CN113252452B - 一种高压掺氢天然气环境中测量不同高度位置氢气浓度的实验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于氢能利用技术领域，公开了一种高压掺氢天然气环境中测量不同高度处氢气浓度的实验方法，包括：在高压原位拉伸机的高压釜中按分压法充入不同氢气浓度的天然气/氢气混合气；在不同氢气浓度环境中固定高度位置对钢的标准拉伸试样进行慢应变速率拉伸实验；测量得到试样的断面收缩率与氢气浓度的关系曲线；在一定氢气含量的混合气体中进行不同高度的拉伸实验，测量试样的断面收缩率；对比之前实验得到的断面收缩率‑氢气浓度关系曲线，得到此处的氢气浓度。本发明解决了高压环境中氢气浓度的测量问题，明确了管道运行、停输及气体储存中掺氢天然气的分层现象，为解决掺氢天然气管道输送和储存中管道氢脆以及设备相容性等安全问题提供借鉴。

Description

一种高压掺氢天然气环境中测量不同高度位置氢气浓度的实 验方法
技术领域
本发明属于氢能利用技术领域，尤其涉及一种高压掺氢天然气中不同高度位置氢气浓度检测方法。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
氢能作为一种清洁低碳的能源被广泛利用，逐步成为全球能源技术革命和产业变革的重要方向。近年来，随着国内外对氢气与天然气掺混输送方式的广泛应用，对于甲烷氢气混合气体的浓度检测产生了迫切的需要。而且，天然气/氢气混合气体作为燃料，其浓度的检测对于混合气体的配比使用也具有重要意义。根据调研，现阶段国内外涉及甲烷氢气混合气体浓度检测的专利主要有：
有研究公开了一种多元混合气体中氢气浓度的检测装置及检测方法，超声波发射模块、接收模块设置在声学气室中，声学气室上设置2个开孔，其中一个为进气口，与配气模块连接，另一个为出气口，与压强控制模块连接，压强控制模块用于声学气室内的压强调节，压强值范围在1k Pa～100k Pa，通过压强的调节可以改变频率压强比，即改变声波的等效频率范围。接收模块接收超声波并测量在声学气室内的脉冲传输时间，信号处理模块对其进行处理得出超声波的传播速度。通过检测气体中的声速、声衰减和环境温度、压强等参量来实现氢气浓度检测，成本低，精度高、可重复性高，不与待测气体发生接触式反应。
有研究公开了一种基于信息融合技术的二元混合气体浓度检测仪，该检测仪主要由热导传感器、催化燃烧传感器、超声波传感器、温度传感器、湿度传感器、单片机、GPRS模块，Labview上位机组成，利用热导、热催化、超声波传感器对甲烷和氢气的敏感程度不同，从信号采集端将气体信息经过滤波、放大、A/D转换等处理发送到单片机处理器，通过逻辑算法对气体进行辨认，再采用回归算法对数据进行融合处理，最终得到两种气体的浓度，将得出的气体浓度通过RS232串口通信传送到GPRS无线通信模块，再通过Labview上位机进行显示提醒，设定警戒值，当浓度超过警戒值时单片机控制声光报警电路报警。
有研究公开了一种沼气中甲烷以及氢气同时检测的方法,利用流路切换阀切换分析流路和分流流路，在单一检测器上对沼气中的氢气和甲烷同机分析，得出甲烷以及氢气的相对浓度。该方法能够在单一检测器上实现对微量氢气和常量甲烷的同机分析,并且不需要额外的信号放大和稳定电路,增加可靠性和准确性。
但发明人发现：现有的检测氢气浓度的方法都仅适用于混合气体中微量氢气的检测，检测浓度范围小，且工作温度范围窄，工作压力小，响应时间长，大多数氢气浓度传感器都仅适用于含有空气的混合气体检测。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高压掺氢天然气环境中测量不同高度下氢气浓度的实验方法，旨在解决现阶段高压掺氢天然气不同位置氢气浓度检测的难题，为掺氢天然气管输和储存的安全性研究提供借鉴。
为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面，提供了一种高压掺氢天然气环境中测量不同高度位置氢气浓度的实验方法，包括：
在高压原位拉伸机的高压釜中充入含不同浓度氢气的高压天然气/氢气混合气体；
在不同氢气浓度环境中固定高度位置对试样进行拉伸实验，测量试样的断面收缩率；
采用分压法确定所述固定高度位置处的氢气浓度；
建立在所述固定高度位置处试样的断面收缩率与氢气浓度的关系曲线，即：断面收缩率-氢气浓度关系曲线；
在一定氢气含量的天然气/氢气混合气体环境中不同的高度位置处进行拉伸试验，测量试样的断面收缩率；
根据所述断面收缩率-氢气浓度关系曲线，得到不同的高度位置处的氢气浓度。
本申请研发发现：目前储罐中氢气天然气混合气体中氢气浓度检测不准确的原因主要是储罐中氢气天然气混合气体存在分层现象。基于上述发现，本发明提出了一种高压掺氢天然气环境中测量不同高度下氢气浓度的方法，利用断面收缩率-氢气浓度关系之间的对应关系，实现了对储罐中不同高度下氢气浓度的准确检测。
本发明的第二个方面，提供了一种高压掺氢天然气环境中测量不同高度下氢气浓度的实验装置，包括：高压原位拉伸机、试样。
本发明的第三个方面，提供了任一上述的实验装置在氢能利用领域中的应用。
本发明的有益效果在于：
(1)为了解决目前高压掺氢天然气中氢气浓度难以检测的问题，本发明提出了一种高压掺氢天然气环境中测量不同高度下氢气浓度的实验方法，进而检测得到高压甲烷氢气混合气体中的氢气浓度，该方法拓宽了氢气浓度检测范围，且适用于高压气体，检测可靠、安全，为高压混合气体中氢气浓度检测提供了一种有效的方法，为掺氢天然气管输和储存的安全性研究提供借鉴。
(2)本申请的操作方法简单、成本低、具有普适性，易于规模化生产。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明实施例提供的一种高压掺氢天然气环境中测量不同高度下氢气浓度的实验方法示意图；其中，1.拉伸试样、2.高压原位拉伸机气相釜、3.固定夹具(可调节试样高度位置)。
图2是利用软件模拟得到的储罐中氢气天然气混合气体的分层现象；
图3是利用软件模拟得到的储罐中不同高度位置的氢气浓度随静置时间的变化曲线。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的详细说明，应该指出，所述具体实施例是对本发明的解释而不是限定。
实施例1：
一种天然气稳定掺氢利用工艺流程，该工艺流程包括以下步骤：
步骤一，在高压原位拉伸机的高压釜中充入含不同浓度氢气的高压天然气/氢气混合气体；
步骤二，在不同氢气浓度环境中固定高度位置(此处的氢气浓度通过分压法确定)对钢的标准拉伸试样进行慢应变速率拉伸实验，通过实验结果，得到试样的断面收缩率与氢气浓度的关系曲线；
步骤三，在一定氢气含量的天然气/氢气混合气体环境中不同的高度位置处进行拉伸试验，测量试样的断面收缩率；
步骤四，对比之前实验得到的断面收缩率-氢气浓度关系曲线，得到此处的氢气浓度。
在步骤一中，实验应在高压釜中进行，天然气/氢气混合气体的压力和掺氢比应满足管输或储存的压力要求。
在步骤三中，拉伸实验应在高压釜中不同高度位置处进行，分别对应管道或储罐中的不同高度，以研究气体分层现象，见图2，且天然气/氢气混合气体的压力和掺氢比应满足管输或储存的压力要求。
在步骤四中，将不同高度位置的试样断面收缩率进行统计，通过将此数据带入到步骤二中得到的关系中进行反算，确定不同高度位置的氢气浓度，见图3。
如图1所示，本发明实施例的一种高压掺氢天然气环境中测量不同高度下氢气浓度的实验方法包括以下特点：
(1)拉伸实验在拉伸机上自带的发应釜内部的高压掺氢天然气环境中进行。
(2)拉伸试样的实验方法为慢应变速率拉伸试验。
(3)试样通过夹具固定在釜内，且在釜内的高度可自由调节。
实施例2
利用软件模拟得到的储罐中氢气天然气混合气体的分层现象，如图2所示；
利用软件模拟得到的储罐中不同高度位置的氢气浓度随静置时间的变化曲线，如图3所示。
最后应该说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (2)

