一种基于盲端积聚控制的掺氢天然气安全保障系统与方法

技术领域

本发明属于天然气输送技术领域，特别涉及一种基于盲端积聚控制的掺氢天然气安全保障系统与方法。

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、燃烧产物不污染环境、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。目前，在已建天然气管道输送系统中掺入氢气输送是公认的大规模氢能利用的有效途径，不仅可以有效降低新建氢气管道系统投资，亦可充分利用已建天然气管道网络优势，实现资源灵活调配与高效利用。

虽然氢气易于泄漏，且爆炸极限宽(4％～75％)；同时，氢气泄放后极有可能产生自燃(燃烧)，燃烧机理主要包括了扩散自燃、摩擦自燃和点火燃烧，且极易发展为管道内部的爆燃或爆炸，但天然气管道掺氢输送的比例一般控制在相对较低的范围，在正常输送条件下，混合介质的爆炸极限范围、燃烧特性等比较接近于天然气。同时，目前相关的天然气掺氢研究主要聚焦于掺氢天然气混合气体的燃爆安全性问题，相关问题揭示已经较为深入。

在管道运行过程中，管道收、发球筒三通附近存在盲端，即这部分位置由于分支关闭，气体流动、扰动不通畅，将出现所谓气体的“死气区”。该区域的范围主要与附近管内介质流速、流场有关，介质流速越大，则在盲端区域的扰动范围越大，死气区范围相对较小；在介质流动方向偏离死气区时，死气区的范围较为明显。特别地，掺氢站内的清管发球筒下游存在相对流动滞止盲区(清管三通附近)，混合气体将长期停滞，可能发生由于密度差而引起的氢气、天然气相对分层；若尚未完全掺混均匀的掺氢天然气进入该区域，将进一步加速浓度分层。这都会导致该区域中的部分位置(顶部)氢气浓度大幅提升，显著提升高钢级管道系统的氢损伤风险，并超出了掺氢天然气的材料评价范围(按照均匀掺氢浓度评价)，具有极大的安全隐患。然而，目前的公开文献、研究尚未涉及这类问题，相关报道还处于空白阶段。因此，有必要针对掺氢天然气系统“死气区”识别与控制的问题开展深入研究，提出一种基于盲端积聚控制的掺氢天然气安全保障系统，以弥补现有技术报道的空白和推动该领域技术进步。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述存在的问题，提供一种能够实现掺氢天然气管道的盲端积聚消除与抑制，从而保证系统运行安全的基于盲端积聚控制的掺氢天然气安全保障系统与方法。

本发明的主要技术思路是对于天然气掺氢站场，通过在已建天然气管道清管三通的盲端设置强制扰流系统，对潜在气体停滞区域进行干扰与清除，避免局部出现气体分层和氢气积聚；进一步地，在清管发球筒附近设置二级保障系统，在强制扰流系统出现堵塞或流动受阻时进行放散补偿；同时，设置配套的仪表监测系统进行关键参数实时监测，最终实现掺氢天然气管道的盲端积聚消除与抑制，有效保障掺氢天然气管道站场的安全运行。

本发明采用的技术方案是：一种基于盲端积聚控制的掺氢天然气安全保障系统，其特征在于：包括与已建清管发球系统的清管三通盲端侧连接的强制扰流系统以及仪表监测系统；

所述强制扰流系统用于连通已建清管发球系统的清管三通盲端侧的流道与已建清管发球系统的清管旁路的流道，用于对清管三通盲端侧的气体停滞区域进行扰动；

所述仪表监测系统用于对强制扰流系统和二级保障系统内的介质流动情况进行监测。

本发明所述的基于盲端积聚控制的掺氢天然气安全保障系统，其所述强制扰流系统包括盲端扰动支管以及设置在盲端扰动支管上的扰动支管截断阀、扰动支管末端截断阀以及扰动支管放散阀，所述盲端扰动支管设置在已建清管发球系统的第一清管截断阀下游，所述扰动支管截断阀设置在盲端扰动支管的首端，所述扰动支管末端截断阀设置在盲端扰动支管的尾端，所述扰动支管放散阀设置在盲端扰动支管的中部支管上。

本发明所述的基于盲端积聚控制的掺氢天然气安全保障系统，其所述盲端扰动支管跨接进入已建清管发球系统的末端，且距离第一清管截断阀的位置小于300mm。

本发明所述的基于盲端积聚控制的掺氢天然气安全保障系统，其还包括二级保障系统，所述二级保障系统与清管三通盲端侧的流道连通，用于连通已建清管发球系统的干线管道与放空系统，对强制扰流系统提供安全冗余。

