[0001] 本申请涉及天然气掺氢技术领域，尤其涉及的是一种多级天然气掺氢装置及天然气掺氢方法。

[0002] 城镇天然气的用气范围广，且用气规律呈现明显的峰谷差异，以某燃气公司某中3
压调压站为例，用气高峰出现在晚上6点左右，调压站流量可达到18000Nm /h，用气低谷出
3
现在凌晨4点左右，流量不足1000Nm /h。对于现有的掺混装置，为了保证掺氢比一定，通常
采用随动流量的掺混技术，该技术通过流量表进行计量，并反馈信号给调节阀进行固定掺
氢比的随动流量调节。然而在实际工程实践中发现，该类技术只能针对燃气流量相对稳定，
只在设计负荷附近波动的情况。

[0003] 因此，目前的天然气掺氢装置只能针对用气范围窄、峰谷差小的燃气管网进行控制；无法针对较宽的用气范围，稳定地对燃气进行控制。

[0030] 下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附
图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

[0031] 在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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申请和简化描述，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
本申请的限制。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个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含
义是两个或两个以上。

[0032] 在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本
申请中的具体含义。

[0033] 还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本申请的基本构想，图式中仅显示与本申请中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘
制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可
能更为复杂。

[0034] 本申请中，所有的压力均为绝对压力。

[0035] 另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实施例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。

[0036] 结合参考图1、图2和图3，本申请的第一实施例中提供一种多级天然气掺氢装置，包括天然气管道N1、氢气管道N2、混气管道N3与PLC控制系统(图中未标出)。

[0037] 所述混气管道N3上设置有混合器30；所述天然气管道N1的一端与所述混合器30相连，另一端为天然气入口端；所述氢气管道N2的一端与所述混合器30相连，另一端为氢气入
口端；所述天然气管道N1包含多级并联设置的天然气管路，多级所述天然气管路上均设置
有第一流量变送器18；所述氢气管道N2包含多级并联设置的氢气管路，多级所述氢气管路
上均设置有第二流量变送器28；具体的，所述第一流量变送器18一端与所述混合器30相连，
另一端与天然气入口端相连；所述第二流量变送器28的一端与所述混合器30相连，另一端
与氢气入口端相连。

[0038] 所述PLC控制系统与所述第一流量变送器18、第二流量变送器28和混合器30信号连接；所述PLC控制系统设定掺氢比例，并控制第一流量变送器18的开度、第二流量变送器
28的开度和混合罐的开合，从而达到调节所述混气管道N3通出的气体的掺氢比例的目的。

[0039] 其中，多级所述天然气管路可为k级，即包括天然气管路第一级N11、天然气管路第二级N12……直至天然气管路第k级等，总共k条天然气管路；第x‑1级的天然气管路相较于
第x级(1≤x≤k)的天然气管路的流量范围小，即随着级别的增大，流量范围递减。同理的，
多级所述氢气管路可为k级，即包括氢气管路第一级N21、氢气管路第二级N22……直至氢气
管路第k级等，总共k条氢气管路；第x‑1级的氢气管路相较于第x级(1≤x≤k)的氢气管路的
流量范围小，即随着级别的增大，流量范围递减。

[0040] 多级所述天然气管路和多级所述氢气管路的设置，可以对不同需求量的掺氢天然气的气量进行分级。当气量需求大时，启用天然气管路第一级N11、氢气管路第一级N21等；
气量需求大时，级别较小、流量范围较大的天然气管道N1和氢气管道N2，能够防止天然气管
路、氢气管路无法承载过量的气体造成损坏，还能够让天然气管路、氢气管路上设置的仪器
保持最适工作范围，提高对掺氢比例的精确控制。

