[0001] 本申请涉及燃气运输及压力能回收技术领域，具体涉及一种氢气天然气分离系统、方法及气体压力传递装置。

[0002] 目前，现今天然气已经成为居民生活必需资源，并且城市中的天然气管网的覆盖面积也在进一步扩大。我国天然气产业是由三大石油石化央企为支撑，布局建成了国家干线天然气管道网络，多元市场主体为补充主导配置城市周边支配气管网及多种经营形式。天然气管网运输体系已比较完善。

[0003] 近年来燃料电池技术的成熟和成本的快速下降，燃料电池交通发展迅速。然而与之相对应的氢气储运成本居高不下。氢气的储运方式包括氢气专用管道、压缩氢气(CH2)、液化氢气(LH2)、液体有机物氢载体(LOHC)、金属合金储氢等方式。其中氢气管道运输有输送量大，供应可靠性高等特点，但管道投资过高。氢气运输问题已成为制约燃料电池及燃料电池汽车发展的关键问题。

[0004] 利用已有成熟的天然气管道设施，在不必对设备设施进行专门处理和改造的前提下注入氢气，在天然气氢气混合运输的情况下可以实现大规模输送氢气，大幅降低氢气输送成本。但是在许多情况下，需要较为纯净的天然气或氢气作为工业原料，因此需要对天然气氢气混合气进行分离。

[0005] 同时，天然气和氢气混合气都是高压运输，而天然气、氢气混合气的常规分离方式均是要在相对低压的条件下进行分离，常规的分离会损失混合气余压；而且天然气二次输送还需要增压，能量消耗较大；目前已开发的余能利用技术，包括压力能储气调峰、压力能发电、天然气液化、制冷等，这些余压利用都是将压力能转化为了其他形式的能量，能量转化损失较大。

[0050] 为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

[0051] 本实施例中，如图2、4所示，所述气体压力传递装置4包括壳体1、转子2、活塞组件3和隔板13，所述壳体1两端分别设置有第一腔体11和第二腔体12，在本实施例中，将第一腔体11用作施压气体的流通，第二腔体12用作受压气体的流通。所述第一腔体11和第二腔体12内分别设置有水平状的隔板13，隔板13将第一腔体11和第二腔体12均分为进口和出口，第一腔体11的的进口和第二腔体12的出口相对设置。

[0052] 所述转子2设在壳体1内，并将两端第一腔体11和第二腔体12相对密封，使得气体无法从第一腔体11泄露到第二腔体12内。活塞组件3设在转子2内，因为本实施例中以第一腔体11为施压气体的处理方向，所以活塞组件3由第一腔体11向第二腔体12方向聚拢倾斜设置，同时也限定了第一腔体11的进口要在隔板13上方，施压气体从第一腔体11进口进入。在一些其他实施例中，也有从第二腔体12的进口进入的，只是此时活塞组件3的自重相对较大，并且第二腔体12的进口在隔板13下侧。

[0053] 所述隔板13的厚度大于所述活塞组件3的直径，避免在转子2转动过程中进口和出口被活塞组件3连通导致装置失效。在转子2的转动过程中，所述活塞组件3每转过隔板13，活塞组件3内的活塞行程由此时活塞组件3较高位置向较低位置移动。

[0054] 具体的，如图4所示，在活塞组件3转到隔板13上方时，活塞组件3靠近第一腔体11一侧较高，所以此时活塞组件3的活塞在重力和第一腔体11内施压气体压力的作用下，从第一腔体11一侧移动到第二腔体12一侧。而活塞组件3转到位于隔板13下方时，活塞组件3靠近第二腔体12的一侧较高，所以此时活塞组件3的活塞在重力和离心力的作用下，从第二腔体12一侧移动到第一腔体11一侧，完成一个循环。

[0055] 作为本实施例的优化，所述转子2为锥台型，如图4所示，转子2和活塞组件3整体的形状相同，使得转子2整体受力更为平衡，转子2转动所需能量。

[0056] 作为本实施例的优化，所述活塞组件3包括活塞腔31和传压活塞32，所述活塞腔31在转子2内聚拢倾斜设置，所述传动活塞滑动设置在活塞腔31内，所述传动活塞有两个端头，端头之间采用活塞杆323连接，以减少传动活塞重量，减少压力能耗。

[0057] 进一步的，所述第一端头321的直径小于第二端头322，所述活塞腔31内壁呈阶梯状设置，第一端头321嵌设在内径较小的活塞腔31内，第二端头322嵌设在内径较大的活塞腔31内，这么设置的原因一方面是减小施压气体一侧受力面积增大施压气体施加的压力，使得压力平衡时施压气体压力更低，增大压力能传递量，另一方面，因为受压气体通常处于低压状态，气体为可压缩流体，此时气体密度极低，而单次受压体积是有限的，使得受压气体的质量流量小于分离出来的天然气质量流量，无法连续生产，因此要减小施压气体一侧的体积以达到流量平衡，可以连续生产，满足流量平衡则要求满足以下公式：

[0058] ρ1SA＝ρ2SB

[0059] 其中，ρ1为施压气体入口密度，SA为第一端头面积，ρ2为受压气体出口密度，SB为第二端头面积。

[0060] 作为本实施例的优化，所述转子2的轴线处设置有转子轴21，所述转子轴21转动设置于隔板13内并伸出隔板13，可以在外部控制转子2的转速，也使得转子轴21不影响隔板13的密封效果。

