一种已建天然气管道安全掺氢系统与方法

技术领域

本发明属于管道输送技术领域，特别涉及一种已建天然气管道安全掺氢系统与方法。

背景技术

近年来，氢能利用受到的重视程度日益增长。随着“双碳”目标的提出，氢能高效利用的发展将快速推进。鉴于我国能源供给端与消费端的分布特点，长距离氢能储运技术是支撑氢能利用的关键问题。我国已经建成大型天然气输送管网，为掺氢天然气输送提供了得天独厚的优势，对氢气的长距离输运起到了关键的支撑作用。通过在供给端将氢气注入天然气管道，利用天然气掺混氢气进行输送，并在末端(消费端)进行二次提取与分离，完成氢气远距离运移。

利用天然气管道掺混氢气输送的方式在国外已经开展了规模性地试验与研究，其技术难点主要聚焦于氢气加入后的混合气体物理特性、混合气体中氢气对管道与设备的材料-性能影响评价、后端氢气分离技术等问题，并取得了一定的进展。其中，由于已建天然气管道往往采用高钢级材质，其对氢气含量的影响较为敏感性，这也是天然气掺氢输送中确定氢气浓度的关键考虑因素。

对于天然气掺氢工艺的研究，目前公开了部分的报道，主要涉及掺氢总体流程、掺氢后混合模式等方面。如前所述，在天然气管道掺氢模式下，氢气含量首要关注的是混合气体中的瞬时氢气浓度不应超过已建天然气管道的材料、设备适应浓度，这在理论上是可以通过天然气与氢气的浓度实时检测并进行调整的；实际上，天然气与氢气的浓度响应具有先后次序，同时，已建天然气管道中掺氢浓度具有典型的不可逆特性，即某段时间内氢气掺入浓度过高后，该段混合气体会沿着管道输往下游，是很难通过其他手段予以消除的，因此，对于天然气掺入量应预留检测时间裕量，以便及时调整氢气掺入量，这在目前的公开报道中并未有针对性的提出。同时，由于掺入后的管道系统是典型的线形工程，在送入下游站场前，管道中氢气-天然气是完全可以通过流动扰动进行充分混合的，目前报道的掺混设施不仅会增大建设投资、提高运行与维护难度，也会引起局部压降过大，对天然气-氢气掺混的应用场景匹配性其实不高。

因此，结合前述问题，有必要进一步开展相关研究，基于采用先进模拟分析手段的研究结论，提出一种天然气长输管道安全掺氢系统与方法，推动该领域技术发展。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述存在的问题，提供一种能够实现长输管道中的天然气与氢气高效掺混，并保证系统运行安全且高效的已建天然气管道安全掺氢系统与方法。

本发明的主要技术思路是通过在天然气掺氢站设置流量优先监测与控制系统，控制出站天然气中的最大氢气浓度；通过设置高效掺氢管件，充分利用介质流动实现自然混合，降低掺混系统压损，减少维护成本；通过设置紧急泄放系统，在下游系统停输后，对掺混站内管道进行泄放，避免尚未混合的氢气与天然气系统发生氢气局部聚集，对管道、管件带来氢损伤风险，同时，设置配套的仪表监测系统进行关键参数实时检测。

本发明采用的技术方案是：一种已建天然气管道安全掺氢系统，其特征在于：包括流量监测与控制系统、高效掺混系统以及紧急泄放系统；

所述流量监测与控制系统包括设置在已建天然气输送站场外的干线天然气流量检测单元以及与已建天然气输送站场内天然气干线管道相连的氢气输送单元，所述干线天然气流量检测单元用于在掺混站场中对干线天然气流量进行实时监控与预警，所述氢气输送单元用于将上游氢气掺混至天然气干线管道内；

所述高效掺混系统设置在已建天然气输送站场内的天然气干线管道上，所述氢气输送单元与高效掺混系统相连，采用多点注入的方式将氢气注入至天然气干线管道内；

所述紧急泄放系统分别与已建天然气输送站场外的上游管道及已建天然气输送站场内的管道相连，用于在掺混站场停输时，将尚未掺混均匀的氢气与天然气的混合气体进行泄放。

本发明所述的已建天然气管道安全掺氢系统，其所述干线天然气流量检测单元包括流量变送器和计量阀组旁路管道，所述流量变送器设置在已建天然气输送站场外的天然气干线管道上，在所述流量变送器的上下游端分别设置有计量阀组第一截断阀和计量阀组第二截断阀，在所述计量阀组旁路管道上设置有计量阀组旁路截断阀组成旁路管路系统，用于在流量变送器检修时连通上下游管道。

