用于天然气下游终端的掺氢互换性快速判定方法及系统

1.本发明属于混合燃气领域，具体涉及用于天然气下游终端的掺氢互换性快速判定方法及系统。


背景技术：

2.目前，世界能源形成煤炭、石油、天然气、新能源“四分天下”的新格局。世界对于能源的消费由过去的总量增长逐步向集约化、高效化方向发展，主体能源结构向多元化、清洁化以及低碳化方向转型，新能源将逐步进入黄金发展期。在众多新能源中，利用风能、光能等可再生能源产生电能，再通过电解制氢得到氢能，利用氢能即可进行能源的储存及利用。同时，氢气的燃烧能够实现碳的零排放。通过电解水制氢能不仅能够消纳大规模弃用电能，还能实现节能环保，因而受到高度重视。在全球氢能应用发展过程中，将天然气掺混氢气进行利用被公认为是一条短期内可实现氢气消纳的重要途径。在掺氢天然气利用过程中，下游用户及终端设备对掺氢天然气的适应性问题受到人们的广泛关注。
3.国内外对于不同燃气之间能否互换使用的研究称为互换性问题，互换性条件可以概括为：燃具按长期稳定供应的调节燃气(即基准气)调整后在使用另一种组分的燃气时，毋须再调节而有稳定的火焰、有满足要求的热负荷(热流量)、热流量和卫生条件以及火焰中没有析碳等时，则认为替代气与调节气可以互换。从20世纪20年代后期开始，全世界先后提出了沃泊指数和热值法、德尔布指数法、韦弗指数法、aga判定法、dutton法等多种不同的互换性判定方法，可以用来确定天然气掺氢比例范围，但由于互换性判定方法的一个重要影响因素为燃气设备形式规格，而方法指定方普遍采用了本国或地区的燃气设备，同时不同国家或地区的燃气设备差异有时非常大，导致国外使用的互换性判定方法对我国的适用性有待商榷。


技术实现要素：

4.本发明提供用于天然气下游终端的掺氢互换性快速判定方法，已知掺氢前天然气符合12t天然气特性指标，则仅需对掺氢后混合气体进行回火指数判定，即可得出掺氢后混合气体的互换性判定结论，有助于在役天然气的掺氢互换性快速判定；以解决上述背景技术中提出的问题。
5.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：用于天然气下游终端的掺氢互换性快速判定方法，包括以下步骤：
6.步骤1，计算掺氢前天然气及掺氢后混合气体的相对密度；
7.步骤2，计算掺氢前天然气的高热值及华白数；
8.步骤3，对掺氢前天然气进行预判定，掺氢前天然气高热值为h
ng
和华白数为w
ng
均处于设定范围内，则进行步骤6；如果掺氢前天然气高热值为h
ng
和华白数为w
ng
有一项超过预设范围，则进行步骤4，
9.步骤4，计算掺氢后混合气体的华白数、co生成指数和脱火指数；
10.步骤5，对掺氢后混合气体进行二次判定，掺氢后混合气体华白数ws、脱火指数j
l
和co生成指数均在设定范围内，则执行步骤6，如果任意一项超过设定范围，则判定掺氢后混合气体互换性不合格，则执行步骤8；
11.步骤6，计算掺氢后混合气体的回火指数；
12.步骤7，根据掺氢后混合气体回火指数与设定值的大小对掺氢后混合气体进行最终判定，
13.步骤8，综合二次判定及最终判定结果，若二次判定不合格或最终判定不合格，则判定掺氢后混合气体互换性不合格；若最终判定合格，则判定掺氢后混合气体互换性合格。
14.所述步骤1中，具体内容如下：
15.天然气各组分及氢气的初始参数为：氢气体积分数为fh，氢气密度为ρh，天然气除氢气外各组分气体体积分数为fi，各组分气体密度为ρi，则由公式(1)、(2)、(3)和(4)分别计算得到掺氢前天然气密度ρ
ng
、掺氢前天然气相对密度为s
ng
、掺氢后混合气体密度ρs和掺氢后混合气体相对密度ss：
16.ρ
ng
＝fiρiꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0017][0018]
ρs＝fiρi fhρhꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0019][0020]
所述步骤2中，采用公式(5)和(6)计算掺氢前天然气高热值为h
ng
和华白数为w
ng
：
[0021]hng
＝f
ihi
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0022][0023]
其中，天然气各组分气体高热值为hi，s
ng
为掺氢前天然气相对密度。
[0024]
所述步骤3具体如下：掺氢前天然气预判定式为：
[0025]
31.97mj/m3＜h
ng
