CN114486119A - 一种室外埋地掺氢管道泄漏扩散试验装置及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种室外埋地掺氢管道泄漏扩散试验装置及试验方法，该试验装置包括：依次通过主管道相连的供气单元、控制单元、放空单元、泄漏扩散单元；所述供气单元用于稳定气源供应；所述控制单元用于对所述供气单元输出的气体流量进行控制；所述放空单元用于管路清理；所述泄漏扩散单元用于气体释放以及气体扩散和传感器布置；以及数据采集单元，用于记录所述泄漏扩散单元内温度和气体浓度变化。本发明适用于稳态泄漏工况下连续气体释放过程的模拟和监测，整个试验装置搭建简便，试验流程实现远程操控，安全性能好，试验结果可重复性高的优点，能够广泛应用于管道泄漏检测技术领域。
Description
技术领域
本发明属于管道泄漏检测技术领域，具体涉及一种室外埋地掺氢管道泄漏扩散试验装置及操作方法。
背景技术
为了应对持续恶化的环境污染问题，受环境和经济等方面的制约因素促使各国正在努力寻找替代碳基燃料的清洁能源和运输方式。在这种背景下，氢气正成为一种可能的新能源载体，而氢气的输送是氢能利用过程中的关键环节。
目前，在氢气储备和集输等基础设施还不完善的条件下，一种可行的解决方案是在现有的天然气管输网络中添加氢气，通过掺入一定比例的氢气使大规模、长距离输送氢气成为一种可行方式。国内外学者已经对合理利用天然气管道输送氢气展开了相关研究。其中，最重要的问题是在天然气中添加大量氢气对管道运输的安全影响。由于氢气独特的物理和化学性质，使得现有天然气站场的一些安全距离标准需要进一步的修订和验证。因此，开展埋地掺氢天然气管道泄漏扩散的试验研究，对于未来氢能广泛应用并建立管道的安全评价机制有着重要的指导意义。
然而，申请人对已有的研究分析后发现，目前对于埋地管道泄漏测试主要存在以下问题：
(1)目前的埋地管道泄漏测试大多在实验室展开，实验介质往往采用空气代替，不能真实反应实际可燃气体的泄漏扩散特征；
(2)对于在室外开展全尺度可燃气体的泄漏扩散实验，实验模拟流程相对复杂，缺少一套完整的设计规范和操作流程，泄漏孔口的尺寸和形态固定，往往较难更换；
(3)对于泄漏扩散中测试气体浓度的传感器，往往缺乏合理的布置，导致测试点重复，不能最大限度的利用传感器数量和测试范围。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种室外埋地掺氢管道泄漏扩散试验装置及试验方法。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种室外埋地掺氢管道泄漏扩散试验装置，其包括：
依次通过主管道相连的供气单元、控制单元、放空单元、泄漏扩散单元；
所述供气单元用于稳定气源供应；
所述控制单元用于对所述供气单元输出的气体流量进行控制；
所述放空单元用于管路清理；
所述泄漏扩散单元用于气体释放以及气体扩散和传感器布置；
以及数据采集单元，用于记录扩散气体的温度和浓度变化。
进一步，所述供气单元为一组串联连接的掺氢甲烷气瓶，各所述掺氢甲烷气瓶的输出口通过减压阀和压力表与所述主管道相连。
进一步，所述控制单元包括依次设置在所述主管道上的第一截止阀、质量流量计、过滤器、干燥器、压力表和第二截止阀；所述第一截止阀和第二截止阀用于关闭所述主管道中的气源供应；所述质量流量计和压力表分别用于对所述主管道内的气体流量和气体压力进行监测；所述过滤器和干燥器分别用于对所述主管道内的气体进行过滤和干燥。
进一步，所述放空单元包括第一放空单元和第二放空单元；
所述第一放空单元包括第一旁通管、第一高压氮气瓶、第三截止阀和放空阀；所述第一高压氮气瓶通过所述第一旁通管连接入所述主管道，且所述第一旁通管上设置有所述第三截止阀，用于控制所述第一高压氮气瓶输出的气体流量；所述放空阀设置在所述第一旁通管末端；
