一种地下内衬式岩洞储氢库垫层气浓度监测系统

本发明涉及氢气储气库监测，特别涉及一种地下内衬式岩洞储氢库垫层气浓度监测系统。

背景技术：

1、氢是自然界含量最多的元素，来源广泛，并且其燃烧产物只有水，因此，氢能被视作未来最佳的清洁能源。世界各国都对氢能展开了广泛的研究，其存储方式一直是研究的热点内容，由于氢气在液化过程中自身的损失非常大，操作复杂且成本高，所以压缩气态存储成为储氢的理想方案。储氢库的类型主要包括盐穴储气库、地下含水层储气库、枯竭油气田储气库、内衬式岩洞高压储气库。其中内衬式岩洞储氢具有选址灵活，能够承受更高的压力等优点，受到世界各国的广泛关注。然而，在储氢库运行过程中，通常最大采出量只占总储量的40％～70％，储氢库内必须留有30％～60％做垫层气，用来维持氢气采出时所需的压力以及保持储氢库的稳定。由于其始终不必全部采出，因此显著增高了储气库的成本。目前，研究人员发现氮气可以替代氢气作为储氢库的垫层气，减少储气库的成本。然而，当垫层气与氢气在储气库内混合时，垫层气的浓度是很难监测的，如何监测其在储氢库内的浓度分布，以便提高氢气的采出纯度，是一个重要的研究难题，而本发明的提出可以高效解决监测垫层气在内衬式岩洞浓度分布，为内衬式岩洞氢气储气库的高效运行提供保障。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种地下内衬式岩洞储氢库垫层气浓度监测系统，该系统采用垫层气浓度传感器，并辅以中央处理单元，实现储氢库内不同水平垫层气浓度的实时监测，帮助判断采出氢气的时间，以提高采出氢气的纯度。

2、本发明提供的一种地下内衬式岩洞储氢库垫层气浓度监测系统，包括：储气库模块、巷道模块和浓度监测处理模块；

3、其中，所述储气库模块用于储藏氢气和提供待测样本；

4、所述巷道模块与所述储气库模块连接，所述巷道模块用于为不同水平区域的垫层气浓度监测提供检测环境；

5、所述浓度监测处理模块与所述储气库模块连接且所述浓度监测处理模块安装于所述巷道模块内部，所述浓度监测处理模块用于实时监测不同水平区域的垫层气浓度和进行监测数据处理。

6、可选地，所述储气库模块包括：储氢库衬砌、注采管、多级密封器和注采口，其中，所述储氢库衬砌、注采管、注采口和所述多级密封器依次连接。

7、可选地，所述巷道模块包括若干储氢库巷道，若干所述储氢库巷道与所述储氢库衬砌连接，所述储氢库巷道用于为垫层气浓度监测提供监测环境。

8、可选地，所述浓度监测处理模块包括：垫层气浓度传感器、数据处理单元、ups电源、连接电缆和管体；

9、其中，所述垫层气浓度传感器经所述管体与所述储氢库衬砌连接，所述垫层气浓度传感器用于对地下内衬式岩洞储氢库中不同水平区域的待测样本的氢气浓度进行实时监测；

10、所述数据处理单元将所述连接电缆与所述垫层气浓度传感器连接，所述数据处理单元用于处理监测所述垫层气浓度传感器得到的压力值；

11、所述ups电源与所述数据处理单元连接，所述ups电源用于为监测系统提供能量。

12、可选地，所述垫层气浓度传感器安装于所述管体的上部，所述垫层气浓度传感器包括压力监测单元和电解氢气单元；

13、所述压力监测单元与所述储氢库衬砌连接，所述压力监测单元用于监测垫层气的压力值；

14、所述电解氢气单元与所述压力监测单元连接，所述电解氢气单元用于将所述待测样本中氢气进行完全电解。

15、可选地，所述压力监测单元包括：外部壳体、中间壳体、氢气半透膜、压力传感器、泄压阀和第一阀门；

16、所述第一阀门安装于所述压力监测单元的左下部，且与所述管体连接，所述第一阀门用于控制储氢库内的待测样本进入所述压力监测单元；

17、所述压力传感器安装于所述压力监测单元的右上部，且经所述连接电缆与所述数据处理单元连接，所述压力传感器用于获取待测样本的初始压力值和氢气被电解后的压力值；

18、所述氢气半透膜安装于所述压力监测单元的右下部，且所述中间壳体连接，所述氢气半透膜用于控制所述压力监测单元的待测样本进入所述电解氢气单元；

19、所述泄压阀安装于所述压力监测单元的左上部，且与所述外部壳体连接，所述泄压阀用于保持所述压力监测单元内的压力值与环境压力相同。

20、可选地，所述电解氢气单元包括：外部壳体、中间壳体、浓硫酸电解质、对电极、工作电极、压力平衡膜第二阀门和温度传感器；

21、其中，所述第二阀门与所述管体连接，所述第二阀门用于控制压力差；

22、所述浓硫酸电解质充满所述电解氢气单元，用于提供电解质溶液；

23、所述对电极和所述工作电极嵌于外部壳体，且所述对电极和所述工作电极经导线与电阻串联，用于电解氢气；

24、所述压力平衡膜安装于所述电解氢气单元的右下部，所述压力平衡膜用于设备屏障保护；

25、所述温度传感器嵌于所述外部壳体，所述温度传感器的一端与所述浓硫酸电解质接触，另一端经连接电缆与所述数据处理单元连接，所述温度传感器用于监测所述浓硫酸电解质的温度。