本发明所述的基于盲端积聚控制的掺氢天然气安全保障系统，其所述二级保障系统包括二级保障放空管以及设置在二级保障放空管上的二级保障放空阀和限流孔板，所述二级保障放空管设置于第一清管截断阀下游，所述限流孔板设置于二级保障放空阀的下游。

本发明所述的基于盲端积聚控制的掺氢天然气安全保障系统，其所述二级保障放空管跨接进入已建放空系统的首端，所述二级保障放空管距离第一清管截断阀的位置小于600mm。

本发明所述的基于盲端积聚控制的掺氢天然气安全保障系统，其所述仪表监测系统包括第一流量变送器和第二流量变送器，所述第一流量变送器设置于强制扰流系统的盲端扰动支管上，用于监测盲端扰动支管中的介质流动情况，所述第二流量变送器设置于二级保障系统的二级保障放空管上，用于监测二级保障放空管中的介质流动情况。

一种基于盲端积聚控制的掺氢天然气安全保障方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：在已建清管发球系统的清管三通盲端侧设置强制扰流系统、二级保障系统以及仪表监测系统；

步骤二：在管道运行前，开启强制扰流系统，具体为，开启扰动支管截断阀和扰动支管末端截断阀，连通清管三通的盲端与站内干线管道，保持已建清管发球系统的第一清管截断阀和第二清管截断阀关闭，站内形成包括清管旁路流道和盲端流道的两路介质流动方向，同时实现介质大规模输送与盲端区域扰动的功能。

本发明所述的基于盲端积聚控制的掺氢天然气安全保障方法，其在管道运行时，若盲端扰动支管的流量降低，立即开启二级保障系统，具体为，开启二级保障放空阀，连通二级保障放空管与放空系统，保持盲端区域的持续扰动；同时，立即实施已建清管发球系统置换，即开启已建清管发球系统的第二清管截断阀，从第一清管截断阀下游至发球筒区域实施整体氮气置换，并开启清管发球筒的背压控制阀，从干线管道中向清管发球筒引入掺氢天然气，此时开启发球筒的放空调节阀和放空管截断阀，保持一边大量充压，一边微量泄放的操作；充压至操作压力后，关闭清管发球筒的放空调节阀、放空管截断阀和背压控制阀，开启第一清管截断阀和第三清管截断阀，关闭二级保障系统，系统转为干线流道与清管流道同时生产，并且立即对强制扰流系统进行检修；强制扰流系统修复完成后，关闭第一清管截断阀、第二清管截断阀和第三清管截断阀，重新转入步骤二的生产模式。

本发明所述的基于盲端积聚控制的掺氢天然气安全保障方法，其在已建清管发球系统的清管三通盲端侧设置强制扰流系统之前，对清管三通与第一清管截断阀间的封闭区进行数值分析，通过全尺寸数值模拟的方式进行设计输量下自扰动区域模拟和最小自扰动流量模拟，获得最大扰动长度和最小自扰动管道流量，当最大扰动长度小于封闭段长度或实际输量低于一定倍最小自扰动流量时，设置掺氢天然气安全保障系统。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：基于掺氢天然气的长期静置后分层趋势，结合管道输送的实际情况，在极易出现气体盲端静置与积聚的清管三通区域实施控制对策，设置了强制扰流系统、二级保障系统和仪表监测系统，并与已建清管发球系统共同组成了一种基于盲端积聚控制的掺氢天然气安全保障系统，有效解决了较为隐性、但危害巨大的盲端气体分层问题。

具体表现为：

(1)设置科学

本发明基于掺氢天然气的聚集与分层基本原理，结合长输管道中的发球筒区域清管三通一侧存在盲端的实际问题，首先揭示了该区域中掺氢天然气聚集与分层的存在性问题，并针对此问题，综合安全、经济等方面考虑，设置了强制扰流系统、二级保障系统和仪表监测系统，对存在盲端聚集与分层风险的系统进行强制流动，以长期维持盲端内介质的流动状态；同时配套了二级保障系统，进一步提高了系统安全冗余，协同达到了盲端掺氢天然气分层问题的控制效果。

(2)经济性佳

本发明通过揭示运行风险，设置安全保障系统，从本质上避免了已建天然气系统掺氢输送后的盲端区域材料氢损伤风险，隐性经济效益较好；通过设置双流道的方式，一方面保障了盲端的局部介质流动性，另一方面，避免了通过采用盲端泄放的方式实现类似功能，具有较好的经济性。

(3)理念先进

目前，掺氢天然气输送尚未在我国大范围实施，相关安全经验较少，鉴于该类介质中含有氢气，必然在盲端区域存在介质停留与分层的风险，本发明提出的思路和方法将对掺氢天然气管道安全运行与管理提供重要的参考和借鉴。

