一种掺氢天然气向空气泄放过程中自燃的预测及规避方法

技术领域

本发明属于油气管道技术领域，涉及一种掺氢天然气向空气泄放过程中自燃的预测及规避方法。

背景技术

在天然气管道输送行业，氢气由于其不含碳原子、燃烧过程中不产生温室气体或有害物质并且有较高的质量能量密度等特点，被认为是替代传统石油天然气燃料，响应国家“双碳”发展目标的清洁能源的代表。实现氢气大规模、长距离输送的有效手段为通过管道输送，考虑到新建氢气输送管道面临着高昂的成本，当前国内外主要采用将氢气掺入在役天然气输送管线中与天然气进行掺混输送的方法实现氢气的大规模、长距离输送。由于气体在高压压缩后体积减小的特性，无论是天然气还是掺氢天然气，通常都是在高压下进行运输和储存的。由于氢气分子尺寸明显小于甲烷等天然气分子，容易渗透进管道及设备材料诱发氢腐蚀，故采用在役天然气管线输送掺氢天然气时将面临着更大的因管道及设备腐蚀破损而导致的掺氢天然气向空气中泄漏的风险。另外，掺氢天然气在运输和储存的过程中还面临着因生产计划调整而向空气进行放空的情况。由于泄放的掺氢天然气与空气存在较大压差，在泄放时将产生激波对空气进行加热，加热后的空气在局部将达到几百乃至上千摄氏度的温度。

由于氢气具有比甲烷更高的气体声速，使得氢气掺入天然气后将使天然气的气体声速增大，导致掺氢天然气在向空气中泄放时具有更大的激波强度，在同样的泄放条件下掺氢天然气泄放时经激波加热后空气的温度要高于常规天然气。因此掺氢天然气在向空气发生泄放的过程中将面临着比常规天然气泄放时更大的发生局部燃烧的可能，同时由于氢气具有相比甲烷约1/15的最小点火能，使得掺氢天然气在泄放过程中的局部自燃火焰更易维持扩散，更易引燃泄放点周围其他可燃物质引发爆炸等一系列严重后果。在氢气与常规天然气掺混后利用现有天然气输送管线进行输送的大趋势下，寻找一种能经济、便捷地对掺氢天然气在向空气泄放的过程中是否发生自燃进行预测及对自燃进行规避的方法，对于提前对掺氢天然气在不同输送及储存条件下在向空气中泄放时发生自燃的可能性进行预测并采取相应措施对泄放过程中的自燃进行规避，减少泄放时发生严重事故的可能性具有重要的现实意义。

据调查，在现有的专利中，专利CN213180555U《一种掺氢天然气管道用漏气检测装置》设计了一种可以对从管道中泄漏的掺氢天然气进行及时检测的检测装置；CN113090946A《一种促进掺氢天然气管道天然气与氢气混合的蚌式管道结构》设计了一种能促进氢气与天然气在输送管道内混合的蚌式管道结构；CN110578555A《一种瓦斯抽采钻孔自燃危险预测方法》公开了一种对瓦斯抽采过程中钻孔处发生自燃的危险进行预测的方法。但目前尚未有一种能对掺氢天然气在向空气泄放过程中的自燃进行快速低成本预测以及对自燃进行规避的方法，考虑到在“双碳”发展背景下天然气掺氢输送为发展的大趋势，并且掺氢天然气在向空气泄放时发生自燃将比常规天然气更有可能导致一系列严重的后果，故本专利对于提前对掺氢天然气在不同运输和储存条件下在向空气泄放时发生自燃的可能性进行预测，并采取相应措施对泄放过程中的自燃进行规避，最终减少泄放时发生严重事故的可能性是有必要的。

数据采集与监视控制系统(简称SCADA系统)当前在天然气输送行业中应用广泛，可以通过各类仪器仪表对掺氢天然气的组成及管线运行参数进行远程监测及读取，还可以在中央控制室基于监测到的数据使用提前设置的判断逻辑对管线各点工况进行一定的判断，具有数据采集快、分析快、能掌控全局等优点。因此，可使用数据采集与监视控制系统实施本方法，以实现本方法的高效便捷应用。

发明内容

本发明是为了解决当氢气与天然气进行掺混后利用现有天然气输送管线进行输送时，由于氢气具有比甲烷更大的气体声速而导致的掺氢天然气在泄放时激波强度大于常规天然气，泄放出的掺氢天然气是否会因为更高的激波加热后空气温度而发生自燃以及如何提前规避自燃的问题，而提出一种基于天然气输送管线数据采集与监视控制系统能便捷获得管线各处的天然气运行参数以及能快速进行计算的优点，对掺氢天然气向空气泄放过程中的自燃进行预测和规避的方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

