[发明专利]基于氢气积聚控制的含氢天然气管道安全保障系统及方法

说明书

本发明公开了一种基于氢气积聚控制的含氢天然气管道安全保障系统及方法，系统包括干线系统、阀室系统、沿途监测系统和控制系统。本发明在明确管道抗氢损伤能力(材料最低氢损伤分压)和氢气聚集分压安全值的基础上，利用流场分析软件进行典型长直管道介质压力和停输时间对停输后体系氢气聚集浓度的影响规律模拟，制定以局部氢分压达到氢气聚集分压安全值为限的安全停输时间标准，并进一步利用管道配置的阀室系统安装沿程监测系统，以实时测量多点的氢气聚集浓度和计算氢气聚集分压，以从停输时间和实时浓度测量这两个角度控制管道间歇性进行指标超限后的排放，以兼顾管道停输安全和减少持续排放。

技术领域

本发明涉及一种基于氢气积聚控制的含氢天然气管道安全保障系统及方法。

背景技术

氢气作为新能源重要发展方向之一，与传统化石燃料相比，其具有热值高、产物不污染环境、来源广泛、可再生的显著优势，被称为未来的清洁能源，将成为人类未来解决日益严峻的能源和环境问题的一条新途径。鉴于我国能源分布的特点，西部地区天然气、风电能、水电能等资源相对丰富，且随着能源利用效率提高，利用天然气附属产品裂解所制氢气、风电能或水电能电解水所制氢气的技术日益成熟且存在市场需求。产出的氢气加入已建天然气管道进行长距离输送，具有氢气资源远程调度或直接提高天然气清洁度的优点，是一种较为高效的氢气利用手段。这类管道称为含氢天然气管道，其氢气掺混浓度一般低于10％(体积分数)，且大多需要复核并满足已建天然气管道的材质要求。

氢气在钢制管道中高压输送时，氢损伤是管道安全保障的关键控制问题。通过较为准确地氢气浓度、操作压力、操作温度等综合比选分析后，确定管道材料性能，以保障输送安全。对于含氢天然气管道，若以掺混氢气浓度作为管道选材评价依据，在混氢天然气体系流动状态下是可行的。然而，需要注意的是，氢气的摩尔质量远低于天然气，虽然流动过程中可保证体系介质较好混合，但在管道停输时，管道中留存的氢气-天然气介质将发生较为明显的分层现象，这将导致管道局部氢气分压高于设计工况。尤其对于拟掺混氢气输送(原始氢气浓度小于10％)的已建天然气管道，一般采用较高钢级的管材，一旦发生停输后聚集引起的氢气局部浓度过高，可能引起管道氢损伤风险，因此对于停输后氢气聚集的问题应当引起重视。

目前，由于含氢天然气输送为未来热门技术，相关关键技术尚处于研发与分析阶段，前述对于氢气积聚问题的解决技术亦尚无公开报道。因此，为推动含氢天然气管道输送技术发展，提高含氢天然气管道输送的本质安全，结合含氢天然气管道运行和组分分布规律，有必要对基于氢气聚集的安全运行问题开展全面的控制和保障方法研究，并提出可行的实施方案。

发明内容

为了克服现有技术的缺点，本发明提供了一种基于氢气积聚控制的含氢天然气管道安全保障系统及方法，基于管道停输过程中氢气分布规律和分布浓度的模拟预测，确定不同压力下氢气聚集浓度不超过安全设定浓度的的带压停输时间；采用间隔式停输-泄放模式，在停输且氢气聚集浓度超过对应停输压力安全值后进行短期泄放，保持管道系统介质充分扰动、混合，破坏氢气-天然气分层及降低系统压力，并再次停输，以此循环，最终达到大幅延长允许停输时间、避免介质大量泄放和防止管道氢损伤的效果。

本发明所采用的技术方案是：一种基于氢气积聚控制的含氢天然气管道安全保障系统，包括干线系统、阀室系统、沿途监测系统和控制系统，其中：

所述干线系统包括连接上游站场和下游站场的干线管道；

所述阀室系统为设置在干线管道上的至少两个截断阀室，每个阀室包括干线截断阀和设置在干线截断阀上下游的干线旁路，以及放空管路，在两个干线旁路上均设置有压力变送器和旁路截断阀，在放空管路上设置有放空阀；

所述沿途监测系统设置在阀室内，包括取样管路和设置在取样管路上的两个取样截断阀，以及在两个取样截断阀之间设置的气体取样分析设备；

所述控制系统为基于系统模拟停输聚集结果与沿途监测系统监测结果比对，对沿线阀室系统放空阀门开关联锁的控制系统。