所述第二放空单元包括第二旁通管、第二高压氮气瓶、第四截止阀和气开型气动阀；所述第二高压氮气瓶通过所述第二旁通管与设置在所述主管道上的所述气开型气动阀相连，且所述第二旁通管上设置有所述第四截止阀，用于通过控制所述第二高压氮气瓶输出的气体流量进而控制所述气开型气动阀的启闭状态。
进一步，所述泄漏扩散单元包括泄漏管道、试验土坑和传感器组；
所述泄漏管道一端通过法兰与所述主管道连接，所述泄漏管道另一端垂直向下布置，且所述泄漏管道末端或侧壁设置有若干不同尺寸和形态的泄漏孔口；
所述试验土坑为以所述泄漏管道为高构成的长方体区域，并将所述泄漏管道完全包裹在内；
所述传感器组布置在所述试验土坑内，包括温度传感器、氢气传感器和甲烷传感器，所述温度传感器布置在所述泄漏管道的泄漏孔口，所述氢气传感器和甲烷传感器均匀布设在所述试验土坑内的各测点处，分别用于对所述试验土坑内的泄漏气体的温度、氢气浓度和甲烷浓度进行实时监测，并发送到所述数据采集单元。
进一步，所述泄漏管道采用304不锈钢管。
进一步，各所述氢气传感器和甲烷传感器探头垂直向下布置。
进一步，所述数据采集单元包括数据传输线、防爆电箱和数据记录仪；所述数据传输线将实时记录的传感器测量数据通过所述防爆电箱传输到设置在远端的所述数据记录仪进行储存。
进一步，所述数据传输线为带屏蔽材质的信号线。
第二方面，本发明提供一种室外埋地产氢管道泄漏扩散试验方法，其包括以下步骤：
将供气单元、控制单元、放空单元和泄漏管道依次连接到主管道上；
对连接完成的试验装置进行管路吹扫和气密性检测；
根据传感器数量和测试需求，对实验土坑和传感器组进行布置；
测试之前，对管道内的气体进行置换，包括采用氮气对管道内的空气进行置换以及采用测试的掺氢甲烷气体对管道内的氮气进行置换；
测试过程中，打开相关阀门使掺氢甲烷气体在实验土坑内达到饱和，并对数据进行采集；
测试完成后，对管路进行重扫，同时对泄漏管道、实验土坑进行重新布置后，进行下一组试验。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
(1)本发明室外埋地掺氢管道泄漏扩散试验装置适用于模拟在不同稳态泄漏工况下气源连续供应的真实气体泄漏扩散过程，泄露管道通过法兰与主管道相连，泄漏孔口方便更换，实现了氢气和甲烷浓度在地下扩散过程的实时监测；
(2)试验中制定了完整的设计规范和详细的操作流程，通过气体置换和放空环节，降低了管道内杂质气体对可燃气体浓度的影响，提高了测试结果的精度；
(3)整个试验装置搭建简便，占地小，试验流程实现远程操控，易于控制，安全性能高，考虑测点的对称布置极大节省了传感器的数量，易于安装和更换，试验结果可重复性高的优点。
因此，本发明可以广泛应用于管道泄漏检测技术领域。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明提供的一种室外埋地掺氢管道泄漏扩散试验装置的结构示意图；
图2为本发明提供的一种室外埋地掺氢管道泄漏扩散试验装置中传感器布置的俯视图；
图3为本发明提供的一种室外埋地掺氢管道泄漏扩散试验方法中模拟管道泄漏测试操作方法的流程图；
图中各附图标记如下：1、掺氢甲烷气瓶组；2、主管道；3、第一截止阀；4、质量流量计；5、过滤器；6、干燥器；7、压力表；8、第二截止阀；9、第一旁通管；10、第一高压氮气瓶；11、第三截止阀；12、放空阀；13、第二高压氮气瓶；14、第四截止阀；15、第二旁通管；16、气开型气动阀；17、法兰；18、泄漏管道；19、温度传感器；20、试验土坑；21、氢气传感器；22、甲烷传感器；23、数据传输线；24、防爆电箱；25、数据记录仪。
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的附图，对本发明实施例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的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