上述的一种掺氢天然气向空气泄放过程中自燃的预测及规避方法，包括以下步骤：

步骤1，利用数据采集与监视控制系统取得管线各点处掺氢天然气在泄放前的气质组成及其温度、压力和密度信息；

步骤2，根据掺氢天然气的气质组成及泄放前温度、压力和密度信息，依次计算掺氢天然气在管线各点处泄放前的分子量、比热比和气体局部声速，泄放时的激波马赫数和经激波加热后空气的温度；

步骤3，根据掺氢天然气各组分燃点与计算出的泄放时经激波加热后空气的温度之间的数量关系，对掺氢天然气在管线各点处泄放时自燃的可能性进行预测；

步骤4，根据不同预测结果，采取对应的泄放自燃规避措施。

步骤1中，利用数据采集与监视控制系统取得管线各点处掺氢天然气在泄放前的气质组成及其温度、压力和密度信息，包括掺氢天然气的组成、各组成所占摩尔分数及泄放前的温度、压力和密度。

步骤2中，根据掺氢天然气的气质组成及泄放前温度、压力和密度信息，依次计算掺氢天然气在管线各点处泄放前的分子量、比热比和气体局部声速，泄放时的激波马赫数和经激波加热后空气的温度，计算步骤及内容如下：

S21，根据掺氢天然气各组成气的分子量m

式中，M为掺氢天然气总分子量，m为掺氢天然气各组分气体分子量，y为掺氢天然气各组分气体所占摩尔分数，下标i表示对应不同掺氢天然气组分气体；

S22，根据各组分气体所占摩尔分数y

式中，

S23，根据计算出的掺氢天然气泄放前的总分子量M和比热比γ

式中，a

S24，根据计算出的掺氢天然气泄放前的比热比γ

式中，M

S25，根据计算出的掺氢天然气泄放时的激波马赫数M

式中，T

步骤3中，所述的根据掺氢天然气各组分燃点与计算出的泄放时经激波加热后空气的温度之间的数量关系，对掺氢天然气在管线各点处泄放时自燃的可能性进行预测，根据掺氢天然气各组分燃点之中的最低值T

S31，若T

S32，若T

S33，若T

S34，若T

步骤4中，所述的根据不同预测结果，采取对应的泄放自燃规避措施，根据不同的预测结果，采取的对应泄放自燃规避措施如下：

S41，若预测出掺氢天然气在管线某点处具有高泄放自燃可能性，采取降低掺氢天然气的运行压力或掺氢比，同时确保在管线该点附近无易燃物的泄放自燃规避措施；

S42，若预测出掺氢天然气在管线某点处具有中高泄放自燃可能性，采取在该点附近增设外加通风设施抑制局部燃烧火焰发展的泄放自燃规避措施；

S43，若预测出掺氢天然气在管线某点处具有中泄放自燃可能性，采取严格控制掺氢天然气在该点附近的运输及储存压力或放空压力避免局部超压的泄放自燃规避措施；

S44，若预测出掺氢天然气在管线某点处具有低泄放自燃可能性，不采取泄放自燃规避措施。

本发明采用以上技术方案，可以达到以下有益效果：

(1)本发明提供的一种掺氢天然气向空气泄放过程中自燃的预测及规避方法，能够对掺氢天然气在管线各点处发生向空气中泄放时发生自燃的可能性进行预测，并基于预测结果选择对应的规避措施，能减少掺氢天然气输送过程中发生泄放自燃并导致严重事故后果的风险；

(2)本发明提供的一种掺氢天然气向空气泄放过程中自燃的预测及规避方法，采用理论公式对掺氢天然气在管线各点发生泄放时经激波加热后空气的温度进行计算并与掺氢天然气各组分中的最低燃点进行对比，以预测掺氢天然气在管线各点处发生向空气中泄放时自燃的可能性，并基于预测结果采取对应的规避措施，克服了传统采用实验方法对掺氢天然气在不同条件下向空气泄放过程中自燃的可能性进行预测时会产生高昂成本以及面临未知风险的缺点；

(3)本发明提供的一种掺氢天然气向空气泄放过程中自燃的预测及规避方法，能够结合天然气输送管线中现有的数据采集与监视控制系统进行实施，流程简便、数据处理难度小，可以结合管线实时运行情况在短时间内产生预测结果并生成合适的规避措施，为指导掺氢天然气输送管线制定安全合理的运行参数提供了新的技术方法。

附图说明

图1是本发明一种掺氢天然气向空气泄放过程中自燃的预测及规避方法流程图。

图2是本发明中提到的利用数据采集与监视控制系统读取本方法所需数据流程图。

图3是本发明所述方法进行实现的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例中的附图，对本发明作进一步说明。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。

如图1所示，一种掺氢天然气向空气泄放过程中自燃的预测及规避方法，包括以下步骤：

步骤1，利用数据采集与监视控制系统取得管线各点处掺氢天然气在泄放前的气质组成及其温度、压力和密度信息；

步骤2，根据掺氢天然气的气质组成及泄放前温度、压力和密度信息，依次计算掺氢天然气在管线各点处泄放前的分子量、比热比和气体局部声速，泄放时的激波马赫数和经激波加热后空气的温度；

