天然气掺氢装置的制作方法

1.本发明涉及燃料掺混技术领域，具体涉及一种天然气掺氢装置。


背景技术：

2.将氢气掺混到天然气中，通过已有的天然气长输管网或城燃管网输送，或是通过就近的氢源进行管道供氢，最终在终端用户进行利用是目前大规模低成本利用氢能的方式之一。相关技术中天然气掺氢装置存在成本高、掺混均匀度低的问题。


技术实现要素：

3.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
4.为此，本发明的实施例提出一种天然气掺氢装置，该天然气掺氢装置具有成本低、掺混均匀度高的优点。
5.根据本发明实施例的天然气掺氢装置包括管道、文丘里管和整流板，所述管道包括相连通的主管道和支管道；所述文丘里管配合在所述主管道内并封闭所述主管道的两端开口，所述文丘里管的外表面和所述主管道的内表面之间构成中间腔，所述中间腔与所述支管道相连通，所述文丘里管上设有连通中间腔和所述文丘里管的内腔的入口，所述文丘里管的入口端和所述支管道的入口端中的一者与天然气管道连通，另一者与氢气管道连通；所述整流板设于所述文丘里管的出口端，所述整流板上设有多个整流孔。
6.根据本发明实施例的天然气掺氢装置，天然气经天然气管道流入文丘里管的内腔，与此同时，氢气经氢气管道、支管道进入文丘里管的中间腔，又通过入口进入文丘里管的内腔，在此处，天然气与氢气完成混合，实现了天然气掺氢的目的，之后，混合气体流向文丘里管的出口端，设于此处的整流板进一步促进氢气和天然气的混合，以提高两者之间的掺混均匀度。
7.其次，相比于相关技术中掺混装置通常需要对原有管道进行大规模改造，甚至需要配备专门的燃料掺混系统，本实施例中的天然气掺氢装置可与原有管路连接，在较大程度上利用原有管路中已存的阀门、流量计等部件，大大降低了掺混管路改造的经济成本，从而降低了天然气掺氢装置的设计、使用、维修等各方面的成本，可以实现批量化生产，利于大规模推广和应用。
8.在一些实施例中，所述文丘里管包括依次相连的入口管段、收缩管段、喉管、环板和渐扩管段，所述入口管段的活动端封闭所述主管道的一端开口并构成所述文丘里管的入口端，所述渐扩管段的活动端封闭所述主管道的二端开口并构成所述文丘里管的出口端，所述入口设置于所述环板上。
9.在一些实施例中，所述入口包括多个沿所述环板的周向间隔分布的通孔。
10.在一些实施例中，多个所述整流孔均匀分布在整流板上，所述整流孔的横截面形状为圆形、正方形、棱形和六边形中的任意一者；或者，所述整流板为格栅结构，所述格栅围绕形成多个所述整流孔。
11.在一些实施例中，所述整流板的数量有多个，多个所述整流板均设置在所述渐扩管段内并沿所述主管道的轴向间隔排列。
12.在一些实施例中，所述入口管段、所述收缩管段、所述喉管、所述渐扩管段中每一者的壁面的纵截面线条为维多辛斯基曲线。
13.在一些实施例中，所述入口管段的外壁面设有第一环形槽，所述渐扩管段的外壁面设有第二环形槽，所述天然气掺氢装置还包括配合在所述第一环形槽内的第一密封圈和配合在所述第二环形槽内的第二密封圈。
14.在一些实施例中，所述主管道包括用于与天然气管道相连的第一法兰部和与混合管道相连的第二法兰部。
15.在一些实施例中，所述支管道包括用于与所述氢气管道相连的第三法兰部。
16.在一些实施例中，所述第一法兰部、所述第二法兰部和所述第三法兰部均具有连接孔，所述连接孔的横截面形状为腰形或长条形。
附图说明
17.图1是根据本发明实施例的天然气掺氢装置的主视剖面示意图。
18.图2是根据本发明实施例的天然气掺氢装置的管道的剖面示意图。
19.图3是根据本发明实施例的天然气掺氢装置的文丘里管的剖面示意图。
20.图4是根据本发明实施例的天然气掺氢装置的环板的示意图。
21.图5是根据本发明实施例的天然气掺氢装置的整流板的示意图。
22.图6是根据本发明实施例的天然气掺氢装置的整流板的又一示意图。
23.附图标记：1、管道；11、主管道；111、第一法兰部；1111、第一o型圈；112、第二法兰部；1121、第二o型圈；12、支管道；121、第三法兰部；1211、第三o型圈；
24.2、文丘里管；21、入口管段；211、第一密封圈；22、收缩管段；23、喉管；24、环板；241、通孔；25、渐扩管段；251、第二密封圈；
25.3、整流板；31、整流孔；
26.4、中间腔；
27.5、内腔。
具体实施方式
28.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
29.下面结合图1-图6描述根据本发明实施例的天然气掺氢装置。
30.如图1所示，根据本发明实施例的天然气掺氢装置包括管道1、文丘里管2、和整流板3。管道1包括相连通的主管道11和支管道12。文丘里管2配合在主管道11内并封闭主管道11的两端开口，文丘里管2的外表面和主管道11的内表面之间构成中间腔4，中间腔4与支管道12相连通，文丘里管2上设有连通中间腔4和文丘里管2的内腔5的入口，文丘里管2的入口端和支管道12的入口端中的一者与天然气管道连通，另一者与氢气管道连通。整流板3设于文丘里管2的出口端，整流板3上设有多个整流孔31。