[0041] 本申请的一种多级天然气掺氢装置，针对城市燃气管网用气规律为用气流量大、流量宽，且用气峰谷差大的特点，能够多级分流从而达到对掺氢比例精确控制的效果，并且
能够使得掺氢天然气混合均匀、系统能够综合一体化控制。本申请的多级天然气掺氢装置
根据掺氢天然气的目标供应需求量Q，通过PLC控制系统设定掺氢比例λ，信号连接天然气管
道N1、氢气管道N2和混合器30，通过多级天然气管道N1对天然气进行输送，通过多级氢气管
道N2对氢气进行输送，在混合器30中混合掺杂得到所需掺氢天然气，将掺氢天然气通出使
用，使得混气管道N3通出的气体混合均匀；其中，通过天然气管道N1和氢气管道N2的多级设
置，能够对不同量级的通气量进行分级操作，使得工作状态中的第一流量变送器18和第二
流量变送器28处于最适工作范围内，能够精确控制掺氢比例，防止第一流量变送器18和第
二流量变送器28等流量调节仪器快速来回震荡导致的计量不准。

[0042] 在一些实施方式中，多级所述天然气管路和多级所述氢气管路的级别相互对应，从而可以直接根据对应的级别来通入天然气或氢气，从而更好地调节掺氢天然气的气体
量。

[0043] 多级所述天然气管路的左端相交，交点为第一交点A；多级所述天然气管路的右端相交，交点为第二交点B；即多级所述天然气管路并列设置，左端相交于第一交点A，右端相
交于第二交点B。多级所述氢气管路的左端相交，交点为第三交点C；多级所述氢气管路的右
端相交，交点为第四交点D；即多级所述氢气管路并列设置，左端相交于第三交点C，右端相
交于第四交点D。

[0044] 其中，一些实施方式中，多级所述天然气管路为二级或二级以上，包括天然气管路第一级N11和天然气管路第二级N12；对应的，多级所述氢气管路为二级或二级以上，包括氢
气管路第一级N21和氢气管路第二级N22。

[0045] 天然气管路第一级N11和天然气管路第二级N12上均设置有第一流量变送器18，氢气管路第一级N21和氢气管路第二级N22上均设置有第二流量变送器28。即可以通过天然气
管路第一级N11的第一流量变送器18控制天然气管路第一级N11的天然气流量，通过天然气
管路第二级N12上的第一流量变送器18控制天然气管路第二级N12的天然气流量；还可以通
过氢气管路第一级N21上的第二流量变送器28控制氢气管路第一级N21的氢气流量，通过氢
气管路第二级N22上的第二流量变送器28控制氢气管路第二级N22的氢气流量。

[0046] 天然气管路第一级N11上的仪器量程与天然气管路第二级N12上的仪器量程不同，具体的，天然气管路第一级N11上的仪器量程大于天然气管路第二级N12上的仪器量程，可
以根据所需天然气通气量，选择采用天然气管路第一级N11或天然气管路第二级N12进行通
气，从而保障在天然气通气过程中，支路上的仪器均处于最适工作范围内，不会因为快速来
回震荡导致计量不准，能够保障天然气管道N1的控制精度。

[0047] 同样的，氢气管路第一级N21上的仪器量程与氢气管路第二级N22上的仪器量程不同，具体的，氢气管路第一级N21上的仪器量程大于氢气管路第二级N22上的仪器量程，可以
根据所需氢气通气量以及掺氢比例，选择采用氢气管路第一级N21或氢气管路第二级N22进
行通气，从而保障在氢气通气过程中，支路上的仪器均处于最适工作范围内，不会因为快速
来回震荡导致计量不准，能够保障氢气管道N2的控制精度，使得混合气中的掺氢比例控制
更加精确。

[0048] 在一些实施方式中，所述天然气入口端和第一交点A之间依次设置有第一氮气吹扫口110、第一压力表11、第一温度表12、第一球阀13、第一过滤器14、第一稳定阀15和第一
放空阀16；所述氢气入口端和第三交点C之间依次设置有第二氮气吹扫口210、第二放空阀
26、第二压力表21、第二温度表22、第二球阀23、第二过滤器24、第二稳定阀25。

