CN216202530U - 一种含氢天然气管道停输安全保障的装置系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种含氢天然气管道停输安全保障的装置系统，所述装置系统包括并联设置的干线系统和支线系统以及分别与干线系统和支线系统相连的监测控制指导系统；所述支线系统包括压缩回收支管和设置在压缩回收支管上的压缩回收装置，监测控制指导系统中的控制系统分析压力监测装置的监测结果，控制及指导压缩回收装置启停及开关干线截断装置。本实用新型所述装置系统采用间隔式压缩转移‑释放平压模式，实现含氢天然气管道的安全停输，并有效避免了管段含氢天然气放空浪费。

Description

一种含氢天然气管道停输安全保障的装置系统

技术领域

本实用新型涉及含氢天然气管道安全保障技术领域，尤其涉及一种含氢天然气管道停输安全保障的装置系统。

背景技术

氢气作为新能源重要发展方向之一，与传统化石燃料相比，其具有热值高、产物不污染环境、来源广泛、可再生的显著优势，被称为未来的清洁能源，将成为人类未来解决日益严峻的能源和环境问题的一条新途径。随着能源利用效率提高，利用天然气附属产品裂解所制氢气、风电能或水电能电解水所制氢气的技术日益成熟且存在市场需求。产出的氢气加入已建天然气管道进行长距离输送，具有氢气资源远程调度或直接提高天然气清洁度的优点，是一种较为高效的氢气利用手段。这类管道称为含氢天然气管道，其氢气掺混浓度一般低于10％(体积分数)，且大多需要复核并满足已建天然气管道的材质要求。

氢气在钢制管道中高压输送时，氢损伤是管道安全保障的关键控制问题。通过较为准确地氢气浓度、操作压力、操作温度等综合比选分析后，确定管道材料性能，以保障输送安全。对于含氢天然气管道，若以掺混氢气浓度作为管道选材评价依据，在混氢天然气体系流动状态下是可行的。然而，需要注意的是，氢气的摩尔质量远低于天然气，虽然流动过程中可保证体系介质较好混合，但在管道停输时，管道中留存的氢气-天然气介质将发生较为明显的分层现象，这将导致管道局部氢气分压高于设计工况。尤其对于拟掺混氢气输送(原始氢气浓度小于10％)的已建天然气管道，一般采用较高钢级的管材，一旦发生停输后聚集引起的氢气局部浓度过高，可能引起管道氢损伤风险，因此对于停输后氢气聚集的问题应当引起重视。

CN111322521A公开了一种基于氢气积聚控制的含氢天然气管道安全保障系统及方法，系统包括干线系统、阀室系统、沿途监测系统和控制系统；该含氢天然气管道安全保障系统在明确管道抗氢损伤能力(材料最低氢损伤分压)和氢气聚集分压安全值的基础上，利用流场分析软件进行典型长直管道介质压力和停输时间对停输后体系氢气聚集浓度的影响规律模拟，制定以局部氢分压达到氢气聚集分压安全值为限的安全停输时间标准，并进一步利用管道配置的阀室系统安装沿程监测系统，以实时测量多点的氢气聚集浓度和计算氢气聚集分压，以从停输时间和实时浓度测量这两个角度控制管道间歇性进行指标超限后的排放，以兼顾管道停输安全和减少持续排放。但是上述方法需要对含氢管道介质进行放空，会造成能源的极大浪费，而且由于含氢介质排放，在放空过程中易出现火灾、爆炸等危险事故。

关于管道停输安全，CN108758349A公开了一种中长距离液体硫磺管道停输和再启动安全泄放系统及方法，系统包括液体硫磺管道停输稳压系统、液体硫磺管道停输泄放系统、硫磺再熔化压力保护系统。该系统通过选择并设置沿途典型低点停输泄放系统和高点稳压系统，能够最大程度将停输后管道内的硫磺利用其余温排放至系统外，降低凝固膨胀和再启动不均匀膨胀对管道系统的威胁；再熔化时，通过设置低点安全泄放系统，辅以管道系统的加热程序，进一步降低低点积聚的凝固硫磺不均匀熔化膨胀风险，主动将硫磺从管道内壁和中空管内侧排出系统，提供了更多膨胀空间。该方法虽然也适用于含氢天然气管道实现安全停输，但需要放空，会造成严重能源浪费，并可能引发安全问题。