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申请的示例性实施方式。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。
本发明涉及一种室外埋地掺氢管道泄漏扩散试验装置及试验方法，该试验装置包括：依次通过主管道相连的供气单元、控制单元、放空单元、泄漏扩散单元；供气单元用于稳定气源供应；控制单元用于对所述供气单元输出的气体流量进行控制；所述放空单元用于管路清理；泄漏扩散单元用于气体释放以及气体扩散和传感器布置；以及数据采集单元，用于记录气体温度和气体浓度变化。本发明适用于稳态泄漏工况下连续气体释放过程的模拟和监测，整个试验装置搭建简便，试验流程实现远程操控，安全性能好，试验结果可重复性高的优点，能够广泛应用于管道泄漏检测技术领域。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种室外埋地产氢管道泄漏扩散试验装置，其包括依次通过主管道相连的供气单元、控制单元、放空单元、泄漏扩散单元。其中，供气单元用于稳定气源供应；控制单元用于对供气单元输出的气体流量进行控制；放空单元用于管路清理；泄漏扩散单元用于气体释放以及气体扩散和传感器布置；数据采集单元用于记录泄漏扩散单元内温度和气体浓度变化。
优选地，供气单元为一组串联连接的掺氢甲烷气瓶，各掺氢甲烷气瓶的输出口通过减压阀和压力表与主管道2相连。
其中，供气单元的供气方式不仅限于气瓶组方式，还可以采用高压掺氢甲烷气罐供应，只需要满足工程中实际供气量要求即可。
优选地，控制单元包括依次设置在主管道2上的第一截止阀3、质量流量计4、过滤器5、干燥器6、压力表7和第二截止阀8，其中，第一截止阀3和第二截止阀8用于关闭主管道中的气源供应；质量流量计4和压力表7分别用于对主管道2内的气体流量和气体压力进行监测；过滤器5和干燥器6分别用于对主管道2内的气体进行过滤和干燥。
优选地，第一截止阀3、质量流量计4、过滤器5、干燥器6、压力表7和第二截止阀8与主管道2的连接方式包括焊接、螺纹连接和法兰连接。
优选地，放空单元包括第一放空单元和第二放空单元。其中，第一放空单元包括第一旁通管9、高压氮气瓶10、第三截止阀11和放空阀12；高压氮气瓶10通过第一旁通管9连接入主管道2；第三截止阀11设置在高压氮气瓶10和第一旁通管之间，用于控制高压氮气瓶10输出的气体流量；放空阀12设置在第一旁通管9末端，用于放空主管道气体；第二放空单元包括第二旁通管15、高压氮气瓶13、第四截止阀14和气开型气动阀16，其中，高压氮气瓶13通过第二旁通管15与设置在主管道2上的气开型气动阀16相连，且第二旁通管15上设置有第四截止阀14，用于通过控制高压氮气瓶13输出的气体流量进而控制气开型气动阀16的启闭状态。
优选地，泄漏扩散单元包括泄漏管道18、试验土坑20和传感器组。其中，泄漏管道18一端通过法兰17与主管道2连接，泄漏管道18另一端垂直向下布置，且泄漏管道18末端或侧壁设置有若干不同尺寸和形态的泄漏孔口；试验土坑20为以泄漏管道18为基准构成的长方体区域，并将泄漏管道18完全包裹在内；传感器组布置在试验土坑20内，包括温度传感器19、氢气传感器21和甲烷传感器22，其中，温度传感器19布置在泄漏管道18的泄漏孔口，氢气传感器21和甲烷传感器22均匀布设在试验土坑20内的各测点处，分别用于对试验土坑20内的泄漏气体的温度、氢气浓度和甲烷浓度进行实时监测，并发送到数据采集单元。
优选地，泄漏管道18采用304不锈钢管，也可以依据不同试验工况需要自行更换材质。
优选地，试验土坑20内的土壤性质，包括孔隙度、压实度和湿度等均可以通过试验测试需要自行改变。
优选地，温度传感器19采用K型热电偶。
优选地，氢气传感器21和甲烷传感器22将探头垂直向下布置，便于检测气体浓度。其中，氢气传感器和甲烷传感器的布置考虑气体泄漏扩散的对称性，试验仅测试四分之一区域，得到整个区域的气体浓度扩散范围，减少了传感器的布置数量，充分利用试验测试范围。
