一种测试掺氢天然气中气体组分分布的装置和方法

技术领域

本发明属于掺氢天然气技术，特别涉及一种测试掺氢天然气中气体组分分布的装置和方法。

背景技术

随着我国能源结构的不断优化，可再生能源发展迅速。虽然以风能和太阳能为代表的可再生能源迅速发展，但是风/光发电的时间间歇性和不可预测性限制其大规模并入主干电网。特别是我国的风/光地理资源分布的不均衡导致了发电中心与负载中心分离，给其大规模应用造成严重的“弃风限电”。

将多余的风电或光电解水制氢，并将制得的氢气掺入天然气，组成掺氢天然气(HCNG)，然后利用现有天然气管网进行输送，最终用作交通燃料、发电燃料以及清洁燃气，被认为是解决大规模风/光电消纳问题的有效途径。在提高可再生能源利用率的同时，还可以带来良好的环境效益，具有广泛的应用前景。但是，与天然气的物化性质不同，高压氢气会劣化金属材料的力学性能，引起材料的氢损伤，如加快疲劳裂纹扩展速率，降低断裂韧度等。掺氢天然气通过长输管道到达气站后，存储在站场内的高压气瓶里，由于长时间静置可能会出现气体分层现象，即混合气体在高压气瓶内出现不同高度之间的组分浓度变化。由于分层后的混合气体会出现氢气浓度差异，而高压条件下的高浓度氢气可能导致高压气瓶金属材料的力学性能发生改变。因此，为了保障站场内存储掺氢天然气气瓶安全，必须开展掺氢天然气气体组分分布的试验研究。

要进行高压气瓶中掺氢天然气静置时气体组分分布的研究，应当在高压掺氢天然气环境下开展气体组分分布的测试。这对相应的试验装置提出了较高的要求。国内外目前缺乏相应的试验装置和测试方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种测试掺氢天然气中气体组分分布的装置和方法。

为解决关键问题，本发明的解决方案是：

提供一种测试掺氢天然气中气体组分分布的装置，包括：天然气瓶组和氢气瓶组，用于分别提供测试所用的天然气和氢气；搅拌釜，内部设有搅拌桨；其入口通过管路分别连接所述天然气瓶组和氢气瓶组，用于混合天然气和氢气以模拟气站存储条件下的掺氢天然气；立式气瓶，其内部设有至少三层隔板，隔板能由阀门控制开合以形成相互独立的内部分区；气动增压泵，通过管路分别连接搅拌釜的出口和立式气瓶的入口；谱分析仪，通过管路连接所述搅拌釜和立式气瓶；其中，在立式气瓶的壁上设置多个气体出口且通过管路与所述色谱分析仪相连，每个气体出口对应着一个内部分区；控制系统，通过信号线连接至所述色谱分析仪，以及搅拌桨和气动增压泵的驱动电机。

作为优先方案，该装置还包括真空泵，其入口端与所述各管路相连。

作为优先方案，该装置还包括连接各设备的支路管路，在该支路管路上设置支路放空阀。

作为优先方案，在所述立式气瓶的顶部设有放空阀门。

作为优先方案，在所述天然气瓶组、氢气瓶组、搅拌釜的出口、色谱分析仪的进口和立式气瓶的气体出口分别设有减压阀门；在所述气动增压泵的出口设有流量控制阀门。

作为优先方案，所述立式气瓶的底部设有底座。

作为优先方案，在所述立式气瓶的瓶壁上，对应每个内部分区设有分区小窗和挂片支架。

本发明进一步提供了利用前述装置测试掺氢天然气中气体组分分布的方法，包括以下步骤：

(1)以真空泵抽掉立式气瓶及各管路内的空气，直到系统内的真空度达到设定值；

(2)根据道尔顿分压公式和氢气在试验条件中总压强的占比大小，计算氢气所需的压强大小；对搅拌釜进行氢气充装，待氢气压力达到计算的设定值；然后对搅拌釜进行天然气充装，直到天然气/氢气混合气体的压力达到设定值，结束气体充装；

(3)启动搅拌釜对混合气体进行搅拌，然后利用色谱分析仪对搅拌釜内的混合气体进行组分测量；若不满足设定的试验条件，则根据测量结果调整混合气体组分，直至釜内混合气体组分满足试验条件；

