CN113639198A - 一种基于绿氢掺氧预防掺氢天然气管道氢脆的***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及掺氢天然气管网运输领域，旨在提供一种基于绿氢掺氧预防掺氢天然气管道氢脆的***及方法。该方法包括：按体积比例0.05％～0.5％将氧气掺入氢气中，得到掺氧氢气；将掺氧氢气掺入天然气中，得到掺氢天然气；掺氧氢气在掺氢天然气中的体积百分比为1％～20％。本发明利用特定量氧气对氢气在管材中氢脆有抑制作用的机理，通过掺氧抑制天然气管道氢脆现象，保障掺氢天然气管道安全输送；本发明使用可再生能源制氢***，可以同时获得的氢气和氧气，能够最大程度降低生产、运输成本，可实现综合效益最大化。

Description

一种基于绿氢掺氧预防掺氢天然气管道氢脆的***及方法
技术领域
本发明属于掺氢天然气管网运输领域，特别涉及一种基于绿氢掺氧预防掺氢天然气管道氢脆的***及方法。
背景技术
绿氢是以可再生能源(如风电、水电、太阳能等)作为制氢装置能量来源，在制氢过程完全没有碳排放。“碳达峰、碳中和”对能源消费结构变革提出重大需求，氢能作为来源多样、储运便捷、利用高效的清洁能源，是实现双碳目标和可再生能源大规模储能的重要手段。安全经济输运是氢能发展的关键环节之一。我国天然气管网分布范围广，建造规模大，利用在役或新建天然气管网进行氢能源输送，被认为是当前实现大规模氢气输送利用的最佳方式。
但在役或新建天然气管材与氢气/掺氢天然气相容性问题仍不可忽视。氢气/掺氢天然气的理化性质较为特殊，且氢气/掺氢天然气对管道材料性能有劣化作用，有可能导致管道过早失效，引发重大安全事故，故管材与氢气/掺氢天然气相容性研究的不足，使其应用面临严峻挑战。
国内外多家机构对此方面展开研究。美国圣地亚国家实验室和韩国标准科学研究院均已进行了纯氢/模拟掺氢天然气环境下材料性能原位测试研究，分析材料力学性能演化规律；国内浙江大学开展了国产天然气管道的氢与管材金属相容性实验数据库的建设等。
目前相关领域代表性成果有：发明专利202011477933.1“一种掺氢天然气运输分离***及其控制方法”、发明专利202011634936.1“一种纯氢输运分配管网***及其控制方法”、发明专利202011191416.8“一种掺氢天然气的中低压配气管网建模方法”等，但这些纯氢/掺氢天然气运输方法只是在输运分配和运输方法上进行了设计，均未考虑氢会导致天然气管道产生氢致损伤(氢脆)的问题。
因此，通过在役天然气管网或新建天然气管道输送掺氢天然气，是降低氢气运输成本的重要途径，但亟需解决氢气与天然气管网用钢的氢相容性问题，建立一种基于绿氢掺氧预防掺氢天然气管道氢脆的***及方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种基于绿氢掺氧预防掺氢天然气管道氢脆的***及方法。
为解决技术问题，本发明的解决方案是：
提供一种基于绿氢掺氧预防掺氢天然气管道氢脆的方法，包括：
(1)按体积比例0.05％～0.5％将氧气掺入氢气中，得到掺氧氢气；
(2)将掺氧氢气掺入天然气中，得到掺氢天然气；掺氧氢气在掺氢天然气中的体积百分比为1％～20％。
作为优选方案，所述氢气来源于风电、水电或太阳能制氢***，纯度大于99％。
作为优选方案，在将氧气掺入氢气中时，通过控制混合速度和混合压力，使混合前后气体的温差不超过20℃；混合后的掺氧氢气压力控制在1～15MPa。
作为优选方案，在将掺氧氢气掺入天然气中时，控制掺氧氢气的温度在天然气温度范围的±10℃以内。
作为优选方案，所述氢气来源于可再生能源制氢***，是风电制氢***、水电制氢***或太阳能制氢***中的任意一种。
本发明进一步提供了用于实现前述方法的基于绿氢掺氧预防掺氢天然气管道氢脆的***，包括可再生能源制氢***、氢氧混合***、压力温度控制***、浓度平衡控制***、掺氢天然气输送***和集成终端控制***；
所述氢氧混合***包括氢氧混合设备，通过管路分别连接可再生能源制氢***中的氢气产出口和氧气产出口；氢氧混合***的掺氧氢气排放口还通过管路连接至掺氢天然气输送***；
