CN117030531B - 一种地下内衬式岩洞储氢库垫层气浓度监测系统 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
技术领域
本发明涉及氢气储气库监测技术领域，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
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。
发明内容
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。
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；
其中，所述储气库模块用于储藏氢气和提供待测样本；
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；
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。
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。
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。
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；
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；
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；
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。
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；
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；
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。
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；
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；
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；
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；
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。
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；
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；
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；
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；
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；
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。
可选地，所述工作电极的电离反应为：H2→2H++2e-；
所述对电极的电离反应为：2H++2e-+PtO2→PtO+H2O。
可选地，所述压力平衡膜包括聚四氟乙烯薄膜
所述氢气半透膜包括PET半透膜。
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；
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；
所述数据计算单元用于计算垫层气浓度；
所述数据输出单元用于将所述垫层气浓度输出；
所述控制器用于程序控制。
本发明具有如下技术效果：
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。
附图说明
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。
图1为本发明实施例中的系统结构示意图；
图2为本发明实施例中的垫层气浓度传感器结构示意图；
附图说明：1、储氢库巷道；2、垫层气浓度传感器；3、数据处理单元；4、UPS电源；5、储氢库衬砌；6、连接电缆；7、注采管；8、多级密封器；9、注采口；10、岩层；201、外部壳体；202、中间壳体；203、压力传感器；204、浓硫酸电解质；205、对电极；206、工作电极；207、压力平衡膜；208、氢气半透膜；209、第一阀门；210、第二阀门；211、管体；212、泄压阀；213、温度传感器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
一种地下内衬式岩洞储氢库垫层气浓度监测系统，包括储氢库衬砌5、垫层气浓度传感器2、数据处理单元3；储氢库衬砌5的一侧贯通有管体211，管体211一侧安装垫层气浓度传感器2，可以监测储氢库内垫层气的浓度，浓度传感器与管体211通过第一阀门209连接，可以控制储氢库内气体进出第一管体，管体211远离储气库衬砌5一端安装有数据处理单元3，用于处理监测得到的压力值，数据处理单元3一侧安装有UPS电源4提供系统所需的能量，垫层气浓度传感器2与数据处理单元3通过连接电缆6连接。垫层气浓度传感器2包括氢气半透膜208、压力平衡膜207、对电极205、工作电极206、浓硫酸电解质204、泄压阀212、压力传感器203、第二阀门210、温度传感器213、壳体以及信号接头。垫层气浓度传感器2均匀布置在储氢库衬砌5上中下部。
一种地下内衬式岩洞储氢库垫层气浓度监测系统，储氢库衬砌5上中下贯通有管体211，管体211上部安装有垫层气浓度传感器2，垫层气浓度传感器2与管体211通过第一阀门209连接，当需要检测储氢库内垫层气浓度时，第一阀门209打开，库内气体通过管体进入垫层气浓度传感器2内，储氢库正常运行时，第一阀门209关闭，保障储氢库的密封性。
垫层气浓度传感器2采用基于催化反应的分压法，利用氢气在涂有催化剂的工作电极上的化学反应消耗，测量垫层气在库内气体中所占的分压，以此计算垫层气的浓度。库内待测气体通过管体进入垫层气浓度传感器2，第一阀门209关闭，压力传感器将此时的压力值P1传输到数据处理单元3，第二阀门210打开，待测气体中的氢气通过氢气半透膜208进入电解池，并在与工作电极207接触时发生电离反应①，工作电极表面的铂黑层作为催化剂。对电极205含有PtO2(电离反应②)，浸在酸性浓硫酸电解质204中，该电解质在高温下不沸腾，且导电。电解质溶液中氢气浓度始终为零，氢气半透膜208使第一空间中氢气在压力差的作用下流向第二空间。当第一空间内的氢气被完全电离后，测量第一空间的压力值P2，则P2/P1即为垫层气浓度。
工作电极反应①：H2→2H++2e-
对电极反应②：2H++2e-+PtO2→PtO+H2O
工作电极和对电极均采用铂片为基材。
测温元件位于垫层气浓度传感器2的外部壳体201上，其感温端与浓硫酸电解质204接触，且其另一端穿过外部壳体201通过连接电缆6与数据处理单元3连接，用于判定进入垫层气浓度传感器2里的待测气体中氢气是否被消耗完全。
压力平衡膜207采用聚四氟乙烯薄膜，用于平衡电解质与外部环境压力，氢气半透膜208采用PET半透膜，具备氢分子透过的性质。二者皆可耐浓硫酸腐蚀，耐高温。