优选地，数据采集单元包括数据传输线23、防爆电箱24和数据记录仪25；其中，数据传输线23将实时记录的传感器测量数据通过防爆电箱24传输到远端的数据记录仪25进行储存。
优选地，数据传输线23为带屏蔽材质的信号线。
实施例2
基于实施例1提供的一种室外埋地掺氢管道泄漏扩散试验装置，本实施例提供一种室外埋地产氢管道泄漏扩散试验装置的试验方法，包括以下步骤：
步骤一：将供气单元、控制单元、放空单元和泄漏管道18依次连接到主管道2上。
具体的，将试验用的掺氢甲烷气瓶组1连接进入主管道2，再依次连接第一截止阀3、质量流量计4、过滤器5、干燥器6、压力表7和第二截止阀8，在主管道2上分别连接第一旁通管9和第二旁通管15，第一旁通管9上连接高压氮气瓶10、第三截止阀11和放空阀12，第二旁通管15上连接高压氮气瓶13、第四截止阀14和气关型气动阀16，最后将泄漏管道18通过法兰17连接入主管道2。
步骤二：对管路进行吹扫。
具体地，关闭第一截止阀3和放空阀12，打开第二截止阀8，关闭第四截止阀14控制的高压氮气瓶13，此时气开型气动阀16打开，打开第三截止阀11控制的高压氮气瓶10对管路进行带压吹扫，清除管路中的杂质。
步骤三：对管路进行试压检查气密性。
具体地，关闭第一截止阀3和放空阀12，打开第四截止阀14控制的高压氮气瓶13对气开型气动阀16进行升压，此时气开型气动阀16关闭，打开放空单元中控制高压氮气瓶10的第三截止阀11开始升压，直至压力表7显示到管路的额定压力，关闭第三截止阀11，静止等待24h观察管路中压力表7示数是否有下降，判断管路是否有泄漏，之后开始试验测试。
步骤四：根据传感器数量和测试需求，对试验土坑20和传感器组进行布置。
具体地，挖合适尺寸和深度的试验土坑20，将泄漏管道18布置在试验土坑20的长宽夹角处，埋置指定深度，将温度传感器19埋在泄漏管道18的泄漏孔口附近，氢气传感器21和甲烷传感器22依次布置进试验土坑20内，采用夯土机对土壤进行压实处理，取一块试验土测试土壤性质，包括孔隙度、压实系数和颗粒含量等。
步骤五：测试之前，对管道内的气体进行置换，包括采用氮气对管道内的空气进行置换以及采用测试的掺氢甲烷气体对管道内的氮气进行置换。
具体地，关闭第一截止阀3和放空阀12，打开第四截止阀14控制的高压氮气瓶13对气开气动阀16进行升压，此时气开气动阀16关闭，打开放空单元中控制高压氮气瓶10的第三截止阀11对管道进行冲压至1MPa左右，置换管道内的空气，打开放空阀12进行放空，置换并放空两次后管道内充满氮气，此时打开控制供气单元掺氢甲烷气瓶组1的第一截止阀3和第二截止阀8，关闭第三截止阀11和放空阀12，保持气动阀16关闭，向主管道2内注入掺氢甲烷气体至1MPa左右，打开放空阀12放空管道内的气体，用测试的掺氢甲烷气体置换管道内的氮气，重复两次后，主管道2内将充满测试用的掺氢甲烷气体。
步骤六：测试过程中，打开相关阀门使掺氢甲烷气体在实验土坑内达到饱和，并对数据进行采集。
测试开始，打开控制掺氢甲烷气瓶组1的阀门，打开第一截止阀3和第二截止阀8并关闭第三截止阀11和放空阀12，关闭控制高压氮气瓶13的第四截止阀15使气动阀16保持开启，调节第一截止阀3至气体流量和压力达到试验要求值，此时通过控制泄漏时间至土壤达到饱和，关闭掺氢甲烷气瓶组1阀门和第一截止阀3，通过数据采集单元记录土壤内的温度、氢气和甲烷浓度的变化特征并进行储存。
步骤七：测试完成后，对管路进行重扫，同时对泄漏管道、实验土坑进行重新布置后，进行下一组试验。
具体地，每次测试结束后重复上述步骤二对管路进行氮气吹扫，其次重复步骤五置换管道和土壤中残存的氢气和甲烷气体，然后打开法兰17将泄漏管道18从试验土坑20中取出，更换不同泄漏孔径和形状的泄漏管道18，并调整泄漏方向进行下一组试验。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种室外埋地掺氢管道泄漏扩散试验装置，其特征在于，包括：