＜43.57mj/m3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0026]
45.66mj/m3＜w
ng
＜54.77mj/m3ꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0027]
若式(7)和式(8)同时成立，则跳过步骤4及步骤5，直接进行步骤6；若式(7)和式(8)任意一个不成立，则进行步骤4。
[0028]
所述步骤4中具体如下：
[0029]
设由式(9)-式(16)可得，
[0030]hs
＝f
ihi
fhhhꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0031][0032][0033]
[0034][0035][0036][0037][0038]
其中，ss为掺氢后混合气体相对密度，v
0s
为掺氢后混合气体理论空气量，hh为氢气高热值，hs为混合气体高热值，ws为混合气体华白数，ja为引射指数，ss为混合气体火焰速度指数，j
l
为脱火指数，rs为混合气体中h原子数与烃类化合物中c原子数的比值，ji为co生成指数，a、b、c、d和e为常数。
[0039]
步骤5中掺氢后混合气体二次判定式为：
[0040]
45.66mj/m3＜ws＜54.77mj/m3(17)
[0041]jl
＞0.90(18)
[0042]ji
＜0.10(19)
[0043]
若式(17)、式(18)及式(19)同时成立，则进行步骤6；若式(17)、式(18)及式(19)任意一个不成立，则判定掺氢后混合气体互换性不合格，不适用，进行步骤8。
[0044]
步骤6中由公式(20)计算掺氢后混合气体回火指数jf，
[0045][0046]ss
为混合气体火焰速度指数，ja为引射指数。
[0047]
所述步骤7中掺氢后混合气体最终判定式为：
[0048]
jf＜0.64(21)
[0049]
若式(21)成立，则判定掺氢后混合气体互换性合格，适用；若式(21)不成立，则判定掺氢后混合气体互换性不合格，不适用。
[0050]
基于所述方法的构思，本发明提供一种用于天然气下游终端的掺氢互换性快速判定系统，包括第一计算模块、第一判定模块、第二计算模块、第二判定模块、第三判定模块以及第四判定模块；
[0051]
第一计算模块用于计算掺氢前天然气及掺氢后混合气体的相对密度、掺氢前天然气的高热值及华白数；第二计算模块用于计算掺氢后混合气体的华白数、co生成指数和脱火指数，第三计算模块用于掺氢后混合气体的回火指数；
[0052]
第一判定模块用于对掺氢前天然气进行预判定，掺氢前天然气高热值为h
ng
和华白数为w
ng
均处于设定范围内，则第三计算模块启动；如果掺氢前天然气高热值为h
ng
和华白数为w
ng
有一项超过预设范围，则第二计算模块启动；
[0053]
第二判定模块用于对掺氢后混合气体进行二次判定，掺氢后混合气体华白数ws、脱火指数j
l
和co生成指数均在设定范围内，则第三计算模块启动，如果任意一项超过设定范围，则判定掺氢后混合气体互换性不合格，则第三判定模块启动；
[0054]
第三判定模块用于根据掺氢后混合气体回火指数与设定值的大小对掺氢后混合气体判定，得到最终判定结果；
[0055]
第四判定模块用于综合二次判定及最终判定结果，若二次判定不合格或最终判定不合格，则判定掺氢后混合气体互换性不合格；若最终判定合格，则判定掺氢后混合气体互换性合格。
[0056]
另外提供一种计算机设备，包括处理器以及存储器，存储器用于存储计算机可执行程序，处理器从存储器中读取所述计算机可执行程序并执行，处理器执行计算可执行程序时能实现本发明所述用于天然气下游终端的掺氢互换性快速判定方法。
[0057]
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
[0058]
本发明能够通过对掺氢前天然气的判定进行快速预判定，若已知掺氢前天然气符合12t天然气特性指标，则仅需对掺氢后混合气体进行回火指数判定，即可得出掺氢后混合气体的互换性判定结论，有助于在役天然气的掺氢互换性快速判定；
[0059]
目前天然气应用趋于成熟，天然气掺混氢气有助于实现氢能的大规模消纳，本发明针对燃气终端用户提出针对天然气掺氢的互换性判定方法，填补国内该技术领域空白；
[0060]
本发明通过在天然气中加入氢气得到在不调整燃气终端设备的前提下可正常使用的混合气体，可以减少碳排放，助力能源革命和绿色发展。
附图说明
[0061]
图1为本发明的流程示意图。
具体实施方式
