本发明涉及掺氢天然气管网分输站的分离与提纯相关领域，具体涉及一种用于掺氢天然气站场的管道下载气氢含量控制装置及方法。
背景技术：
1、目前，利用在役天然气长输管道进行掺氢输送是实现氢能产业规模发展的必然路径。天然气长输管道沿线分输用户多，不同用户对天然气含氢量的要求不同，因此在长输管道的沿线分输站及末端分输站均需设置掺氢天然气长输管道下载气氢含量调配系统，以满足不同用户对天然气可接受掺氢比例的要求。
2、氢气分离提纯技术包括膜分离技术、变压吸附技术、深冷分离技术等，深冷分离工艺适用于氢含量很低的原料气，氢气产品纯度高，但投资成本较高、运行成本高、系统操作困难，目前未广泛应用；变压吸附工艺在氢气的分离提纯领域，特别是中小规模制氢，己占主导地位，但此单一工艺不适用于掺氢比小于30％的掺氢天然气长输管道领域；膜分离技术能耗低，装置结构简单，占地面积小，适用于天然气站场氢气分离场景。
3、长输天然气管网分输站中需要将天然气由高压降至低压，过程中蕴藏着丰富的压力能资源。目前压力能主要通过发电与制冷两种形式进行回收利用。世界范围内，压差发电制冷技术已成熟，然而，由于压差发电及制冷工艺生产的产品消纳困难，该技术未能广泛推广。
4、掺氢天然气站场膜分离工艺能够充分利用压力能，进行天然气氢气的分离过程。例如余华杰公开了一种基于压力能回收的氢气天然气混输与分离装置及方法，实现了压力能的回收，降低氢气分离的能耗；相比于现有的氢气运输手段，利用天然气掺氢运输终端分离，实现氢气的大规模低成本的运输。但其未能针对掺氢天然气管网不同的用户类型进行差异化的产品气供给。
技术实现思路
1、本发明为了解决现有技术存在技术问题的一种或几种，提供了一种用于掺氢天然气站场的管道下载气氢含量控制装置及方法。
2、本发明解决上述技术问题的技术方案如下：用于掺氢天然气站场的管道下载气氢含量控制装置，包括第一三通阀、第二三通阀、第三三通阀、第一换热器、第二换热器、一级氢气分离器、二级氢气分离器和三级氢气分离器，上游掺氢天然气气源通过第一三通阀分别与分输站下游天然气管道和第一换热器的管程入口连接，所述第一换热器的管程出口通过管路与一级氢气分离器的入口连接；
3、所述一级氢气分离器的一级分离氢气出口通过第二三通阀分别与二级氢气分离器的入口和压缩机的入口连接，所述一级氢气分离器的一级分离天然气出口通过第三三通阀分别与三级氢气分离器的入口和膨胀机的入口连接，所述二级氢气分离器的二级分离氢气出口通过管路与压缩机的入口连接，所述二级氢气分离器的二级分离天然气出口通过管路与膨胀机的入口连接，所述三级氢气分离器的三级分离氢气出口通过管路与所述压缩机的入口连接，所述三级氢气分离器的三级分离天然气出口通过管路与膨胀机的入口连接；
4、所述压缩机的出口通过管路与所述第一换热器的壳程入口连接，所述第一换热器的壳程出口还通过管路与第二换热器的管程入口连接；
5、所述膨胀机的出口通过管路与所述第二换热器的壳程入口连接，所述第二换热器的管程出口与分输站下游天然气管道连接。
6、本发明的有益效果是：本发明用于掺氢天然气站场的管道下载气氢含量控制装置，通过充分利用天然气管网压力能，能够大幅度降低实现氢气分离提纯系统能耗，提高掺氢天然气管网系统综合效益；通过设置多级氢气分离工艺，选择合适的氢气分离技术，可通过优化控制逻辑，能够实现针对掺氢天然气管网不同的用户类型进行差异化的产品气供给。
7、在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
