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与流程

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。

技术实现要素：

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。

本发明还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方法，包括如下步骤：

步骤一、确定管道抗氢损伤能力(材料最低氢损伤分压)和氢气聚集分压安全值，开展对应管径的长直管道内氢气-天然气体系在不同停输压力下的氢气聚集至分压安全值模拟，获取基于停输压力和安全停输时间的二维版图；

步骤二、在全线各处阀室设置沿途监测系统；

步骤三、当含氢天然气管道干线需要检修时，远程关闭该段干线上游和下游的临近阀室的干线截断球阀；或当混氢天然气管道干线发生泄漏后，系统自动关闭泄漏位置所在干线上游和下游的临近阀室的干线截断球阀，同时保持旁路截断阀关闭；

步骤四、对被截断且停输的干线管道，开启上、下游阀室的两个相邻取样截断阀，启动沿途监测系统，连续进行介质取样分析；当某次取样测试浓度折算的氢分压高于分压安全值或系统停输时间超过模拟的安全停输时间后，开启靠近两个相邻取样截断阀的旁路截断阀，并开启上、下游阀室的放空阀，对位于上、下游阀室之间的干线首尾同时进行压力泄放，直至降压至原停输压力的95％时关闭泄放系统；

步骤五、基于步骤四的泄放后系统压力，利用步骤一模拟的数据，拟合该种工况下的安全停输时间；

步骤六、循环进行步骤四和步骤五，至管道重新启动或管道停运工况下无氢气聚集损伤风险为止。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：

本发明根据含氢高钢级天然气管道选材特点和停输后的聚集规律，结合管道操作运行工况，创新性地提出了一套含氢高钢级天然气管道安全保障系统。该系统在明确管道抗氢损伤能力的基础上，利用流态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最大氢气聚集分压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。

本系统的特点具体表现为：

(1)设置科学

本发明基于含氢天然气管道介质特点和高钢级管道输送的经济性原则，聚焦该类管道停输后的介质聚集行为，首先开展针对径向氢气聚集的长直模拟分析，获取相同内径下的初始流速、停输压力和停输安全时间版图，并配置沿线监测系统实时监控多点氢气聚集浓度，协同为管道停输后延迟泄放提供支撑，避免盲目地在停输起始时刻进行介质泄放，亦保障管道停输中避免氢气聚集引起的损伤。

(2)经济节能

本发明采用基于氢气聚集模拟时间和实时检测结果的比对判断原则，对停输后的管道采取超限后再放空的模式，能够有效延长系统的可用停输时间；同时，采取放空引起分层破坏的原理，有效控制放空时间；通过周期性系统判断、放空和停输的循环，最大程度平衡管道安全性和放空经济性。

(3)理念先进

目前，含氢天然气管道输送尚处于发展阶段，鲜有公开的关于氢气组分在管道停输后的聚集与控制技术研究报道，本发明从管道运行安全性控制的角度，提出基于高钢级钢材的安全氢气聚集浓度作为保障对象，应用模拟和实测比对的方法进行泄放控制，并引入泄放过程破坏分层的理念，全面延长管道安全停输时间和降低单位停输时间中的介质泄放量。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为本发明的基于氢气积聚控制的含氢天然气管道安全保障系统的示意图。

具体实施方式

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等。

所述干线系统包括连接各站场的干线管道，负责输送含氢天然气。所述阀室系统包括干线截断阀、干线旁路、旁路截断阀、放空管道和火炬系统，负责在管道出现泄漏或需要检修时进行分段隔离，并泄放故障管段和所需检修管段内的介质，同时负责在管道停输后，受控制系统的指令进行周期性间歇泄放，扰乱管道中的介质(氢气和天然气)分层与聚集。所述沿途监测系统包括设置于沿线阀室的气体组分在线取样器和分支管路(取样管路)，负责在管道停输后，持续进行所在位置管道截面气体取样与分析，达到直接监测氢气聚集浓度的目的；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。