依次通过主管道相连的供气单元、控制单元、放空单元和泄漏扩散单元；
所述供气单元用于稳定气源供应；
所述控制单元用于对所述供气单元输出的气体流量进行控制；
所述放空单元用于管路清理；
所述泄漏扩散单元用于气体释放、气体扩散和传感器布置；
以及数据采集单元，用于记录扩散气体的温度和浓度变化。
2.如权利要求1所述的一种室外埋地掺氢管道泄漏扩散试验装置，其特征在于，所述供气单元为一组串联连接的掺氢甲烷气瓶，各所述掺氢甲烷气瓶的输出口通过减压阀和压力表与所述主管道相连。
3.如权利要求1所述的一种室外埋地掺氢管道泄漏扩散试验装置，其特征在于，所述控制单元包括依次设置在所述主管道上的第一截止阀、质量流量计、过滤器、干燥器、压力表和第二截止阀；所述第一截止阀和第二截止阀用于关闭所述主管道中的气源供应；所述质量流量计和压力表分别用于对所述主管道内的气体流量和气体压力进行监测；所述过滤器和干燥器分别用于对所述主管道内的气体进行过滤和干燥。
4.如权利要求1所述的一种室外埋地掺氢管道泄漏扩散试验装置，其特征在于，所述放空单元包括第一放空单元和第二放空单元；
所述第一放空单元包括第一旁通管、第一高压氮气瓶、第三截止阀和放空阀；所述第一高压氮气瓶通过所述第一旁通管连接入所述主管道，且所述第一旁通管上设置有所述第三截止阀，用于控制所述第一高压氮气瓶输出的气体流量；所述放空阀设置在所述第一旁通管末端；
所述第二放空单元包括第二旁通管、第二高压氮气瓶、第四截止阀和气开型气动阀；所述第二高压氮气瓶通过所述第二旁通管与设置在所述主管道上的所述气开型气动阀相连，且所述第二旁通管上设置有所述第四截止阀，用于通过控制所述第二高压氮气瓶输出的气体流量进而控制所述气开型气动阀的启闭状态。
5.如权利要求1所述的一种室外埋地掺氢管道泄漏扩散试验装置，其特征在于，所述泄漏扩散单元包括泄漏管道、试验土坑和传感器组；
所述泄漏管道一端通过法兰与所述主管道连接，所述泄漏管道另一端垂直向下布置，且所述泄漏管道末端或侧壁设置有若干不同尺寸和形态的泄漏孔口；
所述试验土坑为以所述泄漏管道为高构成的长方体区域，并将所述泄漏管道完全包裹在内；
所述传感器组布置在所述试验土坑内，包括温度传感器、氢气传感器和甲烷传感器，所述温度传感器布置在所述泄漏管道的泄漏孔口，所述氢气传感器和甲烷传感器均匀布设在所述试验土坑内的各测点处，分别用于对所述试验土坑内的泄漏气体的温度、氢气浓度和甲烷浓度进行实时监测，并发送到所述数据采集单元。
6.如权利要求5所述的一种室外埋地掺氢管道泄漏扩散试验装置，其特征在于，所述泄漏管道采用304不锈钢管。
7.如权利要求5所述的一种室外埋地掺氢管道泄漏扩散试验装置，其特征在于，各所述氢气传感器和甲烷传感器探头垂直向下布置。
8.如权利要求1所述的一种室外埋地掺氢管道泄漏扩散试验装置，其特征在于，所述数据采集单元包括数据传输线、防爆电箱和数据记录仪；所述数据传输线将实时记录的传感器测量数据通过所述防爆电箱传输到设置在远端的所述数据记录仪进行储存。
9.如权利要求1所述的一种室外埋地掺氢管道泄漏扩散试验装置，其特征在于，所述数据传输线为带屏蔽材质的信号线。
10.一种采用如权利要求1～9任一项所述装置的室外埋地产氢管道泄漏扩散试验方法，其特征在于包括以下步骤：
将供气单元、控制单元、放空单元和泄漏管道依次连接到主管道上；
对连接完成的试验装置进行管路吹扫和气密性检测；
根据传感器数量和测试需求，对实验土坑和传感器组进行布置；
测试之前，对管道内的气体进行置换，包括采用氮气对管道内的空气进行置换以及采用测试的掺氢甲烷气体对管道内的氮气进行置换；
测试过程中，打开相关阀门使掺氢甲烷气体在实验土坑内达到饱和，并对数据进行采集；
测试完成后，对管路进行重扫，同时对泄漏管道、实验土坑进行重新布置后，进行下一组试验。
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