[0049] 第一氮气吹扫口110、第一压力表11、第一温度表12、第一球阀13、第一过滤器14、第一稳定阀15和第一放空阀16均可与PLC控制系统连接，从而构建监测、调控天然气管道N1
的系统。第一氮气吹扫口110安装于天然气入口端，用于保障天然气入口端的管道洁净度和
管道安全；第一压力表11、第一温度表12分别用于检测管道内的压力和温度；第一球阀13用
于控制管道开合；第一过滤器14用于过滤管道中的杂质；第一稳定阀15和第一放空阀16用
于控制管道的压力。

[0050] 同时，第一稳定阀15和第一放空阀16之间还可设置有第一温度表12，能够在调压或放空过程中，观察温度变化，从而对管道内部情况实时监控。

[0051] 第二氮气吹扫口210、第二放空阀26、第二压力表21、第二温度表22、第二球阀23、第二过滤器24、第二稳定阀25均可与PLC控制系统连接，从而构建监测、调控氢气管道N2的
系统。第二氮气吹扫口210安装于氢气入口端，用于保障氢气入口端的管道洁净度和管道安
全；第二压力表21、第二温度表22分别用于检测管道内的压力和温度；第二球阀23用于控制
管道开合；第二过滤器24用于过滤管道中的杂质；第二稳定阀25和第二放空阀26用于控制
管道的压力。

[0052] 同时，第二过滤器24和第二稳定阀25之间还可设置第二切断阀27，当氢气管道N2内温度、压力不正常时，及时进行切断，防止氢气外泄。

[0053] 一些实施方式中，第一流量变送器18与第一交点A之间设置有第一切断阀17，所述第一流量变送器18与第二交点B之间设置有第一球阀13；第一切断阀17和第一球阀13均用
于控制天然气管路第一级N11以及天然气管路第二级N12的开合，并保障支路安全。第一切
断阀17和第一球阀13均可与PLC控制系统连接，从而构建监测、调控天然气管路第一级N11
以及天然气管路第二级N12的系统。

[0054] 第二交点B和混合器30之间还可设置有第一止回阀19，使得天然气固定方向流动，防止其逆流导致流量监测不准。

[0055] 在一些实施方式中，多级所述氢气管路上均设置有流量调节阀211，所述流量调节阀211位于所述第二流量变送器28与所述第四交点D之间，所述流量调节阀211与第四交点D
之间设置有第二球阀23；所述第二流量变送器28与第三交点C之间设置有第二球阀23。流量
调节阀211用于与第二流量变送器28配合，共同对管道的开合以及开度进行调节，从而调控
气路管道内通过的气体量。第二球阀23用于控制氢气管路第一级N21以及氢气管路第二级
N22的开合，并保障支路安全。第二球阀23可与PLC控制系统连接，从而构建监测、调控氢气
管路第一级N21以及氢气管路第二级N22的系统。

[0056] 在一些实施方式中，所述混气管道N3上还设置有缓冲罐38；缓冲罐38能够存储混合器30中混好的掺氢天然气，当掺氢天然气需求量较少时，直接利用缓冲罐38内存储的气
体进行供给，能够提高供给效率，从而防止天然气管道N1和氢气管道N2上的仪器指针由于
掺氢天然气需求量较少而掉至低点，导致仪表读数过低，防止仪器来回震荡导致的计量不
准。

[0057] 第四交点D与混合器30之间还可设置有第二止回阀29，使得氢气固定方向流动，防止其逆流导致流量监测不准。并且，由于氢气具有低含量泄露便易燃易爆的特点，还可在第
二止回阀29和第四交点D之间设置有第二温度表22和第二压力表21。