通过本系统对含氢输气管道(氢含量小于10％的高钢级管道)停输后的氢气聚集行为和影响进行控制。对基于设计条件的干线管道所选材料进行最高氢浓度-分压适应性评估，确定氢气聚集分压安全值；开展对应管径下长直管道的氢气-天然气体系停输后氢气聚集时间-聚集浓度模拟，汇总不同停输压力下管道停输后顶部聚集氢分压小于氢气聚集分压安全值(简称“安全值”)的允许停输时间；在各处阀室中设置沿途监测系统，在干线管道停输后进行氢气聚集的持续取样与监控，并上传实时结果；在各处阀室设置电动泄放阀和泄放系统，通过全线逻辑控制系统进行控制，在系统停输时间超过前述模拟安全时间或沿途监测结果超过氢气聚集分压安全值时，进行远程泄放控制，以破坏管道中的氢气-天然气分层和氢气聚集行为，并在设定泄放时间后停止，管道介质组分重新均匀分布并再次进行聚集等待和沿途监测。最终达到停输后总体减少气体泄放、保障管道停输安全的效果，提升系统可靠性。

一种基于氢气积聚控制的含氢天然气管道安全保障系统，如图1所示，主要包括：干线管道1/2/3、干线截断阀101/201、旁路管线102/103/202/203、压力变送器104/105/204/205、旁路截断阀106/107/206/207、放空阀108/208、放空管路109/209、取样管路113/213、取样截断阀110/111/210/211、气体取样分析设备112/212。

其中，干线管道1、干线管道2、干线管道3组成干线管道系统(仅为典型示例)，负责连接上游站场、中间阀室和下游站场，并输送含氢天然气。干线管道连接上游站场和下游站场，中间设置若干阀室系统、沿途监测系统。干线管道选材优先考虑管道经济性(高钢级)，并对所选材料进行最高氢浓度-分压适应性评估，确定氢气聚集分压安全值。

具体地，所示系统中，干线管道1、干线管道2、干线管道3为等径含氢天然气管道输送干线，埋地敷设，干线管道1连接上游首站，且包括若干干线截断阀室；干线管道2为本例示例管段，代表实际管道工程中的阀室中间相邻管段；干线管道3接入下游末站，且包括若干干线截断阀室。

其中，干线截断阀101/201、旁路管线102/103/202/203、压力变送器104/105/204/205、旁路截断阀106/107/206/207、放空阀108/208、放空管路109/209、取样管路113/213、取样截断阀110/111/210/211、气体取样分析设备112/212等组成2处沿线阀室系统和沿途监测系统(仅为典型示例)，负责干线管道截断、泄放和停输后的干线管道上部截面氢气浓度监测和控制。其中：

所述阀室系统为设置于干线的截断阀室，包括干线截断阀、干线旁路、旁路截断阀、放空管路、压力变送器和放空火炬等，负责在干线管道出现泄漏或需要检修时进行分段隔离，并泄放故障管段和所需检修管段内的介质；同时，在管道停输后，基于设定停输时间和沿线监测系统反馈，经控制系统判断并发出指示后，协同进行干线间歇性泄放。干线截断阀安装于干线阀室内，连接上游干线和下游干线；干线旁路为安装于干线截断阀上游一侧和下游一侧的旁路管道，用于截断阀上游或下游管道选择性放空控制和管道再启动时平衡上下游压力；旁路截断阀安装于干线旁路，典型数量为2个，分别靠近上游干线和下游干线；压力变送器安装于旁路截断阀和干线之间的干线旁路管道上，负责检测干线压力；放空管路连接干线旁路，并引向放空火炬，起到安全泄放含氢天然气的作用。

所述沿途监测系统设置于阀室内，包括取样管路、截断阀和氢气取样分析仪，负责在管道停输后，连续进行所在位置管道截面气体取样与分析，达到直接监测氢气聚集浓度的目的。取样管路从阀室内干线上部开口接出，用于管道停输后干线顶部气样采集输出；在取样管路上安装2个截断阀，在管道停输后并需要气体检测时开启，分别抽取阀室上游和下游管道顶部气体；氢气取样分析仪用于连续取样并测试分析试样中氢气浓度，测试结果实时上传至控制系统。