附图说明

本发明将通过具体实施例并参照附图的方式说明，其中

图1为本发明的结构示意图。

图中标记：1为干线管道，2为干线截断球阀，3为清管旁路，4为清管三通，5为第一清管截断阀，6为第二清管截断阀，7为旁路截断球阀，8为引压调节阀，9为清管发球筒，10为第三清管截断阀，11为清管器放空管，12为放空调节阀，13为放空管截断阀，21为盲端扰动支管，22为扰动支管截断阀，23为扰动支管末端截断阀，24为扰动支管放散阀，31为二级保障放空管，32为二级保障放空阀，33为限流孔板，41为第一流量变送器，42为第二流量变送器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义；实施例中的附图用以对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

如图1所示，一种基于盲端积聚控制的掺氢天然气安全保障系统，包括与已建清管发球系统的清管三通4盲端侧连接的强制扰流系统、二级保障系统以及仪表监测系统。通过设置本系统，对掺氢天然气管道的清管三通盲端存在气体聚集、分层的问题进行专项控制，避免盲端区域发生氢气高浓度聚集引起的材料损伤，不仅有效提升了系统的运行安全，尤其对于生产运行中可能出现的低输量、掺混初期混合程度不佳等情况下的安全运行意义重大，更对推动掺氢天然气输送技术领域的技术发展提供了重要推动与支撑。

其中，所述已建清管发球系统包括干线管道1、干线截断球阀2、清管旁路3、清管三通4、第一清管截断阀5、第二清管截断阀6、旁路截断球阀7、引压调节阀8、清管发球筒9、第三清管截断阀10、清管器放空管11、放空调节阀12和放空管截断阀13，所述已建清管发球系统用于提供管道末站正常运行与清管发球运行功能，并在引入本发明系统后，配合支撑本发明系统的功能。

其中，所述强制扰流系统包括盲端扰动支管21以及设置在盲端扰动支管21上的扰动支管截断阀22、扰动支管末端截断阀23以及扰动支管放散阀24，所述强制扰流系统用于连通已建清管发球系统的清管三通4盲端侧的流道与已建清管发球系统的清管旁路3的流道，用于对清管三通4盲端侧可能发生潜在的气体停滞区域进行扰动，避免局部出现气体分层。

具体地，所述盲端扰动支管21设置在已建清管发球系统的第一清管截断阀5下游，且距离第一清管截断阀5的位置小于300mm，盲端扰动支管的管径优选为DN50，碳钢材质；所述盲端扰动支管21跨接进入已建清管发球系统的末端，即靠近清管发球筒尾端，优先通过水力模拟分析，保证扰流支管的流量分配不低于3％；所述扰动支管截断阀22设置在盲端扰动支管21的首端，碳钢材质，全通径球阀，手动控制，用于在预测可能发生盲端气体停滞分层时开启；所述扰动支管末端截断阀23设置在盲端扰动支管21的尾端，碳钢材质，全通径球阀，手动控制，用于在预测可能发生盲端气体停滞分层时开启；所述扰动支管放散阀24设置在盲端扰动支管21的中部支管上，常关，在盲端扰动支管排空时开启。

其中，所述二级保障系统包括二级保障放空管31以及设置在二级保障放空管31上的二级保障放空阀32和限流孔板33，所述二级保障系统与清管三通4盲端侧的流道连通，对强制扰流系统提供安全冗余，在强制扰流系统效果不佳的情况下，用于连通已建清管发球系统的干线管道1与放空系统，从干线至放空系统流道，进一步避免清管三通下游、清管系统内发生气体静置与分层。

具体地，所述二级保障放空管31设置于第一清管截断阀5下游，且距离第一清管截断阀5的位置小于600mm，二级保障放空管的管径优选为DN50，碳钢材质；所述二级保障放空管31跨接进入已建放空系统的首端；二级保障放空阀的材质选择为碳钢，全通径球阀，手动控制，优选地，二级保障放空管上安装两只截断阀；所述限流孔板33设置于二级保障放空阀32的下游，碳钢材质，在保障放空过程中起到控制泄放流量的作用，优先通过水力模拟分析，保证扰流支管的流量分配不低于10％。