CN108763809A公开了一种复杂输油管道系统在泄漏事故时的停输方法，该停输方法包括以下步骤：1)建立泄漏管道停输数学模型；2)对泄漏管道停输数学模型中管道系统的计算区域进行离散；3)进行站外输油管道泄漏时停输过程中阀门操作方法；4)进行站内复杂输油管道系统停输过程中阀门操作方法。该停输方法根据实际复杂输油管道系统，建立了其停输过程中的水力瞬变数学模型，确定管道系统的停输方法，给出停输过程中阀门的动作方案，实现在规定的约束条件下，安全有效地进行管道停输操作。但该停输方法并不适合含氢天然气管道停输时实现安全保障。

因此，为推动含氢管道输送技术发展，从本质上提高含氢管道输送的安全，开发一种含氢天然气管道停输安全保障的装置系统，既能避免含氢管道停输分层导致的氢积聚损伤风险同时避免含氢介质放空带来的高昂成本和放空时的安全问题、环境污染问题具有重要意义。

实用新型内容

鉴于现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种含氢天然气管道停输安全保障的装置系统，从管道运行安全性控制的角度，基于高钢级钢材的安全氢气聚集浓度作为保障对象，采取压缩回收转移和释放平压两种对冲操作破坏含氢天然气分层，有效延长含氢天然气管道安全停输时间。

为达此目的，本实用新型采用以下技术方案：

本实用新型提供一种含氢天然气管道停输安全保障的装置系统，所述装置系统包括干线系统、支线系统和监测控制指导系统；

所述干线系统和支线系统并联设置，所述监测控制指导系统分别与干线系统和支线系统相连；

所述支线系统包括压缩回收支管和设置在压缩回收支管上的压缩回收装置，所述压缩回收装置包括依次连接的增压设备和冷却设备；所述压缩回收支管设置在干线截断装置的两侧，并且与干线管道相连；

所述监测控制指导系统包括压力监测装置和控制系统。

本实用新型所述含氢天然气管道停输安全保障的装置系统通过设置支线系统，在停输时间临近安全停输时间时，采用压缩回收装置将干线截断装置一侧管段内含氢天然气回收至另一侧管段内，保持干线截断装置两侧管道中的介质充分扰动、混合，破坏氢气-天然气分层并形成相邻两段停输管道的压力差，然后停输；基于新的工况确定新的安全停输时间，并在新的安全停输时间临近时，打开干线截断装置连通相邻两段停输管道，使高压管段内含氢天然气流向相邻的低压管段，保持干线截断装置两侧管道中的介质再次充分扰动、混合，破坏氢气-天然气分层，平压后再次停输。以此循环，最终达到大幅延长允许停输时间和防止管道氢损伤的效果。本实用新型所述含氢天然气管道停输安全保障的装置系统相较于采用含氢天然气介质泄放的方式进行调节的装置系统而言，有效避免了含氢天然气泄放导致的能源浪费和放空可能导致的安全隐患，而且本实用新型中的压缩回收装置为移动橇装式，仅在停输需要时进行连接并在不同管道、站场、阀室复用，节约占地及装置投资。

