阅读说明：本技术 一种混氢天然气管道阀室安全放空系统及方法 (System and method for safely emptying valve chamber of hydrogen-mixed natural gas pipeline ) 是由 陈俊文 汤晓勇 郭成华 谌贵宇 郭艳林 李天雷 杨帆 施岱艳 陈静 李科 于 2019-09-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种混氢天然气管道阀室安全放空系统及方法,系统包括干线截断系统、放空及放空补偿系统和空气置换系统。本发明通过设置临时空气置换系统排尽初始放空时放空管道内空气,从本质上保障初始放空阶段的安全操作；采用放空速率补偿系统,防止放空中后期管道内压力降低而造成介质流速过小,进而引起放空管压力降低的问题；同时,设置阻火器进一步提高系统防回火性能。通过本发明,实现混氢天然气管道的阀室安全放空。本发明一方面省去了设置运行期隔离放空系统中空气进入的设施,另一方面通过设置严谨的置换和补偿放空功能,避免了混氢天然气在阀室泄放中的安全问题。(The invention discloses a system and a method for safely emptying a hydrogen-mixed natural gas pipeline valve chamber. According to the invention, the temporary air replacement system is arranged to exhaust air in the emptying pipeline during initial emptying, so that the safe operation of the initial emptying stage is guaranteed essentially; the emptying rate compensation system is adopted to prevent the problem that the pressure of the emptying pipe is reduced due to the fact that the medium flow velocity is too small because the pressure in the pipe is reduced in the middle and later periods of emptying; meanwhile, the flame arrester is arranged to further improve the anti-backfire performance of the system. By the aid of the method, the valve chamber of the hydrogen-mixed natural gas pipeline is safely emptied. On one hand, the invention omits a facility for isolating air from the emptying system during the operation period, and on the other hand, the safety problem of the mixed hydrogen natural gas in the valve chamber discharge is avoided by setting strict replacement and compensation emptying functions.)

一种混氢天然气管道阀室安全放空系统及方法

技术领域

本发明涉及一种混氢天然气管道阀室安全放空系统及方法。

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、燃烧产物不污染环境、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。氢气运输是氢能利用的重要环节，采用可靠的管道输送方式连接氢气气源与目标用户，是优化能源消耗、推动氢能利用的关键。相比于高纯氢管道(氢气含量高于99％)直接铺向天然气干线管道(用于混合后，利用天然气干线长距离外输)或用户，混氢天然气管道具有资源调配灵活、管道利用率高的特点，可将上游氢气产品掺混进入临近的天然气支线管道，到达用户或天然气干线混合站，实现同管中远程输送，或用于将乙烷裂解生成的甲烷氢输送至用户或天然气干线混合站，这将成为未来较为热门的氢气资源长距离中继运输和利用途径。然而，氢气易于泄漏，且***极限宽(4％～75％)；同时，氢气泄放后极有可能产生自燃(燃烧)，燃烧机理主要包括了扩散自燃、摩擦自燃和点火燃烧，且极易发展为管道内部的爆燃或***。进一步地，掺混不同比例天然气后，氢气-天然气体系特性更为复杂。

混氢天然气输送管道系统的放空系统是其安全保障系统的核心之一，用于在超压、检修等工况下对管道中介质进行泄放。相比于管道首站和末站这类可依托大型泄放设施的场站，管道沿线阀室的放空系统安全配置问题需要综合考虑可行性、安全性和经济性等问题。对于混氢天然气体系，，在泄放初始阶段，有可能发生介质大量进入放空管道而引起的无点火源扩散自燃，也可能发生介质与管道剧烈摩擦引起的摩擦自燃，亦可能介质离开放空立管时在管口附近受外界点火引起燃烧；当密闭管道内发生燃烧后，极易诱发爆燃或***。同时，受氢气燃烧特性影响，在放空管道内可能产生强于天然气泄放的回火。因此，对于放空依托条件较好的大型站场，混氢天然气通过火炬系统可实现进行安全排放，但对于混氢天然气管道阀室的放空系统，由于依托条件相对较差，应进行放空系统安全、经济配置研究，保障放空安全，以弥补现有技术报道的空白和推动该领域技术进步。

