本發明涉及天然氣管道混氫輸送領域，具體為一種天然氣與氫氣混合均勻用靜態混合裝置及工作方法。

背景技術：

0、技術背景

1、隨著能源結構轉型的不斷推進，尤其是可再生能源和清潔能源技術的日益成熟，氫能作為一種綠色、低碳的替代能源，正逐步在獲得更廣泛的應用。在此背景下，天然氣與氫氣的混合輸送技術成為了能源領域的熱點之一。這項技術不僅可以有效降低二氧化碳排放，促進溫室氣體的減排，還能推動氫能的發展和能源結構的優化。氫氣與天然氣的混合不僅有助于減少環境污染，還能提高能源的利用效率，因此，如何在保證混合效果的同時，確保氣體輸送過程的高效與安全，成為了當前亟需解決的一個關鍵問題。

2、將氫氣摻入天然氣中進行混合輸送，在實現清潔能源利用的同時，對設備的要求也更為嚴格。為了確保天然氣和氫氣的均勻混合，并在管道輸送過程中避免氣流不穩定或分層現象的發生，設計一種能夠在寬流速范圍和變流量條件下高效混合的設備變得尤為重要。如何提升氣體混合的效率，降低設備的能耗，并確保長期運行中的穩定性和可靠性，已經成為天然氣與氫氣混合技術中亟待解決的核心問題。

3、目前，在氣體混合領域，常見的設備類型包括動態混合器和靜態混合器。動態混合器利用外部機械裝置或能量源（例如渦輪、攪拌器等）來促進氣體的混合，雖然其在一定程度上能夠提高混合效果，但其結構復雜、能耗高、設備維護成本大等缺點也十分明顯。此外，動態混合器的運行效率通常受到氣流速度和壓力變化的影響，尤其是在大規模、高流量的應用中，動態裝置的運行會導致效率下降甚至出現故障。

4、與動態混合器相比，靜態混合器因其結構簡單、運行穩定、能效較高且維護要求較低，逐漸成為氣體混合領域的主流選擇。靜態混合器通過內部的靜止元件，如螺旋、網格或擾流片等來改變氣流的流動路徑和湍流程度，從而有效地促進不同氣體成分的混合。其主要優點在于無需外部動力源、能耗低、經濟性強、適用范圍廣、氣體混合均勻。然而，面對天然氣和氫氣這種物理化學性質差異較大的氣體在各種混合比、流量和流速波動的復雜工況混合時，傳統靜態混合器難以適應，如sv型靜態混合器，其sv元件是由一系列波紋板組成的圓柱體，當天然氣和氫氣流入后混合均勻性有限、壓力損失大，因此混合效果低，混合均勻性低。

技術實現思路

1、針對現有技術中存在的問題，本發明提供了一種天然氣與氫氣混合均勻用靜態混合裝置及工作方法，以解決sv型靜態混合器在混合天然氣和氫氣時均勻性低、壓力損失大的問題，通過優化混合單元的結構和排列方式，結合流道孔，不僅能夠適用于不同流量、流速和輸入壓力的復雜工況條件的氣體高效混合需求及穩定運行，還顯著提高了摻混效果和氣體均勻性。

2、一種天然氣與氫氣混合均勻用靜態混合裝置，包括依次連通且固定連接的進氣管道、靜態混合單元和出氣管道：

3、所述進氣管道上開設有天然氣進口和氫氣進口，靜態混合單元內沿自身長度方向開設有若干個貫通靜態混合單元兩側的流道孔，每個流道孔的內壁均間隔固定有扭轉單元和擾流單元；

4、所述扭轉單元包括若干個依次前后平行搭接固定的扭轉元件，每個扭轉元件由兩個直徑相同的半圓形第一扭轉片和第二扭轉片沿流道孔的中心軸上下對稱固定搭接而成，擾流單元包括若干個依次前后拼接固定的擾流元件，每個擾流元件包括橫置擾流件和豎置擾流件，橫置擾流件包括一個橢圓形中心橫擾流層和沿中心橫擾流層上下對稱分布的輔助橫擾流層，豎置擾流件包括一個橢圓形中心豎擾流層和沿中心豎擾流層上下對稱分布的輔助豎擾流層，中心橫擾流層、輔助橫擾流層、中心豎擾流層和輔助豎擾流層均由若干擾流條間隔拼接而成，中心橫擾流層和中心豎擾流層沿流道孔的中心軸相互垂直插接固定。