(4)调节连接隔板的阀门，使立式气瓶中的隔板全部开启，气瓶的内部分区相互连通；

(5)使用气动增压泵使混合气体以设定速率进入立式气瓶，直至瓶内气压达到试验要求，气体充装结束；

(6)将立式气瓶在室温条件下静置72-720小时；

(7)调节连接隔板的阀门，使立式气瓶中的隔板全部关闭，立式气瓶的内部分区相互隔离；依次打开各内部分区对应的阀门，以色谱分析仪测量测定各分区内的气体组分含量，获得混合气体静置分层后各分区的氢气浓度。

作为优先方案，本发明还同时包括利用挂片法获取各分区内的氢浓度数据，根据不同测试方法之间的误差情况来判断测试是否有效；具体包括：

(A)在步骤(1)的操作开始前，利用超高真空氢热脱附装置测量并记录多个挂片金属试样的初始氢气浓度；然后打开立式气瓶的各分区小窗，将各试样分别悬挂在挂片支架上，再封闭分区小窗；

(B)在步骤(7)的操作结束以后，放空立式气瓶中的混合气体，取出试样；利用超高真空氢热脱附装置测量并记录各挂片金属试样的最终氢气浓度，以同一试样的最终浓度减去初始浓度的差值作为混合气体静置分层后各分区的氢气浓度；

(C)将挂片法和色谱分析法各自获得的各分区氢气浓度结果进行对比，如果两种方法测量结果之间的误差小于15％，说明该次测试有效；否则视为测试无效，应重新进行全部的测试操作。

作为优先方案，所述挂片金属试样由奥氏体不锈钢制成(氢扩散系数较小)，长宽尺寸限定在10～15mm，厚度尺寸限定在3～5mm。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明利用隔板对静置72-720小时后的立式气瓶进行物理分区，使气瓶内混合气体充分分层后落入各个分区内，保证各分区内气体浓度稳定不变。

(2)本发明利用色谱分析仪可以分析搅拌釜内天然气/氢气混合气体各组分含量的测量，进而调整混合气体中各组分的含量，可实现氢气/天然气的精确配比。

(3)本发明利用两种途径(挂片法和色谱分析法)分别对立式气瓶内天然气/氢气混合气体在长期静置分层后在各分区中氢气浓度的测量，保证测量结果的准确性，避免出现偶然因素。

(4)本发明所提出的测试装置和测试方法，可以方便、准确地对站场内高压气瓶中掺氢天然气在长期静置分层后的气体组分分布进行测定。

附图说明

图1为本发明的总体装置示意图。

图中：天然气瓶组1、氢气瓶组2、天然气瓶出口减压阀门3、氢气瓶出口减压阀门4、搅拌釜5、搅拌釜出口减压阀门6、色谱分析仪进口减压阀门7、色谱分析仪8、真空泵进口阀门9、真空泵10、气动增压泵11、气动增压泵出口的流量控制阀门12、立式气瓶13、分区一14、分区一小窗15、分区一挂片金属试样及支架16、分区一出口减压阀门17、分区一与分区二之间隔板的控制阀门18、分区二19、分区二小窗20、分区二挂片金属试样及支架21、分区二出口减压阀门22、分区二与分区三之间隔板的控制阀门23、分区三24、分区三小窗25、分区三挂片金属试样及支架26、分区三出口减压阀门27、色谱分析仪与立式气瓶之间的连接阀门28、放空阀门29、控制系统30、支路放空阀31、分区一与分区二之间隔板32、分区二与分区三之间隔板33、立式气瓶底座34。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的实现方式进行描述：

本发明所述测试掺氢天然气中气体组分分布的装置，包括：天然气瓶组1和氢气瓶组2，用于分别提供测试所用的天然气和氢气；搅拌釜5，内部设有搅拌桨；其入口通过管路分别连接天然气瓶组1和氢气瓶组2；立式气瓶13，其内部设有至少三层隔板，隔板能由阀门控制开合以形成相互独立的内部分区；气动增压泵11，通过管路分别连接搅拌釜5的出口和立式气瓶13的入口；色谱分析仪8，通过管路连接搅拌釜5和立式气瓶13；其中，在立式气瓶13的壁上设置多个气体出口且通过管路与色谱分析仪8相连，每个气体出口对应着一个内部分区；控制系统30，通过信号线连接至色谱分析仪8，以及搅拌桨和气动增压泵11的驱动电机。真空泵10，其入口端与所述各管路相连。还包括连接各设备的支路管路，在该支路管路上设置支路放空阀31。