[0058] 在一些实施方式中，所述混合器30和所述缓冲罐38之间依次设置有第三压力表31、第三温度表32、第三氮气吹扫口310、第三球阀33、阻火阀34、氢气分析仪35和第三切断
阀37。第三压力表31、第三温度表32、第三氮气吹扫口310、第三球阀33、阻火阀34和第三切
断阀37可与PLC控制系统连接，从而构建监测、调控混气管道N3的系统。其中，第三压力表
31、第三温度表32分别用于检测管道内的压力和温度；第三氮气吹扫口310安装于混合器30
的出口端与混气管道N3的连接处，用于保障管道洁净度和管道安全；第三球阀33和第三切
断阀37用于控制管道的开合，保障管道安全；阻火阀34用于阻止火焰传播，防止火灾发生时
火焰蔓延至管道内引发气体爆炸。

[0059] 氢气分析仪35能够分析掺氢天然气的掺氢均匀度以及气体量；氢气分析仪35与PLC控制系统相连，可以通过PLC控制系统调节天然气和氢气的输送量，达到精确控制掺氢
比例的效果；氢气分析仪35可分布设置于混气管道N3同一截面的不同位置，用于检测掺混
的均匀度以及氢气掺混的量，计算掺氢比例。即氢气分析仪35可为若干个，设置于混气管道
N3同一截面的不同位置。

[0060] 混合器30上可设置有差压计301，用于测定天然气管道N1和氢气管道N2通入的气体的流量值，以达到精确控制天然气中掺氢比例的作用。并且混合器30上还可设置有排污
口302，用于排出内部的杂质。

[0061] 缓冲罐38上可设置有截止阀36、第三温度表32和第三放空阀39；截止阀36用于截断缓冲罐38内的液体，第三温度表32用于检测缓冲罐38内的温度，第三放空阀39用于紧急
时刻放空缓冲罐38内的气体。

[0062] 具体的，多级天然气掺氢装置上的所有设备及仪表均可以PLC控制系统相连，以达到各设备和仪表实时检测、控制的效果，提高自动化程度，使得装置能够一体化控制。

[0063] 设置具体实施例1‑2以及具体对比例1‑2。

[0064] 具体实施例1，所需要的掺氢天然气供气量为0‑20000Nm3/h，其中天然气需求量0‑3 3 3
16000Nm/h，氢气需求量0‑4000Nm/h，掺氢比20％。如果选取缓冲罐的水容积为1m，根据计
算可得k为13级。

[0065] 多级所述天然气管路可为13级，天然气管路第一级N11的流量范围为3200‑3 3
16000Nm/h，天然气管路第二级N12的流量范围为960‑4800Nm/h，天然气管路第三级的流量
3 k k‑1 k‑1
范围为288‑1440Nm/h，天然气管路第k级的流量范围为0.2×1.5 ×0.8×20000到0.2
k‑1 3
×1.5 ×0.8×20000Nm/h。

[0066] 多级所述氢气管路可为13级，即包括氢气管路第一级N21、氢气管路第二级N22和氢气管路第三级等，总共13条氢气管路；且氢气管路第一级N21的流量范围为800.0‑
3 3
4000Nm /h，氢气管路第二级N22的流量范围为240‑1200Nm /h，氢气管路第三级的流量范围
3 k k‑1 k‑1 k‑1
为72‑360Nm/h，氢气管路第k级的流量范围为0.2×1.5 ×0.2×20000到0.2 ×1.5 ×
3
0.2×20000Nm/h。

[0067] 具体实施例2，与具体实施例1的区别在于该方案不包括缓冲罐。

[0068] 具体对比例1，与具体实施例1的区别在于该方案级数较少，多级所述天然气管路和多级所述氢气管路均只有6级，各管路的流量范围均与具体实施例1相同。

[0069] 具体对比例2，与具体实施例1的区别在于该方案级数较少，多级所述天然气管路和多级所述氢气管路均只有6级，各管路的流量范围均与具体实施例1相同；并且不包括缓
冲罐。

[0070] 本申请的第二实施例还提供一种天然气掺氢方法，采用第一实施例或其实施方式的多级天然气掺氢装置进行天然气管道掺氢，包含以下步骤：S1：根据掺氢天然气的最大设
计需求量Qm和掺氢天然气的目标供应需求量Q，PLC控制系统设定掺氢比例λ。