31.需要说明地，文丘里管2的入口端与天然气管道连通，支管道12的入口端与氢气管
道连通。
32.根据本发明实施例的天然气掺氢装置，首先，根据要求的掺混比例计算天然气流量和氢气流量，并调节天然气掺氢装置上游的天然气管道和氢气管道的阀门。
33.之后，天然气经天然气管道流入文丘里管2的内腔5，与此同时，氢气经氢气管道、支管道12进入文丘里管2的中间腔4，又通过入口进入文丘里管2的内腔5，在此处，天然气与氢气完成混合，实现了天然气掺氢的目的，之后，混合气体流向文丘里管2的出口端，设于此处的整流板3进一步促进氢气和天然气的混合，以提高两者之间的掺混均匀度。
34.其次，相比于相关技术中掺混装置通常需要对原有管道进行大规模改造，甚至需要配备专门的燃料掺混系统，本实施例中的天然气掺氢装置可与原有管路连接，在较大程度上利用原有管路中已存的阀门、流量计等部件，大大降低了掺混管路改造的经济成本，从而降低了天然气掺氢装置的设计、使用、维修等各方面的成本，可以实现批量化生产，利于大规模推广和应用。
35.另外，天然气在文丘里管2中的流动在入口位置形成负压，实现对氢气的自吸引，便于两者之间的混合，同时，该自吸引加快了氢气的流动，提高了其流速，使氢气以引射的方式与天然气混合，实现了氢气深入天然气的内层的效果，提高了掺混的均匀度。
36.具体地，主管道11和天然气管道可拆卸连接，支管道12和氢气管道可拆卸连接，便于整个装置的拆装与更换，提高了整个装置的通用性。
37.其中，管道1的材质为无缝钢管，具体的管材可以选用20#钢或q345d，由此管道1具有良好的韧性、塑性和焊接性，在输送含氢气的燃料气体时发生氢损伤的风险低。
38.具体地，天然气管道尺寸为dn32，氢气管道尺寸为dn15。
39.为了便于理解，图1中箭头a所示为天然气掺氢装置的左右方向。
40.在一些实施例中，如图3所示，文丘里管2包括依次相连的入口管段21、收缩管段22、喉管23、环板24和渐扩管段25，入口管段21的活动端封闭主管道11的一端开口并构成文丘里管2的入口端，渐扩管段25的活动端封闭主管道11的二端开口并构成文丘里管2的出口端，入口设置于环板24上。
41.天然气由入口管段21流入，经收缩管段22时，其通径逐渐减小，天然气的自身速度则不断增大，进入喉管23后，天然气的流速达到最大，根据伯努利定理，在此位置的天然气的压强最小，之后，天然气通过环板24，通过入口吸入氢气，完成掺混过程。
42.环形中间腔4的设置使得由支管道12流入的氢气的通径突然变大，继而使氢气降速和升压，进一步提高了内腔5中天然气和中间腔4的氢气之间的压强差，从而提升了氢气的引射速度，提高了天然气和氢气之间的掺混效果。
43.其中，环板24套设在喉管23上，渐扩管段25上横截面直径较小的一端与环板24同轴焊接或一体成型，两种加工方式均具有连接稳固，操作便捷的效果。
44.其中，主管道11和支管道12的连通位置位于入口的左侧，便于氢气的流动；或者，主管道11和支管道12的连通位置与环板24沿其径向相对，便于氢气流动，减少空气阻力，提高引射速度。
45.其中，入口管段21、收缩管段22、喉管23和渐扩管段25中的每一者选用高性能尼龙为其材质并通过3d打印成型，成本低廉，易于制造，拆装和更换方便。
46.其中，文丘里管2的出口端和混合管道1连通，入口管段21的内径和天然气管道的
内径相等，渐扩管段25右端的内径和混合管道1的内径相等，这样设计使得各部件安装完毕后，文丘里管2的左右两侧分别受到天然气管道和混合管道1的限位，进一步提高了文丘里管2的固定效果，保障了装置的顺利运行。
47.在一些实施例中，如图4所示，入口包括多个沿环板24的周向间隔分布的通孔241，便于氢气流通。
48.具体地，通孔241的横截面的形状为扇形，在保证环板24的结构强度的基础上，可以最大程度地提高氢气的通量。
49.具体地，多个通孔241沿环板24的周向等间隔分布，这样设置使氢气分为多股并沿各个方向引射进入天然气内，进一步提升了掺混的均匀度，在一些可选地实现方式中，通孔241的数量是8个。
50.具体地，环板24的厚度是5mm，增大了自身的结构强度，另外，环板24还起到对氢气导流的效果。
51.在一些实施例中，如图5和图6所示，多个整流孔31均匀分布在整流板3上，整流孔31的横截面形状为圆形、正方形、棱形和六边形中任意一者；或者，整流板3为格栅结构，格栅围绕形成多个整流孔31。
52.这样的设置使氢气和天然气掺混地更加均匀，进一步提高了两者之间的掺混均匀度。可以理解地，整流孔31的横截面形状也可以是三角形、矩形等其它形状，本实施例不以此为限制。
53.在一些实施例中，如图3所示，整流板3的数量有多个，多个整流板3均设置在渐扩管段25内并沿主管道11的轴向间隔排列。
54.多个整流孔31的设置进一步加强了氢气和天然气之间的混合。