本实用新型所述控制系统分析压力监测装置的监测结果，反馈控制及指导压缩回收装置启停及开关干线截断装置

本实用新型所述干线管道连接站场和/或阀室，负责含氢天然气的输送；所述干线截断装置负责停输工况干线截断，将干线管道截断为两个管段，设置在被截断的两个管段之间。

优选地，所述干线截断装置的数量至少为一个。

优选地，所述增压设备的数量至少为一个。

优选地，所述增压设备包括压缩机。

优选地，所述冷却设备的数量至少为一个。

优选地，所述冷却设备包括冷却器。

本实用新型对所述增压设备和冷却设备的安装顺序没有特殊限定，即可以沿着含氢天然气流动方向先设置增压设备再设置冷却设备，也可以沿着含氢天然气流动方向先设置冷却设备再设置增压设备。当压缩回收装置中包含多个增压设备和冷却设备时，增压设备与冷却设备间隔设置。

优选地，所述压缩回收装置经压缩回收支管与干线管道连通。

优选地，在所述压缩回收支管上自干线管道向外依次设置有压力监测装置和旁路截断装置。

本实用新型所述旁路截断装置与压缩回收装置之间可以采用法兰连接，也可以是采用其他方便拆装的方式进行连接。

优选地，所述压力监测装置的数量至少为两个。

优选地，所述旁路截断装置的数量至少为两个。

本实用新型提供的含氢天然气管道停输安全保障的装置系统的使用方法包括如下步骤：

(1)获取含氢天然气管道在氢气-天然气体系中，不同停输工况下的停输压力和安全停输时间的关系；

(2)监测控制指导系统对比停输的干线管道的工况与步骤(1)所述关系，得出安全停输时间，在实际停输时间临近安全停输时间时，监测控制指导系统控制或指导压缩回收支管上的旁路截断装置和压缩回收装置进行第一调节；

(3)当干线截断装置的一侧管段再次临近监测控制指导系统最新确定的工况下的安全停输时间时，监测控制指导系统控制干线截断装置进行第二调节；

(4)循环进行步骤(2)和步骤(3)，直至含氢天然气管道重新启动或含氢天然气管道停运工况下无氢气聚集损伤风险。

本实用新型所述含氢天然气管道停输安全保障的装置系统的使用方法基于含氢天然气管道停输过程中氢气分布规律和分布浓度的模拟预测，确定不同停输工况下的停输压力和安全停输时间的关系；采取间隔式压缩转移-释放平压模式，调控含氢天然气的压缩回收及释放操作，避免含氢天然气管道在停输中由于氢气聚集引起损伤。

本实用新型步骤(3)中所述当干线截断装置的一侧管段再次临近监测控制指导系统最新确定的工况下的安全停输时间指在实际停输情况下，含氢天然气管道中的气体介质通过支线系统被压缩转移的过程中，被干线截断装置分为两段的干线管道：被转移走含氢天然气介质的管段和接收含氢天然气介质的管段的安全停输时间不同，根据最先达到安全停输时间管段情况，监测控制指导系统控制干线截断装置进行第二调节。

本实用新型所述压缩回收装置是移动橇装的设备，当实际停输时间临近安全停输时间前，在压缩回收支管上连接压缩回收装置。这样仅在停输需要时进行连接压缩回收装置可实现在不同管道、站场复用，节约占地及装置投资。

具体地，本实用新型提供的含氢天然气管道停输安全保障的装置系统的使用方法包括如下步骤：

(1)确定含氢天然气管道的抗氢损伤能力和氢气聚集分压安全值后，在氢气-天然气体系中，不同停输工况下对含氢天然气管道进行氢气聚集值和分压安全值模拟，获取含氢天然气管道的停输压力和安全停输时间的关系；

(2)监测控制指导系统对比停输的干线管道的工况与步骤(1)所述关系，得出安全停输时间，在实际停输时间临近安全停输时间时，当监测控制指导系统监测到被干线截断装置截断停输的含氢天然气管道的停输时间临近工况下的安全停输时间时，打开支线系统中的旁路截断装置，启用支线系统中的压缩回收装置将干线截断装置一侧的第一管段中的部分含氢天然气转移至干线截断装置另一侧的第二管段，直至第二管段的操作压力临近安全操作上限压力或第一管段的压力降低至选定的停输压力时，停止压缩回收装置运行并关闭旁路截断装置；