本发明所述的已建天然气管道安全掺氢系统，其所述流量变送器的安装点距已建天然气输送站场不小于100m。

本发明所述的已建天然气管道安全掺氢系统，其所述氢气输送单元包括氢气管道以及依次设置在氢气管道上的氢气管道截断阀、氢气调节阀和氢气管道流量变送器，所述氢气管道的一端与上游氢气供应点相连，另一端与高效掺混系统相连，所述氢气调节阀在流量变送器检测的天然气流量输入下，按照设定的最高天然气与氢气体积比例进行氢气流量调节。

本发明所述的已建天然气管道安全掺氢系统，其所述高效掺混系统包括氢气多点注入支管、掺混管道以及混合介质抽检管路，所述掺混管道与已建天然气输送站场内的天然气干线管道相连，所述氢气管道通过氢气多点注入支管与掺混管道靠近上游端相连，所述混合介质抽检管路与掺混管道靠近下游端相连。

本发明所述的已建天然气管道安全掺氢系统，其所述氢气多点注入支管由至少三支分支管道分别由掺混管道底部接入，并在掺混管道内以垂直向上的方向注气。

本发明所述的已建天然气管道安全掺氢系统，其所述氢气多点注入支管的注气位置为掺混管道内的中下部，相邻分支管道的注入点间距不小于0.5m，所述混合介质抽检管路在掺混管道上形成多点测试比对，其抽检点位均匀分布在掺混管道的同一圆周之上。

本发明所述的已建天然气管道安全掺氢系统，其所述紧急泄放系统包括天然气取气放空阀、站场泄放阀、限流孔板以及放空管路，所述天然气取气放空阀设置在与已建天然气输送站场外天然气干线管道相连的支管上，所述站场泄放阀设置在与已建天然气输送站场内天然气干线管道相连的支管上，所述限流孔板安装在放空管路上。

一种已建天然气管道安全掺氢方法，其特征在于：所述掺氢方法具体为：

在已建天然气输送管道的站场内外进行改造作业，包括增加流量监测与控制系统、高效掺混系统、紧急泄放系统以及仪表监测系统，根据下游已建干线管道、设备的氢浓度适应值和计划掺混值，确定正常掺混比例，根据掺混比例、已建管道系统的干线管径，采用计算流体力学方式，模拟分析设计掺混比例下的最远掺混均匀长度值，并考虑10％-15％裕量作为掺混管道实际长度，并模拟掺入点至掺混均匀点范围内的管道内壁最高氢气浓度；

正常运行时，天然气从天然气干线管道引入，氢气从氢气管道引入，天然气与氢气在掺混管道内进行混合，掺混过程中，氢气经多路分支引入掺混管道，在掺混管道中，天然气与氢气进行充分的流动扰动，并混合均匀，混合后的介质输往下游；

正常运行时，歇性地开启混合介质抽检管路进行混合气体取样，测定各取样方位的气体含量；

需要紧急泄放掺混系统内部气体时，先将已建天然气输送站场外天然气干线管道内的天然气引入放空管路，驱替放空管路中的空气，再将已建天然气输送站场内已混合气体引入放空管路进行泄放。

本发明所述的已建天然气管道安全掺氢方法，其在正常运行时，通过流量变送器实时检测天然气体积流量，并将检测结果传至站场控制系统；当天然气体积流量降低时，控制系统计算氢气调节阀开度，并发出信号控制氢气调节阀降低开度，按照设定的掺混比例调节氢气体积流量；当天然气体积流量回升时，控制系统附加考虑调节氢气调节阀的开度动作延迟时间，向氢气调节阀发出开度控制信号，完成氢气调节阀控制；当氢气调节阀失效后，控制系统向氢气管道截断阀发出紧急关闭指令，停止氢气进入站场；

在正常运行时，通过混合介质抽检管路取样的混合气体氢气浓度与流量计监测的天然气、氢气流量计算浓度偏离程度大于设定值，或取样混合气体的氢气浓度超过下游管道材料的氢分压安全设计值，表明掺混系统的内部流场异常，立即停止掺混操作，并对掺氢系统进行故障检修；

需要紧急泄放掺混系统内部气体时，首先关断已建站场入口截断球阀、已建站场出口截断阀及氢气管道截断阀；然后开启天然气取气放空阀，实施利用上游干线内的天然气对放空管路内存留的空气进行驱替，操作时间至少为10s；随即关闭天然气取气放空阀，并开启站场泄放阀，实施掺混站场内部的混合气体泄放。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：基于已建天然气管道掺氢的基本工艺和安全要求，通过设置流量监测与控制系统，对天然气流量变化进行提前检测与预警，为氢气流量调节提供充足反应时间，保证掺混后介质中氢气浓度始终维持在安全范围；通过设置高效掺混系统，对掺入的氢气进行充分分流，提高与天然气混合均匀度，并利用气体自流扰动特点，取消复杂的静态混合器；通过设置紧急泄放系统，对停输后的掺混站场进行安全泄放，保障管道、设备材料安全。

