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该理解，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

技术特征：
1.一种燃气轮机混氢装置系统，其特征在于，所述燃气轮机混氢装置系统包括依次连接的过渡单元、混氢装置、换热装置以及气体成分分析装置；所述过渡单元包括依次连接的预混装置与整流装置；所述预混装置分别独立地连接有天然气管道与氢气管道，所述天然气管道与氢气管道分别独立地设置有流量调节阀、压力变送器以及流量计，所述压力变送器与流量计分别用于实时测量所述天然气与氢气的压力与流量，并将测量信号送至控制装置；所述气体成分分析装置用于实时测量混合燃料气中天然气与氢气的体积流量，并将测量信号送至控制装置；所述控制装置用于实时计算混氢比例以及控制所述氢气管道的流量调节阀的开度。2.根据权利要求1所述的燃气轮机混氢装置系统，其特征在于，所述预混装置的轴向与径向均匀开设有导气孔，所述导气孔与氢气管道相连接；优选地，所述导气孔的直径为50-100mm。3.根据权利要求1或2所述的燃气轮机混氢装置系统，其特征在于，所述整流装置的内部设置有滤网；优选地，所述滤网的目数为300-600目。4.根据权利要求1-3任一项所述的燃气轮机混氢装置系统，其特征在于，所述混氢装置的内部设置有导流装置，所述导流装置包括第一导流板与第二导流板；优选地，所述第一导流板与第二导流板的夹角为90
°
；优选地，所述第一导流板与水平面的夹角为30-60
°
；优选地，所述第二导流板与水平面的夹角为120-150
°
。5.一种应用权利要求1-4任一项所述的燃气轮机混氢装置系统进行混氢的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：天然气与氢气依次经预混处理、整流处理、混合处理以及换热处理，所得混合燃料气进行体积流量测量与混氢比例计算，得到混氢比例实际值；调节所述氢气的流量至混氢比例实际值达到混氢比例设定值，然后将所述混合燃料气送至燃烧处理。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述天然气的压力为3-4mpa；优选地，所述天然气的流量为15000-20000m3/h。7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述氢气的压力为3-4mpa；优选地，所述氢气的流量为3000-7000m3/h。8.根据权利要求5-7任一项所述的方法，其特征在于，所述预混处理的时间为5-15s；优选地，所述整流处理的时间为5-15s；优选地，所述混合处理的时间为5-15s。9.根据权利要求5-8任一项所述的方法，其特征在于，所述换热处理所用中压锅炉给水的温度为150-250℃。10.根据权利要求5-9任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：压力为3-4mpa、流量为15000-20000m3/h的天然气与压力为3-4mpa、流量为3000-7000m3/h的氢气依次经预混处理5-15s、整流处理5-15s、混合处理5-15s以及150-250℃中压锅炉给水的换热处理，所得混合燃料气进行体积流量测量与混氢比例计算，得到混氢比例实际值；调节所述氢气的流量至混氢比例实际值达到混氢比例设定值，然后将所述混合燃料气送至燃烧处理。

技术总结
本发明涉及一种燃气轮机混氢装置系统及方法，通过在混氢装置之前设置过渡单元，将天然气与氢气在过渡单元中进行充分的混合前预处理，有效提高了氢气与天然气混合的均匀性和流动的稳定性，有利于达到高效、充分的燃烧效果；通过利用控制装置实时显示天然气与氢气的体积流量、实时计算混氢比例以及控制氢气管道的流量调节阀的开度，使得混氢比例的最终误差低至0.25％，实现了对混氢比例的高精度控制，有利于达到燃气轮机的预设负荷，实现燃气轮机的安全稳定运行。的安全稳定运行。的安全稳定运行。


技术研发人员：万震天 谢岳生 徐望人 肖玥
受保护的技术使用者：上海发电设备成套设计研究院有限责任公司
技术研发日：2023.05.09
技术公布日：2023/7/4