[0071] S2：根据掺氢天然气的目标供应需求量Q和掺氢比例λ，控制第一流量变送器的开度、第二流量变送器的开度、混合器的开合和缓冲罐的开合，从而进行天然气掺氢。

[0072] 具体的，由第一流量变送器计量天然气流量、第二流量变送器计量氢气流量，计算后PLC控制系统给出信号，第一流量变送器、第二流量变送器根据掺氢比例调节开度进行粗
调；可在混气管道上设置精度高的氢气分析仪，由混气管道中的氢气分析仪进行二次校准，
经过与掺氢比例的设定值比较后，再次反馈信号给第一流量变送器、第二流量变送器，进行
精调，提高对最终获得的掺氢天然气的掺氢比例的精度控制。

[0073] 多级所述天然气管路为k级，其中，k为整数，k≥2；k级所述天然气管路依次包括天然气管路第一级、天然气管路第二级，至天然气管路第k级；多级所述氢气管路为k级，其中，
k为整数，k≥2，k级所述氢气管路依次包括氢气管路第一级、氢气管路第二级，至氢气管路
第k级。

[0074] 其中，所述根据掺氢天然气的目标供应需求量Q和掺氢比例λ，控制第一流量变送器的开度、第二流量变送器的开度、混合器的开合，包括以下步骤：

[0075] 当掺氢天然气的目标供应需求量Q为20％Qm至100％Qm时，开启天然气管路第一级的第一流量变送器和氢气管路第一级的第二流量变送器，关闭其余第一流量变送器和第二
流量变送器。

[0076] 当掺氢天然气的目标供应需求量Q为0.2x×1.5x‑1Qm到0.2x‑1×1.5x‑1Qm时，开启天然气管路第x级的第一流量变送器和氢气管路第x级的第二流量变送器，关闭其余第一流量
变送器和第二流量变送器，其中，1≤x≤k。具体的，x为整数。

[0077] 其中，掺氢比例λ(％)依据GB55009内对12T天然气热值和华白数的规定，一般在5‑20％(体积比)内；在进行天然气掺氢过程中，天然气管道的供气量为(1‑λ)Qm，氢气管道的
供气量为λQm。

[0078] 在一些实施方式中，k级所述天然气管路中，本级的流量上限值为上一级流量下限值的1.5倍，本级的流量下限值是本级流量上限值的20％；所述天然气管路第一级的流量范
围为0.2(1‑λ)Qm至(1‑λ)Qm，所述天然气管路第二级的流量范围为0.06(1‑λ)Qm至0.3(1‑λ)k k‑1 k‑1 k‑1
Qm，所述天然气管路第k级的流量范围为0.2×1.5 (1‑λ)Qm到0.2 ×1.5 (1‑λ)Qm。

[0079] k级所述氢气管路中，本级的流量上限值为上一级流量下限值的1.5倍，本级的流量下限值是本级流量上限值的20％；所述氢气管路第一级的流量范围为0.2λQm至λQm，所述
k
氢气管路第二级的流量范围为0.06λQm至0.3λQm，所述氢气管路第k级的流量范围为0.2 ×
k‑1 k‑1 k‑1
1.5 λQm到0.2 ×1.5 λQm。

[0080] 具体的，天然气管道、氢气管道、混气管道上的仪表、阀门的最佳工作范围均与上述流量范围一一对应，以提高管道上的仪表、阀门的控制精度。

[0081] 本实施例的天然气掺氢方法，根据掺氢天然气的目标供应需求量Q和掺氢比例λ，控制天然气管道的第一流量变送器的开度、氢气管道的第二流量变送器的开度和混合器的
开合，从而进行天然气掺氢，保障了不同掺氢天然气的目标供应需求量Q条件下，天然气管
道、氢气管道、混气管道的设备和仪表均能够处于最佳工作范围内，防止各设备或仪表由于
快速来回震荡导致计量不准，损伤设备或仪表，从而进一步保障了对通出的混合气体(即掺
氢天然气)的掺氢比例的精确控制。