[0061] 一种基于前述气体压力传递装置4的氢气天然气分离系统的实施例，用于从高压混合气管道71输入高压的天然气氢气混合气，然后向氢气管道72输出氢气，向天然气管道73输出高压天然气，系统包括前述的气体压力传递装置4、膜分离装置5和增压泵6，所述气体压力传递装置4中第一腔体11的入口连接于高压混合气管道71，第一腔体11的出口连接于所述膜分离装置5的膜分离入口51，混合气在膜分离系统中分离，渗透气为氢气，从渗透气出口52排出至氢气管道72，非渗透气为天然气，从非渗透气出口5352排出至气体压力传递装置4的第二腔体12入口，在气体压力传递装置4内一次增压后从第二腔体12出口进入增压泵6，增压泵6二次增压后进入天然气管道73。

[0062] 作为本实施例的优化，在氢气天然气分离系统中还设置有第一换热器81、第二换热器82、循环水泵83和循环管道84，循环管道84将第一换热器81、第二换热器82、循环水泵83循环连接，冷却水在这三者之间循环流动。而第二换热器82设在在第二腔体12出口和增压泵6之间，将气体增压后产生的热量通过冷却水吸收，而第一换热器81设在第一腔体11出口和膜分离入口51之间，将通过第二换热器82吸热后的热水加热释放压力后的自身冷却的混合气，其作用是遏制施压气体膨胀后过冷导致其内含的少量杂质液化对膜产生危害，同时也降低进入官网的气体温度，降低管网负荷。

[0063] 还提供一种基于前述氢气天然气分离系统的分离方法的实施例，是回收1t/h的氢气及甲烷混合气，膜分离氢气的效率为90％，包括以下步骤：

[0064] S1启动气体压力传递装置4，使其转子2转动到设定速度；

[0065] S2从高压混合气管道71向第一腔体11的入口输入高压的天然气、氢气的混合气，压力为10.0Mpa，所述混合气挤压活塞组件3，活塞组件3的活塞向第二腔体12一端移动，使第二腔体12出口内的气体受压，增压到9.5Mpa；

[0066] S3转子2带动活塞组件3继续转动，当活塞组件3经过隔板13所在平面时，活塞组件3内的活塞在重力和离心力的作用下向第一腔体11出口方向移动，活塞组件3向第一腔体11的出口排出活塞组件3内的降低压力的天然气、氢气混合气，混合气的压力下降到5.0Mpa，并吸入第二腔体12入口处的气体，其压力为4.9Mpa；

[0067] S4从第一腔体11排出的降压过后的混合气进入膜分离装置5内，氢气以压力2.0Mpa、温度‑7.7℃、质量流量为268.95kg/h的状态从渗透气出口52输出至氢气管道72，天然气以压力4.9Mpa、温度‑7.7℃、质量流量为731.05kg/h的状态从非渗透气出口5352输出至第二腔体12入口；

[0068] S5天然气被气体压力传递装置4增压后，以压力9.5Mpa、温度46.12℃、质量流量为731.05kg/h的状态从第二腔体12出口输送至增压泵6，进行二次增压后，压力升到10Mpa输出到天然气管道73；

[0069] 步骤S1中，转速由以下两个公式确定：

[0070] F1＝Gr‑Fr‑f+(Pg1SA‑Pg2SB)

[0071] F2＝Gr+Fr‑f‑(Pd1SA‑Pd2SB)

[0072] 其中需要F1>0、F2>0即可，式中各参数具体如下：

[0073] F1：活塞组件位于最高位置时所受合力；

[0074] F2：活塞组件位于最低位置时所受合力；

[0075] Gr：重力沿活塞组件轴线方向向下的分力；

[0076] Fr：离心力沿活塞组件轴线方向的分力；

[0077] f：活塞运动时的摩擦阻力；

[0078] Pg1：施压气体入口压力；

[0079] Pg2：受压气体出口压力；

[0080] Pd1：施压气体出口压力；

[0081] Pd2：施压气体出口压力；

[0082] SA：第一端头面积；

[0083] SB：第二端头面积；

[0084] 其中Gr、f、SA和SB为已知值，Pg1、Pg2、Pd1和Pd2为预设值，所以仅需选择一个合适的离心力沿活塞组件轴线方向的分力Fr，再换算成离心力，最终换算成转速即可；应当注意的是，本计算方法所依赖的是前述实施例的气体压力传递装置，也即施压气体从第一腔体上部的进口进入，受压气体从第二腔体的下部进口进入，在其他实施例中可以依样推算出相应的公式。

[0085] 在一些实施例中，所述步骤S3和S4之间，增加如下步骤：

[0086] S3.1在降低压力的天然气、氢气混合气排出气体压力传递装置4后，先进入第一换热器81加热，混合气加热前的温度为‑17.6℃，加热后的温度为‑7.3℃，有效遏制住了混合气中存在的微量杂质气体冷凝。

[0087] 在前述实施例之上更进一步的，S4.1在增加压力的天然气排出气体压力传递装置4后，先进入第二换热器82冷却，天然气冷却前温度为46.12℃、冷却后的温度为26.12℃，其一方面降低了天然气温度，减小了天然气管网负荷，另一方面为第一换热器81提供热源，降低系统整体能耗。

[0088] 在上述实施例中，气体状态参数见表1所示：

[0089] 表一 气体状态参数

[0090]

[0091] 本申请不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。