立式气瓶13的顶部设有放空阀门29，底部设有底座；在立式气瓶13的瓶壁上，对应每个内部分区设有分区小窗和挂片支架。在天然气瓶组1、氢气瓶组2、搅拌釜5的出口、色谱分析仪8的进口和立式气瓶13的气体出口分别设有减压阀门；在气动增压泵11的出口设有流量控制阀门12。

本发明中，采用两种方式对立式气瓶内掺氢天然气分层后气体组分进行检测：利用色谱分析仪对各分区内气体组分含量进行测定，利用挂片法对各个分区氢气浓度进行检测。具体包括以下步骤：

(1)以真空泵10抽掉立式气瓶13及各管路内的空气，直到系统内的真空度达到设定值；

(2)道尔顿分压定律中的分压公式：P

(3)启动搅拌釜5对混合气体进行搅拌，然后利用色谱分析仪8对搅拌釜5内的混合气体进行组分测量；若不满足设定的试验条件，则根据测量结果调整混合气体组分，直至釜内混合气体组分满足试验条件；

(4)调节连接隔板的阀门，使立式气瓶13中的隔板全部开启，气瓶的内部分区相互连通；

(5)使用气动增压泵11使混合气体以设定速率进入立式气瓶13，直至瓶内气压达到试验要求，气体充装结束；

(6)将立式气瓶13在室温条件下静置72-720小时；

(7)调节连接隔板的阀门，使立式气瓶13中的隔板全部关闭，立式气瓶13的内部分区相互隔离；依次打开各内部分区对应的阀门，以色谱分析仪8测量测定各分区内的气体组分含量，获得混合气体静置分层后各分区的氢气浓度。

为提高测量准确性，进一步利用挂片法获取各分区内的氢浓度数据，根据不同测试方法之间的误差情况来判断测试是否有效；挂片金属试样由奥氏体不锈钢制成，长宽尺寸限定在10～15mm，厚度尺寸限定在3～5mm。测试过程具体包括：

(A)在步骤(1)的操作开始前，利用超高真空氢热脱附装置测量并记录多个挂片金属试样的初始氢气浓度；然后打开立式气瓶的各分区小窗，将各试样分别悬挂在挂片支架上，再封闭分区小窗；

(B)在步骤(7)的操作结束以后，放空立式气瓶中的混合气体，取出试样；利用超高真空氢热脱附装置测量并记录各挂片金属试样的最终氢气浓度，以同一试样的最终浓度减去初始浓度的差值作为混合气体静置分层后各分区的氢气浓度；

氢浓度与氢分压间的关联计算式可用阿伦尼乌斯方程表示如下：

式中，K表示氢浓度，P表示氢分压，其他通用符号如R＝8.314J/(mol K)，b＝15.84cm

(C)将挂片法和色谱分析法各自获得的各分区氢气浓度结果进行对比，如果两种方法测量结果之间的误差小于15％，说明该次测试有效；否则视为测试无效，应重新进行全部的测试操作。

更为详细的描述内容如下所示：

本实施例所用的掺氢天然气中气体组分分布的测试装置如图1所示，包括提供试验用天然气的天然气瓶组1，提供试验用氢气的氢气瓶组2，天然气瓶组1与氢气瓶组2的排气口连接至搅拌釜5，搅拌釜5的出口分成两路：一路连接至减压阀门7，而后是色谱分析仪8；另一路连接至减压阀门6，而后是气动增压泵11。气动增压泵出口连接10米高的立式气瓶13，立式气瓶13固定在底座34上，立式气瓶13顶端连接放空阀门29，立式气瓶13的三个分区14、19、24分别通过减压阀17、22、27连接至阀门28，而后连接至色谱分析仪8。利用色谱分析仪8可以测量天然气/氢气混合气体中各组分含量，进而调整天然气/氢气混合气体中各组分含量的比值，实现天然气/氢气混合气体的精确配比。上述管路中设置有流量控制阀门12、搅拌釜5、真空泵10等，通过控制系统30对它们进行控制。上述管路中还设置有支路放空阀31，用于排除管路内残留的气体。

测试掺氢天然气中气体组分分布的试验方法如下所述：

测量并记录挂片金属试样16、21、26的初始氢气浓度并记录。通过立式气瓶三个分区小窗在内壁上安装支架，并将挂片金属试样挂在支架上；

分别调节分区一14、分区二19、分区三24之间的阀门18、23使隔板32、33为开启状态；然后，利用道尔顿分压公式P

以上所述，仅是本发明的一个实施案例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的结构及技术内容做出某些更动或修改而成为等同变化的等效实施案例。凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施案例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案范围内。