发明内容

为了克服现有技术的缺点，本发明提供了一种混氢天然气管道阀室安全放空系统及方法，通过设置临时空气置换系统排尽初始放空时放空管道内空气，从本质上保障初始放空阶段的安全操作；采用放空速率补偿系统，防止放空中后期管道内压力降低而造成介质流速过小，进而引起放空管压力降低的问题；同时，设置阻火器进一步提高系统防回火性能。通过本发明，实现混氢天然气管道的阀室安全放空。

本发明所采用的技术方案是：一种混氢天然气管道阀室安全放空系统，包括干线截断系统、放空及放空补偿系统和空气置换系统，其中：

所述干线截断系统包括干线管道和设置在干线管道上的截断球阀，在截断球阀的上下游设置干线旁路，在干线旁路两端靠近干线的位置均安装旁路截断阀和压力变送器，在两个旁路截断阀之间的干线旁路上安装压力变送器；

所述放空及放空补偿系统包括与干线旁路依次连接的旁路外接管道、高压分支管、放空汇路、放空总管和放空火炬，在高压分支管的两个分支管道上均设置放空截断阀和限流孔板或调节阀；

所述空气置换系统包括在靠近两个旁路截断阀下游的干线旁路上设置的两个置换注气支管，在旁路外接管道和放空总管的起端及末端设置的三个置换排气支管，在两个置换注气支管上均设置有截断阀，在三个置换排气支管上均设置有截断阀和止回阀。

本发明还提供了一种混氢天然气管道阀室安全放空方法，包括如下内容：

步骤一、当混氢天然气管道干线需要检修时，远程关闭该段干线上游和下游的临近阀室的干线截断球阀；或当混氢天然气管道干线发生泄漏后，系统自动关闭泄漏位置所在干线上游和下游临近阀室的干线截断球阀；同时，保持两个旁路截断阀均关闭；

步骤二、当需要通过阀室对其上游干线或下游干线中的混氢天然气进行泄放时，利用1#可移动式氮气供应装置连接靠近下游或上游一侧的旁路注气支管的接头，开启放空及放空补偿系统两个分支管道上的放空截断阀，保持置换排气支管上和火炬垫层气注入支管上设置的四全截断阀均关闭，持续注入氮气至少10分钟，将放空管道内的空气推至放空火炬；同时间隔性地分别打开置换排气支管上的三个截断阀，保持每个截断阀开启至少0.5分钟，确保放空管道内空气就近排尽；然后关闭置换排气支管上的三个截断阀，继续保持氮气注入，同时利用2#可移动式氮气供应装置连接火炬垫层气注入支管的接口，开启火炬垫层气注入支管上的截断阀，通入氮气，将火炬垫层区的空气推至火炬出口以外；最后关闭一个分支管道上的放空截断阀；

步骤三、开启所需泄放管道一侧的旁路截断阀，并关闭1#可移动式氮气供应装置，混氢天然气进入放空系统，并通过一个分支管道上的限流孔板或调节阀限流降压后，进入放空管道；关闭2#可移动式氮气供应装置；火炬头持续点火，直至放空火炬出口的混氢天然气持续燃烧；

步骤四、当上游管道压力降低至50％后，开启另一个分支管道上的截断阀，直至泄放结束。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：

本发明根据混氢天然气中氢气的燃烧特性，基于氢气的燃烧机理，提出了一套合理的混氢天然气阀室安全放空系统。该系统一方面省去了设置运行期隔离放空系统中空气进入的设施，另一方面通过设置严谨的置换和补偿放空功能，避免了混氢天然气泄放中的安全问题。本系统的特点具体表现为：

(1)设置科学

本发明基于氢气放空自燃的基本原理，对混氢天然气管道阀室泄放采取慎重的泄放安全措施。通过设置放空管道置换、火炬垫层气置换，彻底隔离放空系统中空气；通过设置2路放空支管，进一步保障放空过程中的瞬时泄放速率，保持放空系统正压效果；通过设置火炬点火系统，通过介质燃烧，防止泄放扩散和空气吸入。综合各方面的措施，达到混氢天然气管道阀室安全放空的效果。