具体表现为：

(1)设置科学

本发明基于已建天然气掺氢输送的潜在市场需求，针对已建天然气站场掺混氢气的技术难点，从流量检测与响应的角度出发，提出对天然气管道进行远端流量检测，以提供充足的氢气管道输入流量控制时间，保障掺混气体的氢气浓度始终维持在安全比例，克服现有公开的站场内部流量检测与反馈带来的氢气管道流量控制不及时、超安全比例介质不可逆控制等问题；借助先进流体流场分析结论，通过利用掺混气体在短管内自流扰动，结合多分支氢气注入，实现自流混合，替代设置压损偏大、造价较高的静态混合器；考虑到停输后局部未混合介质的积聚问题和氢气泄放的自燃问题，设置顺序泄放系统，保障站场材料安全与泄放安全，最终协同实现已建天然气安全掺氢的目的。

(2)经济性佳

本发明通过深入分析已建天然气管道掺氢的关键问题，通过设置合理的监测、掺混和安全控制措施，取消了在线掺混介质后检测系统、大口径静态混合器等系统和设施，产生了直接的经济优化效果；通过控制最高掺混比例，保障了下游管道和设备的材料安全，产生了间接的经济优化效果。

(3)推动技术发展

目前，天然气掺氢系统尚未在我国大规模实施，天然气掺氢技术有待进一步发展；本发明针对关键问题，进行了有效应对，在具体问题上提出了较为先进的理念，为天然气掺氢输送领域的技术发展提供了参考和借鉴。

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为天然气干线管道，2为已建站场入口截断阀，3为已建站场出口截断阀，11为计量阀组第一截断阀，12为流量变送器，13为计量阀组第二截断阀，14为计量阀组旁路截断阀，15为计量阀组旁路管道，16为氢气管道，17为氢气管道截断阀，18为氢气调节阀，19为氢气管道流量变送器，21为氢气多点注入支管，22为掺混管道，23为混合介质抽检管路，31为天然气取气放空阀，32为站场泄放阀，33为限流孔板，34为放空管路。

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。

如图1所示，一种已建天然气管道安全掺氢系统，包括在已建输气站场系统基础上增设的流量监测与控制系统、高效掺混系统、紧急泄放系统以及仪表监测系统。

所述已建输气站场系统包括已建的站场管路、阀门、收发球筒等设施，具体为已建的天然气干线管道1、已建站场入口截断阀2以及已建站场出口截断阀3，是已建天然气管道系统的一部分，形成具体的站场功能。需要说明的是，已建输气站场系统是本发明的基础和依托，不作为本发明的创新点。

所述流量监测与控制系统包括设置在已建天然气输送站场外的干线天然气流量检测单元以及与已建天然气输送站场内天然气干线管道1相连的氢气输送单元，所述干线天然气流量检测单元用于在掺混站场中对干线天然气流量进行实时监控与预警，所述氢气输送单元用于将上游氢气掺混至天然气干线管道1内，并对氢气输入量进行反馈调节，严格控制天然气与氢气混合比例上限，确保掺混气体中的氢气浓度满足下游管道、设备的服役要求。

所述高效掺混系统设置在已建天然气输送站场内的天然气干线管道1上，所述氢气输送单元与高效掺混系统相连，主要用于提供天然气与氢气的掺混空间，并采用多点注入的方式将氢气注入至天然气干线管道1内，分散氢气在掺混空间中的浓度分布，促进混合效果，并利用管道介质自流扰动，替代造价昂贵、维护繁琐的静态混合器，达到介质在短距离均匀混合的目的。

所述紧急泄放系统分别与已建天然气输送站场外的上游管道及已建天然气输送站场内的管道相连，用于在掺混站场停输时，将尚未掺混均匀的氢气与天然气的混合气体进行泄放，避免管路系统中发生局部氢气聚集，对后期管道材料安全和运行安全造成隐患；进一步地，紧急泄放系统优选了先通入天然气进行泄放系统空气置换，避免氢气引入后发生泄放系统爆燃。