其中，所述仪表监测系统包括第一流量变送器41和第二流量变送器42，用于对强制扰流系统和二级保障系统内的介质流动情况进行监测。

具体地，所述第一流量变送器41设置于强制扰流系统的盲端扰动支管21上，用于监测盲端扰动支管21中的介质流动情况，若流量监测值低于设定的最小扰动值，表明盲端扰动支管发生堵塞，或盲端区域发生堵塞，立即指示开启二级保障系统；所述第二流量变送器42设置于二级保障系统的二级保障放空管31上，用于监测二级保障放空管31中的介质流动情况，若流量监测值低于设定的最小扰动值，表明盲端区域发生堵塞，应立即暂停系统运行。

本发明的工作原理为：

天然气掺氢输送后，表观上为均匀输送状态，介质充分混合，按照掺混浓度和氢气分压进行材料评价；在掺氢站下游的管道系统首端，通常设置了清管发球系统，平时气体从清管旁路中流向下游，而通向清管发球筒的管道为关闭状态，通过清管三通实现流向切换功能。然而，在清管三通与清管通道的区域，存在气体不流动的盲区，该区域中存在气体漩涡，但其影响长度有限；进一步地，在掺氢点下游，存在掺氢混合暂未均匀的可能，这将进一步增加附近盲端内的气体分层概率。为了避免已建设施中盲端长度过大(清管三通与第一清管截断阀的间距)或低输量下气体漩涡长度缩短引起的剩余盲端内出现气体分层问题(气体分层将导致局部氢气聚集，氢气分压升高)，需采取相关措施予以控制，故设置本系统。

本系统设置了强制扰流系统、二级保障系统和仪表监测系统，对存在盲端聚集与分层风险的区域进行强制流动，以长期维持盲端内介质的流动状态；同时配套了二级保障系统，进一步提高了系统安全冗余，协同达到了盲端掺氢天然气分层问题的控制效果。

本发明还提供了一种基于盲端积聚控制的掺氢天然气安全保障方法，包括以下步骤：

步骤一：在已建清管发球系统的清管三通盲端侧设置强制扰流系统、二级保障系统以及仪表监测系统；

步骤二：在管道运行前，开启强制扰流系统，具体为，开启扰动支管截断阀和扰动支管末端截断阀，连通清管三通的盲端与站内干线管道，保持已建清管发球系统的第一清管截断阀和第二清管截断阀关闭，站内形成包括清管旁路流道和盲端流道的两路介质流动方向，同时实现介质大规模输送与盲端区域扰动的功能。

其中，在管道运行时，若盲端扰动支管的流量降低(或降低至几乎为零)，表明可能发生扰流支路堵塞或盲端堵塞，立即开启二级保障系统，具体为，开启二级保障放空阀，连通二级保障放空管与放空系统，保持盲端区域的持续扰动；同时，为减少掺氢天然气的泄放量，立即实施已建清管发球系统置换，即开启已建清管发球系统的第二清管截断阀，从第一清管截断阀下游至发球筒区域实施整体氮气置换，并开启清管发球筒的背压控制阀，从干线管道中向清管发球筒引入掺氢天然气，此时开启发球筒的放空调节阀和放空管截断阀，保持一边大量充压，一边微量泄放的操作，目的是保持清管发球筒内部依然存在气体流动；充压至操作压力后，关闭清管发球筒的放空调节阀、放空管截断阀和背压控制阀，开启第一清管截断阀和第三清管截断阀，关闭二级保障系统，系统转为干线流道与清管流道同时生产，并且立即对强制扰流系统进行检修；强制扰流系统修复完成后，关闭第一清管截断阀、第二清管截断阀和第三清管截断阀，重新转入步骤二的生产模式。

在天然气管道输送系统准备转用为掺氢天然气输送管道系统时，为避免形成所述的封闭且气体分层区域，在已建清管发球系统的清管三通盲端侧设置强制扰流系统之前，对清管三通与第一清管截断阀间的封闭区进行数值分析。具体地，由于在较高输量时，管道内部流速较快，若处于清管三通与第一清管截断阀间的封闭区域中的气体容易产生全区域内部涡流，可实施自扰动，避免气体分层；若由于清管三通与第一清管截断阀间的封闭区域，内部涡流区域无法覆盖全部封闭区域，则存在封闭区域后半部分分层的可能；进一步地，若输量降低，则分层区域范围扩大。因此，优先通过全尺寸数值模拟的方式进行设计输量下自扰动区域模拟和最小自扰动流量模拟，获得最大扰动长度(设计输量下)和最小自扰动管道流量，当最大扰动长度小于封闭段长度或实际输量(全生命周期内各种情况)低于1.4倍(考虑设计裕量)最小自扰动流量时，设置掺氢天然气安全保障系统，即对清管三通(发球筒端)的管道系统进行改造，增加本发明的强制扰流系统、二级保障系统以及仪表监测。

本发明并不局限于前述的具体实施方式，本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。