[发明专利]一种高压掺氢天然气管道泄漏自燃实验装置

说明书

本发明提供了一种高压掺氢天然气管道泄漏自燃实验装置，整个装置由压缩空气瓶、高压氮气瓶、高压甲烷瓶、高压氢气瓶、阀门、静态混合器、高压储罐、吹扫管道、主体实验管道、可拆卸泄漏片及障碍物、防护箱、高速摄像机、变送器、压力传感器、温度传感器、静电传感器、光电二极管、压力表、真空泵、缓冲罐、尾气回收瓶组成。通过改变阀门开度以及高压气体初始温度可以制取不同温度、压力、掺氢量下的掺氢天然气；通过安装不同可拆卸泄漏片可以对不同泄漏口截面形状进行实验；从而测试高压掺氢天然气从管道中泄漏后是否发生自燃。本发明克服了现有装置不能对掺氢天然气管道泄漏自燃过程进行实验的缺点，可实现多种情况下的实验，减少了实验成本。

技术领域

本实用新型属于油气安全技术领域，具体涉及一种高压掺氢天然气管道泄漏自燃实验装置。

背景技术

氢能是支撑国家实现“碳中和、碳达峰”战略能源目标的新型能源载体，氢气由于其燃烧过程只产生水，正受世界各国重视。高压储存是当前氢能的主要储存方式，利用四通八达、遍布全国的在役天然气管网将氢气输送至千家万户则是实现氢气大规模、长距离输送的有效途径，还可大大减少单独建设氢气输送管道的投资。

但是氢气具有极低的最小点火能(0.02mJ)，高压氢气在泄漏时由于摩擦静电、激波加热等因素，导致气体温度升高最终达到点火工况，使氢气发生自燃导致更加严重事故的发生。在氢气泄漏燃烧爆炸事故中，有约60％的事故中没有明显点火源，再加上氢气对钢管具有氢脆作用，高压氢气易从钢质储存容器中泄漏，氢气的泄漏自燃风险不容忽视。当前认为导致高压氢气泄漏自燃的机理主要有逆焦耳汤姆逊效应、扩散点火、静电点火、机械摩擦和撞击等，其中扩散点火是公认对高压氢气泄漏自燃贡献最大的机理，并且众多实验研究也是基于此理论进行开展的。扩散点火理论指高压氢气泄漏释放到空气中时，会在氢气射流前方形成激波，激波产生高温高压，并加热激波后方空气，高温空气与射流前沿之间会形成一定区域的氢-空气混合层，当混合层温度达到点火温度且氢气浓度处于点火范围中时，经过一段时间延迟便会发生自燃现象。高压纯氢气从发生泄漏到形成自燃喷射火的间隔时间一般为几十μs，能引起氢气泄漏自燃的最低泄漏压力为1.6-2.3MPa，当前国内在役天然气输送管道的输送压力可达4-10MPa，满足氢气泄漏自燃的压力要求。

高压氢气的泄漏自燃特征有别于传统天然气的泄漏过程。氢气掺入天然气后，掺氢天然气的组分、最小点火能、爆炸极限等物性参数与纯氢气不同，将导致掺氢天然气的泄漏自燃特征与氢气又不相同。研究掺氢天然气输送管道在什么样掺氢浓度、泄放温度和压力等条件下泄漏会发生自燃，对于合理控制掺氢天然气输送管道运行参数、实现氢能大规模安全输送具有重要的现实意义。

据调查，对于可燃气体泄漏自燃的研究，主要采用仿真模拟和实验两种方法。实验方面，在现有的专利中，专利CN111458371A《预混气粉自燃实验管道及实验方法》设计了一种对气粉自燃过程进行研究的实验装置；CN108931499A《一种煤自燃氧气浓度实验测试装置及实验测试方法》设计了一种测试煤自燃浓度的测试装置及测试方法。但目前未有一种对高压掺氢天然气管道泄漏自燃过程的实验装置，综合目前掺氢天然气输送管道在什么样掺氢浓度、泄放压力和泄漏孔径等条件下泄漏会发生自燃不清楚的问题，故本专利所述的装置对研究高压掺氢天然气管道泄漏自燃过程进而得出输气管道安全运行边界条件是有必要的。

高压掺氢天然气管道泄漏自燃是一个复杂的过程，影响自燃的因素包括气体泄漏温度、泄漏压力、泄漏口形状、泄漏口外是否存在障碍物等。采用高速摄像、传感器检测等方法，对不同条件下的高压掺氢天然气管道泄漏自燃规律进行研究，不仅可以深化自燃点火机理，还可以为高压掺氢天然气管道安全输送方案的制定提供实验依据和理论支撑。

发明内容