所述仪表监测系统包括设置于前述系统的压力变送器、温度变送器和流量变送器等，用于对关键点位进行参数监测。

通过设置本系统，对已建天然气管道站场掺氢工艺、安全控制等问题进行支撑，避免掺氢系统中由于天然气流量检测响应时间不足引起的不可逆的掺氢浓度偏高问题，优化掺氢系统，替代设置投资较高、维护较困难的复杂掺混装置，并进一步考虑系统停输后的氢气局部聚集问题，设置“天然气先置换、混氢介质再泄放”的安全泄放系统，对已建天然气管道站场掺氢技术发展提供了重要推动与支撑。

具体地，所述干线天然气流量检测单元包括流量变送器12和计量阀组旁路管道15，所述流量变送器12设置在已建天然气输送站场外的天然气干线管道1上，其中，流量变送器为天然气流量变送器，优选为超声波流量计，安装点距离已建天然气输送站场不小于100m，其主要目的是在检测信号传递至中心控制系统后，预留充足的时间对氢气管道流量变送器19进行调节操作，避免氢气管道流量变送器由于控制不及时造成实际氢气掺混量增大，影响下游管道与设备的材料安全；在所述流量变送器12的上下游端分别设置有计量阀组第一截断阀11和计量阀组第二截断阀13，其中，计量阀组第一截断阀与计量阀组第二截断阀均优选为电动球阀，全通径球阀，用于对流量变送器的投用、停用起控制作用，在正常运行流量变送器时开启，在流量变送器停用检修时关闭；在所述计量阀组旁路管道15上设置有计量阀组旁路截断阀14组成旁路管路系统，用于在流量变送器12检修时连通上下游管道，维持生产，计量阀组旁路截断阀优选为电动球阀，全通径球阀，计量阀组旁路管道与干线管道采用相同管径。

具体地，所述氢气输送单元包括氢气管道16以及依次设置在氢气管道16上的氢气管道截断阀17、氢气调节阀18和氢气管道流量变送器19，所述氢气管道16的一端与上游氢气供应点相连，另一端与高效掺混系统相连，碳钢材质；氢气管道截断阀17设置于氢气管道16进入已建天然气站场后，电动球阀，用于控制氢气管道的接入与断开，在氢气调节阀出现故障或调节失效后，执行关闭操作，在已建天然气站场出现火灾等情况时，紧急关闭；所述氢气调节阀18为氢气流量调节阀，电动控制，在流量变送器12检测的天然气流量输入下，按照设定的最高天然气与氢气体积比例进行氢气流量调节；进一步地，为了维持系统运行稳定，避免氢气调节阀过于频繁动作，优选天然气流量回升后，氢气流量调节阀设置上行(流量增大调节)延迟响应时间2～5s；氢气管道流量变送器19优选为超声波流量计，优选设置检修与校验旁路。

具体地，所述高效掺混系统包括氢气多点注入支管21、掺混管道22以及混合介质抽检管路23，所述掺混管道22与已建天然气输送站场内的天然气干线管道1相连，所述氢气管道16通过氢气多点注入支管21与掺混管道22靠近上游端相连，所述混合介质抽检管路23与掺混管道22靠近下游端相连。

在本实施例中，所述氢气多点注入支管21由至少三支分支管道分别由掺混管道22底部接入，并在掺混管道22内以垂直向上的方向注气，所述氢气多点注入支管21的注气位置为掺混管道22内的中下部，优选为掺混管道0.25倍内径的高度，相邻分支管道的注入点间距不小于0.5m，这种设置的目的在于分散单支点的注入量，促进注入的氢气与天然气混合效果，是利用氢气密度小于天然气的特点，注入氢气具有向掺混管道顶部运动的趋势，进一步促进氢气与天然气的混合接触体积，并且可有效避免注入的高浓度氢气团与管道内壁接触；其中，掺混管道为碳钢管道，长度优选为12m，并通过数值模拟验证，保证掺混管道末点截面的氢气浓度分布达到均匀的效果，管道材质选择为L415以下的钢级；混合介质抽检管路23为设置在掺混管道22末点的气体检测提取管路，包括球阀与短管，用于周期性地提取管道内壁附近的气体进行混合浓度检测，进一步地，混合介质抽检管路23设置为四处，分布设置在相同截面位置的0点、3点、6点和9点位置，进行多点测试比对。

具体地，所述紧急泄放系统包括天然气取气放空阀31、站场泄放阀32、限流孔板33以及放空管路34，所述天然气取气放空阀31设置在与已建天然气输送站场外天然气干线管道1相连的支管上，常关，在紧急泄放后首先开启，用于将天然气引入放空系统，驱替放空系统中的空气，避免尚未完全混合的天然气/氢气引入放空管道后与空气接触，引发爆燃；所述站场泄放阀32设置在与已建天然气输送站场内天然气干线管道1相连的支管上，常关，紧急泄放工况下，在天然气取气放空阀开启10s后再开启，用于将掺混系统中的混合气体引入放空管道进行泄放；所述限流孔板33安装在放空管路34上，用于对泄放介质进行流量限制；放空管道34连接限流孔板与放空火炬或放散立管，用于将泄放介质引入安全处理系统。

