一种已建天然气管道安全掺氢系统与方法与流程

本发明属于管道输送，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：

1、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。

2、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。

3、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。

4、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。

技术实现思路

1、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。

2、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。

3、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；

4、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；

5、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；

6、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。

7、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。

8、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。

9、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。

10、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。

11、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。

12、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。

13、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。

14、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：

15、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；

16、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；

17、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；

18、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。

19、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；

20、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；

21、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。

22、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。

23、具体表现为：

24、(1)设置科学

25、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。

26、(2)经济性佳

27、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。

28、(3)推动技术发展

29、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。