5、優選的，所述進氣管道包括第一管道和第二管道，出氣管道包括第三管道和第四管道，第一管道和第四管道的內外徑相同，第二管道與第三管道內外徑相同，第一管道的外徑小于第二管道，第一管道和第二管道的結合處設有第一弧形過渡段、第三管道和第四管道的結合處設有第二弧形過渡段，迫使氣流沿不同的路徑流動，從而促進兩種氣體的強制性混合，進一步提高了混合效果，第一弧形過渡段和第二弧形過渡段的彎曲角度相同，均為5度-25度。

6、優選的，所述靜態混合單元為圓柱形、正三棱柱、正四棱柱或正六棱柱的管道，所述管道兩端通過兩對相互對齊的法蘭分別與進氣管道和出氣管道連接，每對相互對齊的法蘭邊緣沿周向均勻開設有若干個螺栓孔，每個螺栓孔中安裝有相應的螺栓。

7、優選的，所述流道孔內壁設有內螺紋，第一扭轉片、第二扭轉片、中心橫擾流層、中心豎擾流層卡合在所述內螺紋中；

8、所述流道孔沿靜態混合單元的橫截面均勻分布有3-17個，孔徑為靜態混合單元橫截面規格的3%-13%，相鄰流道孔的圓心距為靜態混合單元橫截面規格的4%-20%，當靜態混合單元的橫截面為圓形時，相應的規格為直徑，當靜態混合單元的橫截面分別為等邊三角形、正方形和正六邊形時，相應的規格為外接圓直徑。

9、優選的，所述第一扭轉片和第二扭轉片均豎直分布，第一扭轉片的直邊圓心處和第二扭轉片的直邊圓心處固定，第一扭轉片的直邊和第二扭轉片的直邊夾角為30°-45°，第一扭轉片位于下方，第一扭轉片的直邊與流道孔中心軸的夾角為45°-65°。

10、優選的，相鄰兩個所述第一扭轉片或第二扭轉片之間的間距為靜態混合單元長度的0.1%-0.8%，第二扭轉片直邊的前端與前一個第一扭轉片直邊的前端固定，第二扭轉片直邊的后端與后一個第一扭轉片直邊的后端固定。

11、優選的，所述中心橫擾流層、輔助橫擾流層、中心豎擾流層和輔助豎擾流層的兩個表面均分布有均勻的點狀凸起。

12、優選的，所述中心橫擾流層和中心豎擾流層對應的長短軸分別相等，輔助橫擾流層和輔助豎擾流層均為一層，輔助橫擾流層和輔助豎擾流層的一端均為弧形，輔助橫擾流層和輔助豎擾流層的另一端均為直線，其中位于上層的輔助橫擾流層的弧形端與位于下層輔助橫擾流層的直線端對應，位于右側的輔助豎擾流層的弧形端與位于左側輔助豎擾流層的直線端對應，輔助橫擾流層的尺寸小于中心橫擾流層，輔助豎擾流層的尺寸小于中心豎擾流層。

13、優選的，后一個擾流元件的中心豎擾流層最前方的擾流條與前一個擾流元件的中心橫擾流層和輔助橫擾流層最后方的擾流條固定，擾流單元中所有的中心橫擾流層和中心豎擾流層分別平齊分布；

14、每個流道孔中相鄰兩個扭轉單元之間或扭轉單元和擾流單元的間距為靜態混合單元長度的6%-13%。

15、一種天然氣與氫氣混合均勻用靜態混合裝置的工作方法，天然氣從天然氣進氣口流入，氫氣從氫氣進氣口流入，之后通過各個流道孔進入相應的扭轉單元和擾流單元中，第一扭轉片和第二扭轉片逐步引導氣流發生旋轉、分散和重組，橫置擾流件擾亂氣流的軸向流動，產生橫向湍流，豎置擾流件通過高低錯落的排列方式進一步擾亂氣流的徑向分布，增強混合的深度和均勻性，使天然氣與氫氣在靜態混合單元內部被充分接觸并混合均勻，混合后的氣體從出氣口流出，實現天然氣與氫氣高效的均勻混合。