[0082] 在一些实施方式中，当所述混气管道上包括缓冲罐时，所述根据掺氢天然气的目标供应需求量Q和掺氢比例λ，控制第一流量变送器的开度、第二流量变送器的开度、混合器
的开合，还包括以下步骤：

[0083] 当掺氢天然气的目标供应需求量Q小于0.2k×1.5k‑1Qm时，关闭所有第一流量变送器、第二流量变送器，仅开启缓冲罐。

[0084] 当掺氢天然气的目标供应需求量Q为20％‑100％Qm时，由天然气管路第一级和氢x x‑1
气管路第一级分别提供天然气和氢气；当掺氢天然气的目标供应需求量Q为0.2×1.5 Qm
x‑1 x‑1
到0.2 ×1.5 Qm(1≤x≤k)时，由天然气管路第x级和氢气管路第x级分别提供天然气和
k k‑1
氢气；当掺氢天然气的目标供应需求量Q低于0.2×1.5 Qm时，由缓冲罐提供掺氢天然气。
可以根据掺氢天然气的目标供应需求量Q和掺氢比例λ，控制缓冲罐上设置的阀门，进而控
制缓冲罐的开合程度。

[0085] 具体的，当掺氢天然气的目标供应需求量Q为0.2x‑1×1.5x‑1Qm(1≤x≤k)时，由天然气管路第x级和氢气管路第x级分别提供天然气和氢气；当掺氢天然气的目标供应需求量
x x‑1
Q为0.2×1.5 Qm时，由天然气管路第x+1级和氢气管路第x+1级分别提供天然气和氢气，此
时若x+1级不存在(或x+1＞k)，则由缓冲罐提供掺氢天然气。

[0086] 在一些实施方式中，由缓冲罐提供掺氢天然气时，所述缓冲罐充满后的压力为：其中，P2为缓冲罐充满后的压力，Pa；Qm为掺氢天然气的最大
3
设计需求量，Nm/s；P0为天然气管道的供气压力，Pa；Pm为大气压力，Pa；ρ为掺混比为λ时掺
3 2
氢天然气在标准工况下的密度，kg/m；A为缓冲罐进气口的横截面积，m；ξ为流量系数。

[0087] 所述缓冲罐的水容积应满足关系式： 其中，V缓冲罐为3 3
缓冲罐的水容积，m ；n是充气时间，min；Qm为掺氢天然气的最大设计需求量，Nm/s；Pm为大
气压力，Pa；P2为缓冲罐充满后的压力，Pa；P1为缓冲罐的压力报警值，Pa。优选的，缓冲罐的
3 3
水容积可以根据场站建设场地的需要选取1m到2m，并同时满足上述公式。

[0088] 可选地，所述k为： 其中， C33
＝P1‑P0，其中，Qm为掺氢天然气的最大设计需求量，Nm/s；P0为天然气管道的供气压力，Pa；
3
Pm为大气压力，Pa；ρ为掺混比为λ时掺氢天然气在标准工况下的密度，kg/m；A为缓冲罐进气
2 3
口的横截面积，m；ξ为流量系数；V缓冲罐为缓冲罐的水容积，m ；n是充气时间，min；P1为缓冲罐的压力报警值，Pa。所述k为整数。

[0089] 缓冲罐的充满压力P2最大无法超过上游来流的压力P0，否则要添加压缩机，过小的话，将增大压缩罐的体积，增加投资和安全风险。缓冲罐的体积V缓冲罐过大的话，将增大安全管控风险、同时安全距离消防等也会更加严格，过小的话，将难以起到缓冲的作用，小流量
时会造成上游调压阀开闭振荡。