8、进一步，所述第一换热器的管程出口与一级氢气分离器的入口之间的连接管路上设有加热器。
9、采用上述进一步方案的有益效果是：通过设置加热器，如果上游天然气温度达不到预设要求，可以通过加热器进行加热。
10、进一步，所述一级氢气分离器、二级氢气分离器和三级氢气分离器均为膜分离装置。
11、进一步，所述压缩机的入口管路上设有第一四通阀，所述第一四通阀的第一接口通过管路与压缩机的入口管路连接，所述第一四通阀的第二接口通过管路与所述二级氢气分离器的二级分离氢气出口连接，所述第一四通阀的第三接口通过管路与所述三级氢气分离器的三级分离氢气出口连接，所述第一四通阀的第四接口通过管路与所述第二三通阀的一个接口连接。
12、采用上述进一步方案的有益效果是：通过设置第一四通阀，方便与多级分离系统进行连接。
13、进一步，所述膨胀机的入口管路上设有第二四通阀，所述第二四通阀的第一接口通过管路与膨胀机的入口管路连接，所述第二四通阀的第二接口通过管路与所述三级氢气分离器的三级分离天然气出口连接，所述第二四通阀的第三接口通过管路与所述二级氢气分离器的二级分离天然气出口连接，所述第二四通阀的第四接口通过管路与所述第三三通阀的一个接口连接。
14、进一步，所述分输站下游天然气管道连接有第四三通阀，所述第四三通阀的第一接口通过管路与分输站下游天然气管道连接，所述第四三通阀的第二接口通过管路与第一三通阀的一个接口连接，所述第四三通阀的第三接口通过管路与所述第二换热器的管程连接。
15、进一步，所述第二换热器的壳程出口与天然气产品装置连接。
16、进一步，所述第一三通阀与分输站下游天然气管道之间的管路上还设有调压装置。
17、采用上述进一步方案的有益效果是：调压装置可以将经过分离的氢气调整至用户需要的压力要求。
18、进一步，所述一级氢气分离器的一级分离氢气出口、二级氢气分离器的二级分离氢气出口、三级氢气分离器的三级分离氢气出口、一级氢气分离器的一级分离天然气出口、二级氢气分离器的二级分离天然气出口和三级氢气分离器的三级分离天然气出口处均设有组分检测装置。
19、采用上述进一步方案的有益效果是：通过组分检测装置，可以检测分离出的产品纯度是否达到设定要求。
20、用于掺氢天然气站场的管道下载气氢含量控制方法，采用上述用于掺氢天然气站场的管道下载气氢含量控制装置实现，包括以下步骤：
21、当上游掺氢天然气气源中氢气含量满足下游天然气用户要求时，上游掺氢天然气气源通过第一三通阀与分输站下游天然气管道连通，直接进入分输站下游天然气管道中；
22、当上游掺氢天然气气源中氢气含量不满足下游用户要求时，上游掺氢天然气气源通过第一三通阀与第一换热器的管程入口连通，经过换热后的掺氢天然气通过一级氢气分离器进行分离，分离后的一级氢气中氢气含量满足下游用户要求时，一级氢气通过第二三通阀并经压缩机压缩后再经过第一换热器的壳程和第二换热器的管程进行热交换后输送至分输站下游天然气管道，经一级氢气分离器分离的一级天然气中天然气含量满足下游用户要求时，一级天然气通过第三三通阀并经膨胀机膨胀后再经过第二换热器进行热交换后输送至下游天然气装置；
23、当分离后的一级氢气中氢气含量不满足下游用户要求时，一级氢气通过第二三通阀进入二级氢气分离器中再次进行分离，分离后的二级氢气经压缩机压缩后再经过第一换热器的壳程和第二换热器的管程进行热交换后输送至分输站下游天然气管道，经二级氢气分离器分离的二级天然气经膨胀机膨胀后再经过第二换热器进行热交换后输送至下游天然气装置；