1.一种高压掺氢天然气环境中测量不同高度位置氢气浓度的实验方法，其特征在于，包括：
在高压原位拉伸机的高压釜中充入含不同浓度氢气的高压天然气/氢气混合气体；
在不同氢气浓度环境中固定高度位置对试样进行拉伸实验，测量试样的断面收缩率；
采用分压法确定所述固定高度位置处的氢气浓度；
建立在所述固定高度位置处试样的断面收缩率与氢气浓度的关系曲线，即：断面收缩率-氢气浓度关系曲线；
在一定氢气含量的天然气/氢气混合气体环境中不同的高度位置处进行拉伸试验，测量试样的断面收缩率；
根据所述断面收缩率-氢气浓度关系曲线，得到不同的高度位置处的氢气浓度；
所述拉伸试验为慢应变速率拉伸试验；
高压天然气/氢气混合气体的压力和掺氢比满足管输或储存的压力要求；
试样通过夹具固定在高压釜内，且在高压釜内的高度可自由调节；
测定固定高度位置处试样的断面收缩率时，拉伸试样的位置不发生改变；
测定不同的高度位置处的氢气浓度时，拉伸实验在高压釜中不同高度位置处进行；
所述不同的高度位置分别对应管道或储罐中的不同高度；
利用断面收缩率-氢气浓度关系之间的对应关系，准确检测储罐中不同高度下的氢气浓度。
2.如权利要求1所述的高压掺氢天然气环境中测量不同高度位置氢气浓度的实验方法，其特征在于，将不同高度位置的试样断面收缩率进行统计，通过将此数据带入到断面收缩率-氢气浓度关系曲线中进行反算，确定不同高度位置的氢气浓度。
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