(3)当监测控制指导系统监测到干线截断装置任意一侧的管段临近工况下的最新安全停输时间时，打开干线系统中的干线截断装置，直至干线截断装置两侧压力平衡后，关闭干线截断装置；

(4)循环进行步骤(2)和步骤(3)，直至含氢天然气管道重新启动或含氢天然气管道停运工况下无氢气聚集损伤风险。

与现有技术相比，本实用新型至少具有以下有益效果：

(1)本实用新型提供的含氢天然气管道停输安全保障的装置系统对停输后的含氢天然气管道采取压缩回收转移和平压的循环模式，大幅延长了含氢天然气管道的停输时间，同时避免了含氢天然气放空导致的能源浪费和放空可能导致的安全隐患；

(2)本实用新型提供的含氢天然气管道停输安全保障的装置系统基于不同停输工况下的停输压力和安全停输时间的关系，通过监测控制指导系统调控含氢天然气的压缩回收及释放操作，避免停输管道由于氢气聚集引起损伤。

附图说明

图1是本实用新型实施例1提供的含氢天然气管道停输安全保障的装置系统的示意图。

图中：1-第一管段；2-第二管段；3-干线截断阀；41-第一支线管段；42-第二支线管段；51-第一旁路截断阀；52-第二旁路截断阀；6-压缩机；7-冷却器；81-第一压力监测仪；82-第二压力监测仪；91-第一法兰；92-第二法兰。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本实用新型的技术方案。

下面对本实用新型进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本实用新型的简易例子，并不代表或限制本实用新型的权利保护范围，本实用新型的保护范围以权利要求书为准。

需要理解的是，在本实用新型的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

需要说明的是，在本实用新型的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

本领域技术人员理应了解的是，本实用新型中必然包括用于实现工艺完整的必要管线、常规阀门和通用机泵设备，但以上内容不属于本实用新型的主要实用新型点，本领域技术人员可以基于工艺流程和设备结构选型进可以自行增设布局，本实用新型对此不做特殊要求和具体限定。

实施例1

本实施例提供一种含氢天然气管道停输安全保障的装置系统，如图1所示，所述装置系统包括干线系统、支线系统和监测控制指导系统；所述干线系统和支线系统并联设置，所述监测控制指导系统分别与干线系统和支线系统相连；所述支线系统包括压缩回收支管和压缩回收装置。

所述干线系统包括干线管道和干线截断阀3；所述干线管道被干线截断阀3截断为第一管段1和第二管段2；所述压缩回收装置包括压缩机6和冷却器7；所述压缩回收装置经压缩回收支管与干线管道连通；所述压缩回收支管包括第一支线管段41和第二支线管段42；所述第一支线管段41与第一管段1相连，所述第二支线管段42与第二管段2相连；在第一支线管段41自干线管道向外依次设置有第一压力监测仪81和第一旁路截断阀51，在第二支线管段42自干线管道向外依次设置有第二压力监测仪82和第二旁路截断阀52；所述第一旁路截断阀51与压缩机6之间通过第一法兰91连接，所述第二旁路截断阀52与冷却器7之间通过第二法兰92连接。

本实施例还提供使用上述的含氢天然气管道停输安全保障的装置系统的方法，所述方法包括如下步骤：

(1)确定含氢天然气管道的抗氢损伤能力和氢气聚集分压安全值后，在氢气-天然气体系中，不同停输工况下对含氢天然气管道进行氢气聚集值和分压安全值模拟，获取含氢天然气管道的停输压力和安全停输时间的关系；

(2)监测控制指导系统对比停输的干线管道的工况与步骤(1)所述关系，得出安全停输时间，在实际停输时间临近安全停输时间时，当监测控制指导系统监测到被干线截断阀3截断停输的含氢天然气管道的停输时间临近工况下的安全停输时间时，打开支线系统中的第一旁路截断阀51和第二旁路截断阀52，启用支线系统中的压缩机6和冷却器7将干线截断阀一侧的第一管段1中的部分含氢天然气转移至干线截断阀另一侧的第二管段2，直至第二管段2的操作压力临近安全操作上限压力或第一管段1的压力降低至选定的停输压力时，停止压缩机6和冷却器7运行并关闭第一旁路截断阀51和第二旁路截断阀52；