[0090] k与缓冲罐根据上述关系对应，能够利用合适水容积大小的缓冲罐达到最佳的缓冲补气效果，否则，缓冲罐水容积过大会造成装置占地面积过大从而拉高装置成本，同时消
防设计等级也更严格，而且补气需求少，会导致缓冲罐空置，造成装置的浪费，缓冲罐水容
积过小又无法充分起到缓冲的作用；而天然气管路或氢气管路设置过多会造成装置浪费，
增大装置占地面积和空间，提高装置成本；天然气管路或氢气管路设置过少会造成装置的
掺氢操作的精确度下降。

[0091] 采用本实施例的天然气掺氢方法，分别利用具体实施例1‑2和具体对比例1‑2按次序进行以下三次天然气掺氢操作，以此作为一轮，重复十轮上述操作。其中，具体实施例1‑2
和具体对比例1‑2的各设备、仪表一一对应，均为同一规格，混气管道的流量范围为100‑
3
16000Nm/h。上游供气压力0.4MPa，下游所需的最大压力0.17MPa。

[0092] 第一次：掺氢天然气的目标供应需求量Q为16000Nm3/h，掺氢比例λ为20％(体积比)。

[0093] 第二次：掺氢天然气的目标供应需求量Q为300Nm3/h，掺氢比例λ为20％(体积比)。

[0094] 第三次：掺氢天然气的目标供应需求量Q为20Nm3/h，掺氢比例λ为20％(体积比)。

[0095] 利用具体实施例1的装置重复十轮上述操作，所得掺氢天然气与目标掺氢天然气的掺氢比例的偏差百分比不超过1.5％。利用具体实施例2的装置重复十轮上述操作，在大
流量时所得掺氢天然气与目标掺氢天然气的掺氢比例的偏差百分比约为1.5％，与具体实
施例1无差别，但是在小流量(如第三次的天然气掺氢操作要求)时，由于没有缓冲罐的辅
助，会出现调节阀震荡的情况，无法实现高精度稳定的掺氢工况。即当级数设置合理时，天
然气管路和氢气管路能够部分取代缓冲罐的作用，扩宽可稳定供应的掺氢天然气的目标供
应需求量范围，实现高精度稳定的掺氢工况；但当掺氢天然气减少至微量甚至零流量时，缓
冲罐的设置能够更好地防止各管路中调节阀或者仪表出现震荡，进一步实现高精度稳定的
掺氢工况。

[0096] 利用具体对比例1的装置重复十轮上述操作，由于级数较少，若采用相同精度的调节阀，保证所得掺氢天然气与目标掺氢天然气的掺氢比例的偏差百分比与具体实施例1相
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同为1.5％，则此时计算出的缓冲罐的体积约为3000m ，该体积过大，在设计、施工、运营过
程中均有诸多不便；利用具体对比例2的装置重复十轮上述操作，在大流量时所得掺氢天然
气与目标掺氢天然气的掺氢比例的偏差百分比约为1.5％，与具体实施例1无差别，但是随
着流量逐渐减小(如第二次和第三次的天然气掺氢操作要求)，由于没有缓冲罐的辅助，会
出现调节阀震荡的情况，无法实现高精度稳定的掺氢工况。

[0097] 综上，本申请提供了一种多级天然气掺氢装置及天然气掺氢方法，多级天然气掺氢装置根据掺氢天然气的目标供应需求量Q，通过PLC控制系统设定掺氢比例λ，信号连接天
然气管道、氢气管道和混合器，通过多级天然气管道对天然气进行输送，通过多级氢气管道
对氢气进行输送，在混合器中混合掺杂得到所需掺氢天然气，将掺氢天然气通出使用，使得
混气管道通出的气体混合均匀；其中，通过天然气管道和氢气管道的多级设置，能够对不同
量级的通气量进行分级操作，使得工作状态中的第一流量变送器和第二流量变送器处于最
适工作范围内，能够精确控制掺氢比例，防止第一流量变送器和第二流量变送器等流量调
节仪器快速来回震荡导致的计量不准。

[0098] 最后应说明的是：以上举例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述举例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对
前述各举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申请各举例技术方案的精神和范围。