24、当分离后的一级天然气中天然气含量不满足下游用户要求时，一级天然气通过第三三通阀进入三级氢气分离器中再次进行分离，分离后的三级天然气经膨胀机膨胀后再经过第二换热器进行热交换后输送至下游天然气装置，分离后的三级氢气经压缩机压缩后再经过第一换热器的壳程和第二换热器的管程进行热交换后输送至分输站下游天然气管道。
25、本发明的有益效果是：本发明的控制方法，通过设置多级氢气分离工艺，选择合适的氢气分离技术，能够实现针对掺氢天然气管网不同的用户类型进行差异化的产品气供给。
1.用于掺氢天然气站场的管道下载气氢含量控制装置，其特征在于，包括第一三通阀、第二三通阀、第三三通阀、第一换热器、第二换热器、一级氢气分离器、二级氢气分离器和三级氢气分离器，上游掺氢天然气气源通过第一三通阀分别与分输站下游天然气管道和第一换热器的管程入口连接，所述第一换热器的管程出口通过管路与一级氢气分离器的入口连接；
2.根据权利要求1所述用于掺氢天然气站场的管道下载气氢含量控制装置，其特征在于，所述第一换热器的管程出口与一级氢气分离器的入口之间的连接管路上设有加热器。
3.根据权利要求1所述用于掺氢天然气站场的管道下载气氢含量控制装置，其特征在于，所述一级氢气分离器、二级氢气分离器和三级氢气分离器均为膜分离装置。
4.根据权利要求1所述用于掺氢天然气站场的管道下载气氢含量控制装置，其特征在于，所述压缩机的入口管路上设有第一四通阀，所述第一四通阀的第一接口通过管路与压缩机的入口管路连接，所述第一四通阀的第二接口通过管路与所述二级氢气分离器的二级分离氢气出口连接，所述第一四通阀的第三接口通过管路与所述三级氢气分离器的三级分离氢气出口连接，所述第一四通阀的第四接口通过管路与所述第二三通阀的一个接口连接。
5.根据权利要求1所述用于掺氢天然气站场的管道下载气氢含量控制装置，其特征在于，所述膨胀机的入口管路上设有第二四通阀，所述第二四通阀的第一接口通过管路与膨胀机的入口管路连接，所述第二四通阀的第二接口通过管路与所述三级氢气分离器的三级分离天然气出口连接，所述第二四通阀的第三接口通过管路与所述二级氢气分离器的二级分离天然气出口连接，所述第二四通阀的第四接口通过管路与所述第三三通阀的一个接口连接。
6.根据权利要求1所述用于掺氢天然气站场的管道下载气氢含量控制装置，其特征在于，所述分输站下游天然气管道连接有第四三通阀，所述第四三通阀的第一接口通过管路与分输站下游天然气管道连接，所述第四三通阀的第二接口通过管路与第一三通阀的一个接口连接，所述第四三通阀的第三接口通过管路与所述第二换热器的管程连接。
7.根据权利要求1所述用于掺氢天然气站场的管道下载气氢含量控制装置，其特征在于，所述第二换热器的壳程出口与天然气产品装置连接。
8.根据权利要求1所述用于掺氢天然气站场的管道下载气氢含量控制装置，其特征在于，所述第一三通阀与分输站下游天然气管道之间的管路上还设有调压装置。
9.根据权利要求1所述用于掺氢天然气站场的管道下载气氢含量控制装置，其特征在于，所述一级氢气分离器的一级分离氢气出口、二级氢气分离器的二级分离氢气出口、三级氢气分离器的三级分离氢气出口、一级氢气分离器的一级分离天然气出口、二级氢气分离器的二级分离天然气出口和三级氢气分离器的三级分离天然气出口处均设有组分检测装置。
10.用于掺氢天然气站场的管道下载气氢含量控制方法，其特征在于，采用权利要求1至9任一项所述用于掺氢天然气站场的管道下载气氢含量控制装置实现，包括以下步骤：