具体地，所示系统中，干线截断阀101为电动控制球阀，负责干线管道的开启/截断控制；干线截断阀101连接干线管道1的末端；干线旁路102从干线截断阀101的上游管道顶部引出，材质与干线管道一致，负责干线泄放，也便于在干线管道上部截面取样测试；干线旁路103从干线截断阀101的下游管道顶部引出，材质与干线管道一致，负责干线泄放，也便于在干线管道上部截面取样测试；压力变送器104/105分别设置于旁路截断阀106/107的上游，负责监测干线压力；旁路截断阀106/107为球阀，远程电动控制，负责控制干线阀门101上游和下游管道放空；放空阀108为调节阀，远程电动控制，负责控制泄放速率；放空管道109埋地敷设，将放空介质引入远端火炬系统进行安全处理。取样管路113连接旁路管道102和103，负责提供取样介质检测通道；取样截断阀110/111为球阀，电动控制，分别对干线截断阀101上游和下游的干线管道顶部介质取样进行控制；气体取样分析设备112为氢气在线色谱检测仪及配套系统，负责对取样气体进行氢气浓度检测，并上传检测结果至中心控制系统。

具体地，所示系统中，201阀室与101阀室配置完全一致。

具体地，所示系统中，设置全线安全逻辑控制系统，在管道停输后，从各在线取样装置获取氢气聚集浓度，并与安全值比对，超限后即向系统中的各阀室系统发出泄放指令。所述控制系统通过收集管道运行参数、沿途监测系统检测参数，并比对氢气聚集模拟系统的输出参数，对管道运行中干线截断阀门开关、停输后的干线泄放阀门开关等提供动作指令。

本发明的工作原理为：

含氢天然气通过本系统干线管道1/2/3从上游向下游正常输送。由于含氢天然气管道的材料对于介质中氢气浓度和氢气分压较为敏感，因此需保障管道停输后氢气-天然气分层并聚集引起的管道截面局部氢气分压不超过所选管材的氢气聚集分压安全值。在干线进行停输且101截断阀上游干线需要检修时，关闭干线截断阀101，本例中101截断阀下游干线2、干线3中存在停输高压含氢天然气。在该停输压力下，获取系统模拟的允许安全停输时间；同时干线2起点和末点的上截面介质通过取样截断阀111和210分别进行持续氢气浓度监测，并通过压力变送器105和204参数换算为实时氢分压，与安全氢气分压对比；分析比对系统模拟的允许安全停输时间和安全氢气分压，当任一条件超过后，表示干线2存在较大的氢气损伤风险，则立即通过旁路管道103和202对干线介质进行泄放，以降低干线压力，降压幅度为5％，同时利用首、尾泄放，引起干线2内介质的强制流动混合，打破分层。降压至预定压力后，获取新压力下的允许停输时间，并持续进行氢气浓度检测，直至下一次泄放或管道重新运行。

本发明还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方法，包括如下主要内容：

步骤一：基于设计条件(组分、压力、温度、氢气掺混浓度)和干线管道所选材料性能，进行管道材料最高氢分压适应性评估，确定氢气聚集分压安全值(按照80％的材料最低氢损伤分压确定分压安全值)；开展对应管径的长直管道内氢气-天然气体系在不同停输压力下的氢气聚集至分压安全值模拟，获取基于停输压力和允许停输时间的二维版图；

步骤二：在全线各处阀室101/201等设置沿途监测系统。

步骤三：当含氢天然气管道干线1需要检修时，远程关闭该段干线上游和下游的临近阀室的干线截断球阀；或当混氢天然气管道干线1发生泄漏后，系统自动关闭泄漏位置所在干线上游和下游临近阀室的干线截断球阀，同时保持旁路截断阀关闭。

步骤四：对被截断且停输的干线管道2(由于干线管道3为设置多处截断阀室，本例中不再描述干线管道3的保护，其保护原理与方法同干线管道2)，开启取样截断阀111、210，启动沿途监测系统，连续进行介质取样分析。当某次取样测试浓度折算的氢分压高于步骤一确定的分压安全值或系统停输时间超过步骤一模拟的安全停输时间后，开启阀室系统的旁路截断阀107和206，并开启放空阀108和208，对干线2的首尾同时进行压力泄放，降压至原停输压力的95％；随后关闭泄放系统。

步骤五：基于步骤四的泄放后系统压力，利用步骤一模拟的数据，拟合该种工况下的安全停输时间。

步骤六：循环进行步骤四和步骤五，至管道重新启动或管道停运工况下无氢气聚集损伤风险为止。