26、可选地，所述工作电极的电离反应为：h2→2h++2e-；

27、所述对电极的电离反应为：2h++2e-+pto2→pto+h2o。

28、可选地，所述压力平衡膜包括聚四氟乙烯薄膜

29、所述氢气半透膜包括pet半透膜。

30、可选地，所述数据处理单元包括控制器、数据采集单元、数据计算单元和数据输出单元；

31、其中，所述数据采集单元用于记录所述压力传感器所测得待测气体的初始压力值以及氢气被电解后的压力值；

32、所述数据计算单元用于计算垫层气浓度；

33、所述数据输出单元用于将所述垫层气浓度输出；

34、所述控制器用于程序控制。

35、本发明具有如下技术效果：

36、本发明利用待测气体中垫层气在浓度传感器中的分压，可以实现内衬式岩洞氢气储气库的垫层气浓度及时、准确的监测，保障采出的氢气纯度。另外，本垫层气浓度监测系统还可用于盐穴等腔体氢气储气库中。

37、附图说明

38、为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

39、图1为本发明实施例中的系统结构示意图；

40、图2为本发明实施例中的垫层气浓度传感器结构示意图；

技术特征：

1.一种地下内衬式岩洞储氢库垫层气浓度监测系统，其特征在于，包括：储气库模块、巷道模块和浓度监测处理模块；

2.根据权利要求1所述的地下内衬式岩洞储氢库垫层气浓度监测系统，其特征在于，所述储气库模块包括：储氢库衬砌(5)、注采管(7)、多级密封器(8)和注采口(9)，其中，所述储氢库衬砌(5)、注采管(7)、注采口(9)和所述多级密封器(8)依次连接。

3.根据权利要求2所述的地下内衬式岩洞储氢库垫层气浓度监测系统，其特征在于，所述巷道模块包括若干储氢库巷道(1)，若干所述储氢库巷道(1)与所述储氢库衬砌(5)连接，所述储氢库巷道(1)用于为垫层气浓度监测提供监测环境。

4.根据权利要求2所述的地下内衬式岩洞储氢库垫层气浓度监测系统，其特征在于，所述浓度监测处理模块包括：垫层气浓度传感器(2)、数据处理单元(3)、ups电源(4)、连接电缆(6)和管体(211)；

5.根据权利要求4所述的地下内衬式岩洞储氢库垫层气浓度监测系统，其特征在于，所述垫层气浓度传感器(2)安装于所述管体(211)的上部，所述垫层气浓度传感器(2)包括压力监测单元和电解氢气单元；

6.根据权利要求5所述的地下内衬式岩洞储氢库垫层气浓度监测系统，其特征在于，所述压力监测单元包括：外部壳体(201)、中间壳体(202)、氢气半透膜(208)、压力传感器(203)、泄压阀(212)和第一阀门(209)；

7.根据权利要求6所述的地下内衬式岩洞储氢库垫层气浓度监测系统，其特征在于，所述电解氢气单元包括：外部壳体(201)、中间壳体(202)、浓硫酸电解质(204)、对电极(205)、工作电极(206)、压力平衡膜(207)第二阀门(210)和温度传感器(213)；

8.根据权利要求7所述的地下内衬式岩洞储氢库垫层气浓度监测系统，其特征在于，

9.根据权利要求7所述的地下内衬式岩洞储氢库垫层气浓度监测系统，其特征在于，

10.根据权利要求7所述的地下内衬式岩洞储氢库垫层气浓度监测系统，其特征在于，所述数据处理单元(3)包括控制器、数据采集单元、数据计算单元和数据输出单元；

技术总结
本发明公开了一种地下内衬式岩洞储氢库垫层气浓度监测系统，包括：储气库模块、巷道模块和浓度监测处理模块；其中，储气库模块用于储藏氢气和提供待测样本；巷道模块与储气库模块连接，用于为不同水平区域的垫层气浓度监测提供检测环境；浓度监测处理模块与所述储气库模块连接且安装于所述巷道模块内部，浓度监测处理模块用于实时监测不同水平区域的垫层气浓度和进行监测数据处理。本发明可以实现内衬式岩洞氢气储气库的垫层气浓度及时、准确的监测，保障采出的氢气纯度。

技术研发人员：蔚立元,弭宪震,胡波文,李树忱,李卫,魏超,张涛
受保护的技术使用者：中国矿业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16