(3)当监测控制指导系统监测到干线截断装置任意一侧的管段临近工况下的最新安全停输时间时，打开干线系统中的干线截断阀3，直至干线截断阀3两侧压力平衡后，关闭干线截断阀3；

(4)循环进行步骤(2)和步骤(3)，直至含氢天然气管道重新启动或含氢天然气管道停运工况下无氢气聚集损伤风险。

本实施例提供的含氢天然气管道停输安全保障的装置系统，根据不同停输工况下的停输压力和安全停输时间的关系，通过监测控制指导系统调控干线截断阀和旁路截断阀的开闭，实现了含氢天然气压缩回收转移和平压，不断循环此步骤，有效避免了停输管道由于氢气聚集引起的损伤，大大延长了含氢天然气管道的停输时间。

对比例1

本对比例提供一种基于氢气积聚控制的含氢天然气管道安全保障系统，所述系统采用CN111322521A的具体实施方式中公开的含氢天然气管道安全保障系统。

本对比例还提供采用上述基于氢气积聚控制的含氢天然气管道安全保障系统的方法，所述方法采用CN111322521A的具体实施方式中公开的方法。

本对比例提供的基于氢气积聚控制的含氢天然气管道安全保障系统及方法，需要对含氢管道介质进行放空，造成能源的极大浪费的同时可能由于含氢介质排放引发火灾、爆炸等。

综上所述，本实用新型提供的含氢天然气管道停输安全保障的装置系统延长了含氢天然气管道的停输时间，为含氢天然气管道抢修等提供了更多的时间；而且不需要对含氢天然气进行放空，减少了天然气的浪费且避免了放空可能导致的安全隐患。

申请人声明，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本实用新型的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种含氢天然气管道停输安全保障的装置系统，其特征在于，所述装置系统包括干线系统、支线系统和监测控制指导系统；

所述干线系统和支线系统并联设置，所述监测控制指导系统分别与干线系统和支线系统相连；

所述干线系统包括干线管道和设置于干线管道上的干线截断装置；

所述支线系统包括压缩回收支管和设置在压缩回收支管上的压缩回收装置，所述压缩回收装置包括依次连接的增压设备和冷却设备；所述压缩回收支管设置在干线截断装置的两侧，并且与干线管道相连；

所述监测控制指导系统包括压力监测装置和控制系统。

2.根据权利要求1所述的含氢天然气管道停输安全保障的装置系统，其特征在于，所述干线截断装置的数量至少为一个。

3.根据权利要求1所述的含氢天然气管道停输安全保障的装置系统，其特征在于，所述增压设备的数量至少为一个。

4.根据权利要求1所述的含氢天然气管道停输安全保障的装置系统，其特征在于，所述增压设备包括压缩机。

5.根据权利要求1所述的含氢天然气管道停输安全保障的装置系统，其特征在于，所述冷却设备的数量至少为一个。

6.根据权利要求1所述的含氢天然气管道停输安全保障的装置系统，其特征在于，所述冷却设备包括冷却器。

7.根据权利要求1所述的含氢天然气管道停输安全保障的装置系统，其特征在于，所述压缩回收装置经压缩回收支管与干线管道连通。

8.根据权利要求1所述的含氢天然气管道停输安全保障的装置系统，其特征在于，在所述压缩回收支管上自干线管道向外依次设置有压力监测装置和旁路截断装置。

9.根据权利要求8所述的含氢天然气管道停输安全保障的装置系统，其特征在于，所述压力监测装置的数量至少为两个。

10.根据权利要求8所述的含氢天然气管道停输安全保障的装置系统，其特征在于，所述旁路截断装置的数量至少为两个。

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