(2)经济性佳

本发明避免了设置长期运行的动力密封以隔离放空系统中空气的做法，结合阀室客观条件，选择了更为经济的泄放前置换方式。

(3)理念先进

目前，混氢天然气管道尚未在我国大范围建设，相关安全经验较少，鉴于该类介质中含有氢气，且氢气比例较高，因此在泄放过程中需重点关注基于氢气燃烧特性的泄放后果，本发明提出的思路和方法将对混氢天然气管道阀室安全泄放提供参考和借鉴。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为本发明的一种混氢天然气管道阀室安全放空系统的示意图。

具体实施方式

一种混氢天然气管道阀室安全放空系统，主要包括：干线管道1、截断球阀2、干线旁路3、压力变送器4/5/6、旁路截断阀7/8、旁路外接管道9、高压分支管10、放空截断阀11/13、限流孔板12/14、放空汇管15、放空总管16、放空火炬17、置换注气支管31/32、置换排气支管33/34/35、火炬垫层气注入支管36、截断阀18/19/20/22/24/26、止回阀21/23/25、流量变送器27、阻火器28。

其中，干线管道1、截断球阀2、干线旁路3、旁路截断阀7/8、压力变送器4/5/6等干线截断系统，负责在管道上游或下游出现故障或需要检修时指令截断球阀关闭，进行上下游隔离，以便进行分区放空，并在再启动时利用旁路减小上下游压差。旁路外接管道9、高压分支管10、放空截断阀11/13、限流孔板12/14、放空汇管15、放空总管16、放空火炬17、流量变送器27、阻火器28组成放空及放空补偿系统，负责干线中存储的混氢天然气的安全泄放，并保障泄放速度，维持放空管道正压力；置换注气支管31/32、置换排气支管33/34/35、火炬垫层气注入支管36、截断阀18/19/20/22/24/26、止回阀21/23/25等组成空气置换系统，负责在泄放前对放空管道进行空气排空。

通过本系统，对混氢天然气管道截断阀室的安全放空进行技术保障。在阀室放空前，通过放空管道深度置换，最大程度避免空气残余，保障放空安全，以代替设置持续性火炬密封的方案；在放空过程中，鉴于混氢天然气中受氢气影响而出现的放空回火问题，设置2路放空支管，在放空中后期进行泄放能力补偿，避免在放空中后期因上游压力降低而引起的放空管道内流速偏低，进而造成放空管道内正压力不足的问题；在放空末端设置现场点火功能的火炬，充分燃烧排出气体，有效避免排出气体泄放后的扩散***隐患。通过本系统，可实现混氢天然气管道阀室安全、经济放空，促进本领域相关技术发展。

具体地，所示系统中，干线管道1为混氢天然气管道，碳钢材质，连接上游管道和下游管道，在本例中表示为截断阀上游干线管道和截断阀下游干线管道；截断球阀2安装于干线管道1上，为电动球阀或气液联动球阀，负责在上游管道或下游管道泄漏或需要检修时，执行关闭动作；干线旁路3为碳钢材质，其两端分别连接截断球阀2上游管道和下游管道，起到连通的作用；旁路截断阀7/8为手动控制球阀，分别安装于干线旁路3上，并分别靠近上游干线和下游干线，起到选择控制干线放空管段的作用；在旁路截断阀7和上游干线之间的干线旁路3上安装压力变送器4；在旁路截断阀8和上游干线之间的干线旁路3上安装压力变送器6；在旁路截断阀7和旁路截断阀8之间的干线旁路3上安装压力变送器5。

具体地，所示系统中，旁路外接管道9连接干线旁路3，在放空时作为泄放介质进入下游放空系统的入口通道；高压分支管10一端连接旁路外接管道9，另外两端对称分布，并形成等径分支管，起到泄放初期动用1路分支通道、泄放中后期动用2路分支通道的作用；放空截断阀11、限流孔板12安装于单侧分支管道，放空截断阀13、限流孔板14安装于对侧分支管道，起到控制泄放通道和限制最大泄放量的作用；分支管道汇集于放空汇管15，放空汇管15为不锈钢材质，并连接下游放空总管16；放空总管16为不锈钢材质，埋地敷设至放空火炬17；在放空总管16的两端分别设置π型弯，起到在放空过程中，缓解介质冲击荷载的作用；在放空总管16靠近放空火炬17的末端，设置阻火器28，起到防止回火的作用；在放空总管16上设置流量变送器27，用于在氮气置换空气的过程中，监测介质流量，对放空管道堵塞进行预警。进一步地，泄放流量控制亦可选择设置调节阀，替代限流孔板。