本发明的工作原理是：

天然气管道进行掺混过程中，其掺混标准是严格控制掺入氢气的流量上限，避免氢气浓度过高对下游管道、设备系统造成材料损伤的风险；由于掺混过程是动态、持续的，因此掺混浓度后是很难实时、及时测定的，且一旦检测出来的混合气体中氢气浓度超过标准，对混合后的这部分气体，亦是难以逆转与控制的，因此，必须根据实际情况，预留足够的时间进行天然气掺入流量的检测与氢气掺入流量的控制，这是本发明的基本原理之一。同时，为了避免氢气流量控制频繁操作，对天然气流量降低后再次升高的过程，预留了一定时间，如10s的氢气浓度调节时间，在确保氢气掺入浓度满足设计要求的同时，有效控制了掺混调节的频次。

其次，对于气体的混合过程，本发明采用氢气多点注入的模式，分散了单点的注入量，提高了天然气与氢气的混合效率；并且，采用了低钢级的碳钢直管作为混合场所，利用气体的自流扰动进行混合，在有限的长度内保证气体有效混合即可，替代了静态混合器，避免了增大压损、混合器维护等问题。

由于在站场可能存在意外紧急事故，因此考虑对气体进行紧急泄放；对于掺混站场内的气体泄放，考虑到部分位置的混合气体尚未安全混合，存在分散的高浓度氢气，为了避免这部分高浓度氢气在进入放空系统后直接与空气接触，造成基于氢气的放空管道内部自燃、爆燃风险，因此在紧急泄放时，首先引入一部分天然气，利用天然气点火能量较高，不易发生意外点燃的特点，对放空管道内的空气进行驱替，再引入混合气体进行泄放。

本发明还提供了一种已建天然气管道安全掺氢方法，具体为：

步骤一：在已建天然气输送管道的站场内外进行改造作业，包括增加流量监测与控制系统、高效掺混系统、紧急泄放系统以及仪表监测系统，根据下游已建干线管道、设备的氢浓度适应值和计划掺混值，确定正常掺混比例，根据掺混比例、已建管道系统的干线管径，采用计算流体力学方式，模拟分析设计掺混比例下的最远掺混均匀长度值，并考虑10％-15％裕量作为掺混管道实际长度，优选不超过12m，并模拟掺入点至掺混均匀点范围内的管道内壁最高氢气浓度，评价掺混管道拟选择钢级的材料安全性。

步骤二：正常运行时，天然气从天然气干线管道引入，氢气从氢气管道引入，天然气与氢气在掺混管道内进行混合，掺混过程中，氢气经多路分支引入掺混管道，在掺混管道中，天然气与氢气进行充分的流动扰动，并混合均匀，混合后的介质输往下游。通过流量变送器实时检测天然气体积流量，并将检测结果传至站场控制系统；当天然气体积流量降低时，控制系统计算氢气调节阀开度，并发出信号控制氢气调节阀降低开度，按照设定的掺混比例调节氢气体积流量；当天然气体积流量回升时，控制系统附加考虑调节氢气调节阀的开度动作延迟时间，向氢气调节阀发出开度控制信号，完成氢气调节阀控制；当氢气调节阀失效后，控制系统向氢气管道截断阀发出紧急关闭指令，停止氢气进入站场。

步骤三：正常运行时，歇性地开启混合介质抽检管路进行混合气体取样，测定各取样方位的气体含量。通过混合介质抽检管路取样的混合气体氢气浓度与流量计监测的天然气、氢气流量计算浓度偏离程度大于设定值，或取样混合气体的氢气浓度超过下游管道材料的氢分压安全设计值，表明掺混系统的内部流场异常，立即停止掺混操作，并对掺氢系统进行故障检修。

步骤四：掺混系统发生火灾或需要紧急泄放掺混系统内部气体时，先将已建天然气输送站场外天然气干线管道内的天然气引入放空管路，驱替放空管路中的空气，再将已建天然气输送站场内已混合气体引入放空管路进行泄放。具体为：首先关断已建站场入口截断球阀、已建站场出口截断阀及氢气管道截断阀；然后开启天然气取气放空阀，实施利用上游干线内的天然气对放空管路内存留的空气进行驱替，操作时间至少为10s；随即关闭天然气取气放空阀，并开启站场泄放阀，实施掺混站场内部的混合气体泄放。

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。