16、與現有技術相比，本發明具有以下有益的技術效果：

17、本發明一種天然氣與氫氣混合均勻用靜態混合裝置，每個流道孔沿氣流方向依次交替布置扭轉單元和擾流單元，形成多級混合單元，通過強化軸向旋轉、徑向擾動和橫向湍流的協同作用，能夠有效減少流體的分層現象，保持氣流的高效混合狀態，從而在不同流量、流速和輸入壓力的復雜工況下都能實現良好的混合效果，混合后的氣體能夠保持較好的均勻性，實現天然氣與氫氣的高效均勻摻混，各流道孔之間的排列方式與氣流的流動路徑高度契合，確保氣流在通過靜態混合單元時，能夠實現穩定且均勻的混合效果，從而保證天然氣與氫氣的最佳摻混效率。扭轉元件的結構設計沿流道孔的方向與氣流方向形成一定的角度，在每次流體通過時逐步引導氣流發生旋轉、分散和重組，從而有效增強天然氣與氫氣的混合效能，橫置擾流件的結構設計沿流道直徑方向傾斜布置，用于擾亂氣流的軸向流動，產生橫向湍流，從而提高兩種氣體的接觸面，增強混合效果；豎置擾流件的結構設計則通過高低錯落的排列方式進一步擾亂氣流的徑向分布，增強混合的深度和均勻性，能夠在無需外部動力源的情況下，實現天然氣與氫氣的高效、均勻混合，保證了氣體混合的可靠性和一致性，能夠根據不同工況靈活調整，方便安裝和維護，還使其能夠根據具體應用需求調整流道孔的數量、混合單元的排列以及整體裝置的尺寸，從而適應不同流量、流速、輸入壓力和氣體混合比例的穩定運行需求，可以承受各種不同的輸入壓力，具有承壓性強，無輸入壓力限制。本發明在保持高摻混效率的同時最大限度降低流體阻力，減少能量損耗，具有顯著的低壓損特性，保證系統的低壓損運行。同時，可拆卸式的設計增強了裝置的適應性，使其能夠靈活應對多樣化的工業需求，不僅提高了裝置的使用效率，還大幅降低了運行和維護成本。這些優點使得本發明在天然氣摻氫、工業氣體處理及相關領域具有廣泛的應用前景和顯著的技術優勢。本發明具有更高的混合效率、更低的能量損耗和更強的靈活性，適用于天然氣摻氫、工業氣體處理等領域。

18、進一步的，中心橫擾流層、輔助橫擾流層、中心豎擾流層和輔助豎擾流層的兩個表面均分布有均勻的點狀凸起，能夠提升湍流強度，擴大兩種氣體的接觸面積，但當流量和流速較大時，降低凸起的高度并增加凸起的間距，可以減少壓降和能量損失。

19、本發明一種天然氣與氫氣混合均勻用靜態混合裝置的工作方法，天然氣與氫氣分別從進氣管道的兩個獨立進氣口（天然氣進氣口和氫氣進氣口）進入靜態混合單元。氣流通過流道孔依次通過扭轉單元和擾流單元。在扭轉單元中，半圓形第一扭轉片和第二扭轉片通過逐步引導氣流發生旋轉、分散和重組，實現氣體的分層與再混合；在擾流單元中，橫置擾流件擾亂氣流的軸向流動，產生橫向湍流，豎置擾流件通過高低錯落的排列方式進一步擾亂氣流的徑向分布，增強混合的深度和均勻性，進一步擾亂氣流的軸向和徑向流動特性，顯著提升混合深度和均勻性，從而使天然氣與氫氣在靜態混合單元內部被充分接觸并混合均勻。混合后的氣體從出氣口排出，能夠達到高均勻性和高效率的混合效果。本發明通彌補了現有技術在不同流量、流速、輸入壓力和氣體混合比例的工況下的不足，同時適用于各種氣體流量和配比需求，具有廣泛的工業應用價值，可用于天然氣摻氫、工業氣體混合及其他相關領域。