55.具体地，单个整流板3的厚度是1mm。
56.在一些实施例中，入口管段21、收缩管段22、喉管23、渐扩管段25中每一者的壁面的纵截面线条为维多辛斯基曲线。
57.这样设计使得壁面平滑，便于气体在渐扩管段25的活动端均匀流动。
58.在一些实施例中，如图1所示，入口管段21的外壁面设有第一环形槽，渐扩管段25的外壁面设有第二环形槽，天然气掺氢装置还包括配合在第一环形槽内的第一密封圈211和配合在第二环形槽内的第二密封圈251。
59.第一密封圈211保证了入口管段21和主管道11之间的密封效果，避免了天然气流入中间腔4。第二密封圈251保证了渐扩管段25和主管道11之间的密封效果，避免了氢气由中间腔4直接流入混合管道。
60.具体地，第一密封圈211的至少部分裸露在第一环形槽的外侧，主管道11通过第一密封圈211和入口管段21连接。
61.具体地，第二密封圈251的至少部分裸露在第二环形槽的外侧，主管道11通过第二密封圈251和渐扩管段25连接。
62.具体地，第一密封圈211的材质和第二密封圈251的材质均为氟胶，具有优异的抗化学特性，适用于含氢气的燃料气体的密封。
63.在一些实施例中，如图2所示，主管道11包括用于与天然气管道相连的第一法兰部111和与混合管道1相连的第二法兰部112。
64.第一法兰部111和第二法兰部112的设计使得主管道11拆装简便，易于更换，同时，连接稳固。
65.已在文丘里管2内完成混合的氢气和天然气组成混合气体，再经第二法兰部112流入混合管道1中，通过混合管道1中的流量计获得总流量，又经天然气掺氢装置下游的气体组分检测装置获得混合气体的氢气和甲烷比例，并以为依据判断掺混比例是否准确，若有偏差，可继续对天然气掺氢装置上游的天然气管道和氢气管道的阀门开度进行调整。
66.需要说明地，第一法兰部111的端面上同轴设有第一o型圈1111，第二法兰部112的端面上同轴设有第二o型圈1121，第一o型圈1111用于对主管道11和天然气管道连接处的密封，第二o型圈1121用于对主管道11和混合管道1连接处的密封。
67.第一o型圈1111的材质和第二o型圈1121的材质均为氟胶。
68.主管道11通过第一法兰部111和天然气管道相连以及第二法兰部112和混合管道1相连，使得其承担了天然气管道和混合管道1传来的较多的挤压力，以此减少了文丘里管2上的挤压力，保护了文丘里管2，延长了文丘里管2的使用寿命。
69.在一些实施例中，如图2所示，支管道12包括用于与氢气管道相连的第三法兰部121，便于拆装，易于更换，实现了整个装置可重复利用的效果。
70.另外，第一法兰部111、第二法兰部112、第三法兰部121构成天然气掺氢装置的分体式结构。
71.其中，第一法兰、第二法兰和第三法兰根据工作压力1.0mpa进行设计。
72.需要说明地，第三法兰部121的端面上同轴设有第三o型圈1211，第三o型圈1211用于对支管道12和氢气管道连接处的密封。
73.第三o型圈1211的材质为氟胶。
74.支管道12通过第三法兰部121和氢气管道相连，其作用与上述实施例中主管道11的作用相似，此处不再赘述。
75.在一些实施例中，第一法兰部111、第二法兰部112和第三法兰部121均具有连接孔，连接孔的横截面形状为腰形或长条形。
76.本实施例中的连接孔与常规圆形的螺栓孔相比，可以使法兰的连接螺栓在连接孔内沿其长度方向滑动，便于与原有管道的法兰盘上的螺栓孔对接，连接孔给予了连接螺栓一定的活动空间，避免了因法兰盘的对接误差而引起的连接螺栓紧固不上的问题。
77.综上，本发明的天然气掺氢装置具有掺混效果好、结构紧凑、拆装方便、成本低廉等优点。
78.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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，因此不能理解为对本发明的限制。
79.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至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
80.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。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在本发明中的具体含义。
81.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
82.在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
83.尽管已经示出和描述了上述实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域普通技术人员对上述实施例进行的变化、修改、替换和变型均在本发明的保护范围内。