[0062]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0063]
请参阅图1，本发明提供一种技术方案：用于天然气下游终端的掺氢互换性快速判定方法，包括以下步骤：
[0064]
步骤1、计算掺氢前天然气及掺氢后混合气体的相对密度；天然气各组分及氢气的初始参数：氢气体积分数为fh，氢气密度为ρh,设天然气除氢气外各组分气体体积分数为fi，各组分气体密度为ρi，掺氢前天然气密度为ρ
ng
，相对密度为s
ng
，掺氢后混合气体密度为ρs，相对密度为ss，则由式(1)、式(2)、式(3)、式(4)可得，
[0065]
ρ
ng
＝fiρ
i (1)
[0066][0067]
ρs＝fiρi fhρ
h (3)
[0068][0069]
步骤2、计算掺氢前天然气的高热值及华白数；天然气各组分气体高热值为hi，掺氢前天然气高热值为h
ng
，华白数为w
ng
，则由式(5)、式(6)可得，
[0070]hng
＝f
ihi (5)
[0071][0072]
步骤3、对掺氢前天然气进行预判定；掺氢前天然气预判定式为：
[0073]
31.97mj/m3＜h
ng
＜43.57mj/m3(7)
[0074]
45.66mj/m3＜w
ng
＜54.77mj/m3(8)
[0075]
若式(7)、式(8)同时成立，则跳过步骤4及步骤5，直接进行步骤6；若式(7)、式(8)任意一个不成立，则进行步骤4。
[0076]
步骤4、计算掺氢后混合气体的华白数、co生成指数和脱火指数；设掺氢后混合气体相对密度为ss，掺氢后混合气体理论空气量为v
0s
，氢气高热值为hh，混合气体高热值为hs，混合气体华白数为ws，引射指数为ja，混合气体火焰速度指数为ss，脱火指数为j
l
,混合气体中h原子数与烃类化合物中c原子数的比值为rs，co生成指数为ji，设常数a、b、c、d、e，则由式(9)-式(16)可得，
[0077]hs
＝f
ihi
fhh
h (9)
[0078][0079][0080][0081][0082][0083][0084][0085]
步骤5、对掺氢后混合气体进行二次判定；掺氢后混合气体二次判定式为：
[0086]
45.66mj/m3＜ws＜54.77mj/m3(17)
[0087]jl
＞0.90(18)
[0088]ji
＜0.10(19)
[0089]
若式(17)、式(18)及式(19)同时成立，则进行步骤6；若式(17)、式(18)及式(19)任意一个不成立，则判定掺氢后混合气体互换性不合格，不适用，进行步骤8。
[0090]
步骤6、计算掺氢后混合气体的回火指数；设掺氢后混合气体回火指数为jf，则由式(20)可得，
[0091][0092]
步骤7具体内容如下：
[0093]
掺氢后混合气体最终判定式为：
[0094]
jf＜0.64(21)
[0095]
若式(21)成立，则判定掺氢后混合气体互换性合格，适用；若式(21)不成立，则判定掺氢后混合气体互换性不合格，不适用。
[0096]
步骤7、对掺氢后混合气体进行最终判定；
[0097]
步骤8、输出判定结果：综合二次判定及最终判定结果，若二次判定不合格或最终判定不合格，则判定掺氢后混合气体互换性不合格，不适用；若最终判定合格，则判定掺氢后混合气体互换性合格，适用。
[0098]
本发明常数采用：a＝148，b＝301，c＝398，d＝513，e＝339。
[0099]
具体实施例1：陕甘宁天然气组分：甲烷94.7％，乙烷：0.55％，丙烷：0.08％，丁烷：1.01％，氮气：4.64％。
[0100]
已知陕甘宁天然气为在役天然气，则步骤3中的式(7)和式(8)同时成立，直接进行步骤6。
[0101]
由公式(20)计算掺氢后混合气体回火指数jf，结果如表1所示：
[0102]
表1
[0103]
掺氢比回火指数jf0％0.07020％0.61421％0.645
[0104]
当掺氢比为20％时，式(21)成立，判定掺氢后混合气体互换性合格，适用；
[0105]
当掺氢比为21％时，式(21)不成立，jf》0.64，，判定掺氢后混合气体互换性不合格，不适用。
[0106]
具体实施例2：某天然气a，组分：甲烷：80％，乙烷：10％，丙烷：10％
[0107]
通过步骤1、2中的计算可得掺氢前天然气的高热值和华白数，结果如表2所示：
[0108]
表2
[0109]
高热值华白数46.453mj/m355.385mj/m3[0110]
则步骤3中的式(7)和式(8)均不成立，进行步骤4.