数据处理单元3包括控制器、数据采集单元、数据计算单元及输出单元。数据采集单元用于记录压力传感器所测得待测气体初始压力值P1以及氢气被消耗的压力值P2，数据计算单元计算垫层气浓度C，C＝P2/P1×100％，数据输出单元将垫层气浓度输出，控制器控制上述程序。
垫层气浓度传感器2置于储氢库巷道1中，且均匀布置在储氢库衬砌5上中下部，组成垫层气浓度系统，可实现对地下内衬式岩洞储氢库中不同水平区域的垫层气浓度进行实时监测，UPS电源4为上述系统提供能量。
实施例二
如图1-2所示，一种地下内衬式岩洞储氢库垫层气浓度监测系统包括：储氢库巷道1、垫层气浓度传感器2、数据处理单元3、UPS电源4、储氢库衬砌5、连接电缆6、注采管7、多级密封器8、注采口9、岩层10及套管头11。
其中，垫层气浓度传感器2、数据处理单元3、UPS电源4位于储氢库巷道1中，垫层气浓度传感器2与数据处理单元3通过连接电缆6相连，UPS电源4为本系统提供必要的能量。
本实施例的垫层气浓度传感器2包括外部壳体201、中间壳体202、压力传感器203、浓硫酸电解质204、对电极205、工作电极206、压力平衡膜207、氢气半透膜208、第一阀门209、第二阀门210、管体211、泄压阀212及温度传感器213。
其中，外部壳体201的材质为聚四氟乙烯，中间粘结有中间壳体202，中间壳体202下部粘结有氢气半透膜208，控制氢气进出，中间壳体202将外部壳体201与管体211围成的传感器空间一分为二、其中左部空间为压力监测单元，右部为电解氢气单元。
压力监测单元右上部接有压力传感器203，通过连接电缆6与数据处理单元3连接，左上部安装有泄压阀212，左下部通过第一阀门209与管体211连接。电解氢气单元内充满浓硫酸电解质204，其中部嵌有对电极205及工作电极206，双电极一端分别穿过外部壳体201通过导线连接，导线上串接有电阻，右下部安装有压力平衡膜207，上部安装有温度传感器213通过连接电缆6与数据处理单元3连接。
压力监测单元由外部壳体201、中间壳体202及管体211围成，其中管体211与储氢库衬砌5连接，接口处有第一阀门209，需要检测垫层气浓度时，第一阀门209打开，储氢库内的气体通过管体211进入压力检测单元，随后第一阀门209关闭，压力检测单元右上部压力传感器203测量此时的压力值P1，此后，第二阀门210打开，待测气体中的氢气在压力差的作用下，穿过氢气半透膜208不断进入电解氢气单元被电解，由于电解氢气会有热量产生，温度传感器213监测浓硫酸电解质204的温度，当温度稳定时，被视作氢气被完全电解，此时第二阀门210关闭。压力监测单元内被视作充满垫层气，压力传感器203测量此时压力值P2，则垫层气浓度C＝P2/P1×100％，此后，泄压阀212打开，保持压力监测单元内的压力值与环境压力相同，压力平衡膜207保持浓硫酸电解质204内压力与环境压力一致。
本实施例中温度传感器213穿过外部壳体201且其感温端与浓硫酸电解质204接触。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (6)
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；
其中，所述储气库模块用于储藏氢气和提供待测样本；
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；
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。
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；
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)；
其中，所述垫层气浓度传感器(2)经所述管体(211)与所述储氢库衬砌(5)连接，所述垫层气浓度传感器(2)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；
所述数据处理单元(3)将所述连接电缆(6)与所述垫层气浓度传感器(2)连接，所述数据处理单元(3)用于处理监测所述垫层气浓度传感器(2)得到的压力值；
所述UPS电源(4)与所述数据处理单元(3)连接，所述UPS电源(4)用于为监测系统提供能量；
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；
所述压力监测单元与所述储氢库衬砌(5)连接，所述压力监测单元用于监测垫层气的压力值；
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；
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)；
所述第一阀门(209)安装于所述压力监测单元的左下部，且与所述管体(211)连接，所述第一阀门(209)用于控制储氢库内的待测样本进入所述压力监测单元；
所述压力传感器(203)安装于所述压力监测单元的右上部，且经所述连接电缆(6)与所述数据处理单元(3)连接，所述压力传感器(203)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；
所述氢气半透膜(208)安装于所述压力监测单元的右下部，且所述中间壳体(202)连接，所述氢气半透膜(208)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；
所述泄压阀(212)安装于所述压力监测单元的左上部，且与所述外部壳体(201)连接，所述泄压阀(212)用于保持所述压力监测单元内的压力值与环境压力相同。
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。
3.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)；
其中，所述第二阀门(210)与所述管体(211)连接，所述第二阀门(210)用于控制压力差；
所述浓硫酸电解质(204)充满所述电解氢气单元，用于提供电解质溶液；
所述对电极(205)和所述工作电极(206)嵌于外部壳体(201)，且所述对电极(205)和所述工作电极(206)经导线与电阻串联，用于电解氢气；
所述压力平衡膜(207)安装于所述电解氢气单元的右下部，所述压力平衡膜(207)用于设备屏障保护；
所述温度传感器(213)嵌于所述外部壳体(201)，所述温度传感器(213)的一端与所述浓硫酸电解质(204)接触，另一端经连接电缆(6)与所述数据处理单元(3)连接，所述温度传感器(213)用于监测所述浓硫酸电解质(204)的温度。
4.根据权利要求3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，
所述工作电极(206)的电离反应为：H2→2H++2e-；
所述对电极(205)的电离反应为：2H++2e-+PtO2→PtO+H2O。
5.根据权利要求3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，
所述压力平衡膜(207)包括聚四氟乙烯薄膜
所述氢气半透膜(208)包括PET半透膜。
6.根据权利要求3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；
其中，所述数据采集单元用于记录所述压力传感器(203)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；
所述数据计算单元用于计算垫层气浓度；
所述数据输出单元用于将所述垫层气浓度输出；
所述控制器用于程序控制。
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