步骤3，根据掺氢天然气各组分燃点与计算出的泄放时经激波加热后空气的温度之间的数量关系，对掺氢天然气在管线各点处泄放时自燃的可能性进行预测；

步骤4，根据不同预测结果，采取对应的泄放自燃规避措施。

具体实施例

某地区的一条输气管线，为响应“双碳”发展路线，使用原天然气输送管线输送掺氢天然气，在管线不同点处的掺氢天然气具有不同的运输或储存压力、温度以及掺氢比。现根据本发明方法对该输气管线中的掺氢天然气在管线中各点处发生向空气泄放时的自燃可能性进行预测并提出规避措施，实施步骤如下：

步骤1，根利用数据采集与监视控制系统取得管线各点处掺氢天然气在泄放前的气质组成及其温度、压力和密度信息，取得的3个管道点位和1个放空点位处掺氢天然气在泄放前的各运行参数如表1所示：

表1掺氢天然气在管线4个点位处泄放前的运行参数

步骤2，根据掺氢天然气的气质组成及泄放前温度、压力和密度信息，依次计算掺氢天然气在管线各点处泄放前的分子量、比热比和气体局部声速，泄放时的激波马赫数和经激波加热后空气的温度：

S21，由公式(1)计算出各泄放点掺氢天然气泄放前的分子量结果见表2：

表2各泄放点掺氢天然气泄放前的分子量计算结果

S22，在计算掺氢天然气各组分比热比时，公式(2)中常见气体的各计算系数值见表3：

表3公式(2)中常见气体各计算系数值

计算出4个管道点位处掺氢天然气各组分在理想状态下的比热容、由公式(3)计算出的掺氢天然气在理想状态下的总比热容、由公式(4)计算出的掺氢天然气在各管道点位处的定容热容、由公式(5)计算出的掺氢天然气在各管道点位处的定压热容和由公式(6)计算出的掺氢天然气在泄放前的比热比结果见表4：

表4掺氢天然气在各管道点位处的比热容及比热比计算结果

S23，由公式(7)计算出的掺氢天然气在管道各点位处泄放前局部声速结果见表5：

表5掺氢天然气在管道各点位处泄放前局部声速

其中气体常数R取8.314J/(mol·K)；

S24，由公式(8)计算出的掺氢天然气在管道各点位处泄放时的激波马赫数结果见表6：

表6掺氢天然气在管道各点位处泄放时的激波马赫数

其中空气中的声速a

S25，由公式(9)计算出的掺氢天然气在各管道点位处泄放时经激波加热后空气的温度结果见表7：

表7掺氢天然气在各管道点位处泄放时经激波加热后空气的温度

其中空气比热比γ

步骤3，根据掺氢天然气各组分燃点与计算出的泄放时经激波加热后空气的温度之间的数量关系，对掺氢天然气在管线各点处泄放时自燃的可能性进行预测，预测步骤及结果如下：

S31，在4个管线点位处的掺氢天然气的子组分气体类别一致，取CH

S32，管道点位1处空气经激波加热后温度T

S33，管道点位2处空气经激波加热后温度T

S34，管道点位3处空气经激波加热后温度T

S34，放空点处空气经激波加热后温度T

步骤4，根据不同预测结果，采取对应的泄放自燃规避措施，根据步骤3对管线各点位处掺氢天然气具有的泄放自燃风险可能性，采取的泄放自燃规避措施如下：

S41，管道点位1处具有高泄放自燃可能性，采取降低掺氢天然气的运行压力或掺氢比，同时确保在管线该点附近无易燃物的泄放自燃规避措施；

S42，管道点位2处具有中高泄放自燃可能性，采取在该点附近增设外加通风设施抑制局部燃烧火焰发展的泄放自燃规避措施；

S43，管道点位3处具有中泄放自燃可能性，采取严格控制掺氢天然气在该点附近的运输及储存压力或放空压力避免局部超压的泄放自燃规避措施；

S44，放空点处具有低泄放自燃可能性，不采取泄放自燃规避措施。

若在天然气输送管线中采用实验方法对掺氢天然气在不同条件下向空气中泄放时发生自燃的可能性，则不仅会产生高昂的成本，还可能面临泄放出的掺氢天然气自燃后引燃其他可燃物最终造成爆炸等一系列严重的风险后果，不利于天然气输送管线的安全稳定运行。

本发明提供了一种基于天然气输送管线中现有数据采集与监视控制系统对掺氢天然气在运输和储运过程中在管线不同点位处向空气泄放时发生自燃的可能性进行预测并采取措施对自燃进行规避的方法。该方法实现速度快，成本低，克服了在天然气输送管线中采用实验方法对掺氢天然气在管线不同点位处的泄放自燃可能性进行评价会导致高昂成本以及面临未知风险的不足，还能根据不同预测结果采取对应的泄放自燃规避措施，助力天然气输送管线的安全稳定运行。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。