[0111]
通过步骤4中的计算可得掺氢后混合气体的华白数、脱火指数j
l
和co生成指数ji，结果如表3所示：
[0112]
表3
[0113]
掺氢比华白数脱火指数j
l
co生成指数ji055.385mj/m31.1520.12510％53.768mj/m31.2950.07220％52.122mj/m31.4540.013
30％50.451mj/m31.632-0.052
[0114]
当掺氢比为0时，华白数和co生成指数ji不满足式(17)和式(19)，判定掺氢后混合气体互换性不合格，不适用；
[0115]
当掺氢比为10％时，式(17)、式(18)及式(19)同时成立，进行步骤6；
[0116]
当掺氢比为20％时，式(17)、式(18)及式(19)同时成立，进行步骤6；
[0117]
当掺氢比为30％时，式(17)、式(18)及式(19)同时成立，进行步骤6；
[0118]
通过步骤6中的计算可得掺氢后混合气体回火指数jf，结果如表4所示：
[0119]
表4
[0120]
掺氢比回火指数jf10％0.16720％0.42730％0.728
[0121]
当掺氢比为10％时，式(21)成立，判定掺氢后混合气体互换性合格，适用；
[0122]
当掺氢比为20％时，式(21)成立，判定掺氢后混合气体互换性合格，适用；
[0123]
当掺氢比为30％时，式(21)不成立，jf》0.64，判定掺氢后混合气体互换性不合格，不适用；
[0124]
综上，掺氢比为0、30％时，判定掺氢后混合气体互换性不合格，不适用；掺氢比为10％、20％时，判定掺氢后混合气体互换性合格，适用。
[0125]
基于所述方法的构思，本发明还提供一种用于天然气下游终端的掺氢互换性快速判定系统，包括第一计算模块、第一判定模块、第二计算模块、第二判定模块、第三判定模块以及第四判定模块；
[0126]
第一计算模块用于计算掺氢前天然气及掺氢后混合气体的相对密度、掺氢前天然气的高热值及华白数；第二计算模块用于计算掺氢后混合气体的华白数、co生成指数和脱火指数，第三计算模块用于掺氢后混合气体的回火指数；
[0127]
第一判定模块用于对掺氢前天然气进行预判定，掺氢前天然气高热值为h
ng
和华白数为w
ng
均处于设定范围内，则第三计算模块启动；如果掺氢前天然气高热值为h
ng
和华白数为w
ng
有一项超过预设范围，则第二计算模块启动；
[0128]
第二判定模块用于对掺氢后混合气体进行二次判定，掺氢后混合气体华白数ws、脱火指数j
l
和co生成指数均在设定范围内，则第三计算模块启动，如果任意一项超过设定范围，则判定掺氢后混合气体互换性不合格，则第三判定模块启动；
[0129]
第三判定模块用于根据掺氢后混合气体回火指数与设定值的大小对掺氢后混合气体判定，得到最终判定结果；
[0130]
第四判定模块用于综合二次判定及最终判定结果，若二次判定不合格或最终判定不合格，则判定掺氢后混合气体互换性不合格；若最终判定合格，则判定掺氢后混合气体互换性合格。
[0131]
同时提供一种计算机设备，包括处理器以及存储器，存储器用于存储计算机可执行程序，处理器从存储器中读取所述计算机可执行程序并执行，处理器执行计算可执行程序时能实现本发明所述用于天然气下游终端的掺氢互换性快速判定方法。
[0132]
本发明的优势在于：本发明填补国内掺氢天然气互换性判定领域空白；可实现在
役天然气掺氢互换性快速判定；实现碳减排和能源革命。
[0133]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。