具体地，所示系统中，置换注气支管31和32分别接入靠近旁路截断阀7和8下游临近的干线旁路3，并分别安装截断阀18和19，用于在置换过程中接入可移动式氮气供应装置，优选安装双截断阀，防止放空过程中置换注气支管泄漏放空介质；所述置换注气支管31和32不同时工作；置换排气支管33、34和35分别安装于旁路外接管道9、放空总管16起端和放空总管16末端，用于在氮气置换过程中，间隔性开启，以提供管道内潜在回旋空气的就近排出通道，提高置换效率；在置换排气支管上分别安装截断阀20/22/24和止回阀21/23/25，起到排空过程防止外界空气进入的作用，优选采用双截断阀，防止泄放过程中排气支管泄漏放空介质；在放空火炬17底部接入火炬垫层气注入支管36，并安装截断阀26，起到此处注入氮气，以排出火炬底部垫层空气的效果，优选采用双截断阀。

本发明的工作原理为：

当混氢天然气管道干线需要检修时或当混氢天然气管道干线发生泄漏后，截断球阀2受控进行关闭。在通过阀室放空上游干线或下游干线中的混氢天然气之前，为了排尽放空管路中的空气，避免混氢天然气泄放中发生扩散自燃，通过置换注气支管连接可移动式氮气供应装置，提供持续的氮气注入放空系统，置换放空系统中积存的空气，并通过放空火炬的出口排出；为了防止放空管道中存在残余空气，故设置了多处置换排气支管，在氮气置换过程中间隔性开启，便于进一步排尽附近残余的空气；在放空过程中，随着泄放进行，上游压力逐渐降低，为了避免泄放时放空管内长时间处于较低流速，并造成放空管内正压不足，因此设置了备用放空支路，以及时补充泄放速率；为了防止放空系统暴露在空气中而在内部形成铁锈，进而引起放空时摩擦自燃，因此将放空管路的材质选择为不锈钢；在放空管路上设置π型弯，以提高放空管路柔性，避免在泄放起始瞬间由于介质冲击引起的管路应力水平过高和形变过大的问题。通过上述手段，实现混氢天然气介质在阀室中的安全泄放。

本发明还公开了一种混氢天然气管道阀室安全放空方法，包括如下主要内容：

步骤一：当混氢天然气管道干线1需要检修时，远程关闭该段干线上游和下游的临近阀室的干线截断球阀(球阀2)；或当混氢天然气管道干线发生泄漏后，系统自动关闭泄漏位置所在干线上游和下游临近阀室的干线截断球阀(球阀2)，保持旁路截断阀7和8关闭。

步骤二：需要通过阀室对其上游干线或下游干线中的混氢天然气进行泄放时，利用1#可移动式氮气供应装置连接旁路注气支管的接头(若上游干线需要泄放，则连接靠近下游一侧的旁路注气支管32的接头；若下游干线需要泄放，则连接靠近上游一侧的旁路注气支管31的接头)，开启放空系统截断阀11和13，保持旁路排气支管的截断阀20/22/24/26关闭，持续注入氮气至少10分钟，将放空管道内的空气推至放空火炬；同时间隔性地分别打开排气支管的截断阀20/22/24，保持开启至少0.5分钟，确保放空管道内空气就近排尽；关闭排气支管的截断阀20/22/24，保持氮气注入，同时利用2#可移动式氮气供应装置连接火炬垫层气注入支管36的接口，开启截断阀26，通入氮气，将火炬垫层区的空气推至火炬出口以外；关闭1路放空支管截断阀13。若在氮气注入过程中，流量变送器27显示流量过低，则证明放空管道存在堵塞，应予以检修。

步骤三：开启所需泄放管道一侧的干线旁路截断阀7或8，并关闭1#可移动式氮气供应装置，混氢天然气进入放空系统，并通过1路放空支管的限流孔板12限流降压后，进入放空管道；关闭2#可移动式氮气供应装置；火炬头持续点火，直至放空火炬出口的混氢天然气持续燃烧。

步骤四：当上游管道压力降低至50％后，开启另1路放空支管的截断阀13，以提高混氢天然气泄放量，直至泄放结束。