所述压力温度控制***包括设于可再生能源制氢***、氢氧混合***、掺氢天然气输送***和各连接管路上的温度监测元件和压力检测元件，通过有线或无线的通信方式电连接至集成终端控制***；
所述浓度平衡控制***包括设于可再生能源制氢***、氢氧混合***、掺氢天然气输送***和各连接管路上的浓度监测仪，通过有线或无线的通信方式电连接至集成终端控制***；
所述集成终端控制***具有设于本地或云端的控制平台，控制平台通过有线或无线的通信方式连接设于各***中或各连接管路上的阀门，以控制掺氧氢气、掺氢天然气的生产及输送。
作为优选方案，所述可再生能源制氢***是风电制氢***、水电制氢***或太阳能制氢***中的任意一种。
作为优选方案，所述掺氢天然气输送***还包括通过输送管路连接的天然气输送转运储罐和用户终端。
发明原理描述：
天然气输运管道多为管线钢，当天然气中掺入氢气时，管线钢材处于高压富氢环境中，管线钢便会产生高压氢脆现象。在金属受载过程中，氢气分子吸附在金属表面，发生氢分子解离、渗透、扩散、偏聚等过程，造成金属材料塑性、韧性损伤或氢致塑性断裂。在材料力学试验中，高压氢脆对高强度管线钢的屈服强度和抗拉强度影响较小，但会使管材的塑性和疲劳性能降低，导致材料过早失效从而引发严重的事故。
申请人的发明人团队经深入研究发现，一些氢气和X(X＝附加气体)的混合物会促进或抑制氢的脆化效应。其中，氧气是最强的抑制剂之一，与氢气相比，氧气具有较强电负性，与大多数金属具有更高的反应性。因为氢脆发生首先需要氢气在金属表面发生吸附、解离过程，而氧气会先于氢气发生吸附解离，在金属表面形成一层薄氧化层，从而阻止金属表面氢气分子的吸附和解离。并且研究表明，在一定条件下，氧气含量越高，对氢脆抑制作用越强。但此过程氢脆作用只能抑制而不能被消除，首先因为氢气中氧含量不宜过高，否则有***危险；其次因为氧气不能阻断所有氢气的解离位点。
国家标准GB4962-2008《氢气使用安全技术规程》规定氢气***中氢气中氧的体积分数不得超过0.5％。但是，该规定和记载氢气中含微量氧研究成果的其它相关文献，其研究方向均是从氢气***安全范围去考虑，并未将该安全范围的数据与高压氢脆的抑制作用关联起来。因此，该规定与本发明技术方案的技术出发点是完全不同的。
绿氢生产最大副产物为氧气，且氧气无毒无害。因此，根据以上两点发明原理，将一定量氧气掺入氢气中，形成混合气；再将此混合气掺入掺氢天然气管道中进行掺氢天然气运输，便能实现在一定程度上抑制氢气对天然气管道氢脆的作用下，保证掺氢天然气安全、低成本运输。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明利用特定量氧气对氢气在管材中氢脆有抑制作用的机理，能够在有效降低氢气输运成本的基础上，通过掺氧抑制天然气管道氢脆现象，保障掺氢天然气管道安全输送；
2、本发明通过浓度平衡控制***和压力温度控制***，能够实现掺氢和掺氧的浓度实时严密监测，以便通过反馈进行动态调整氢氧混合***中氢氧配比，能够对不同来源的天然气进行多变组分下的适应性掺杂；同时能通过压力温度控制***将混合装置中温度变化和压力变送进行控制，保障混合安全。
3、本发明的氢气来源为使用风电、水电或太阳能等可再生能源制氢***，可以同时获得氧气这一副产物，能够最大程度降低生产、运输成本，可实现综合效益最大化。
附图说明
图1为本发明的总体***和方法示意框图。
具体实施方式
本发明通过利用一定量氧气对氢气在管材中氢脆有抑制作用的机理，设计一种基于绿氢掺氧预防掺氢天然气管道氢脆的***及方法，能够解决氢气对天然气管道材料产生氢脆作用的问题，降低掺氢天然气运输的风险指数。
首先，本发明通过设计相应的实验进行验证：特定含量的氧气掺入氢气在管材中对氢脆有抑制作用；更进一步地，将含有特定含量氧气的氢气掺入天然气，也同样对管材中氢脆有抑制作用。具体如下：
验证实验一：特定含量的氧气掺入氢气对管材氢脆有抑制作用。
将管线钢疲劳试样在1～15MPa含不同浓度梯度氧含量的高压氢环境中进行力学性能实验，分析氢脆敏感度指数和疲劳寿命。该压力数值的选择依据是：天然气经过气田集输管道后在产地、城镇门站之间输送的管道，设计压力通常在4.2MPa～13.9MPa之间，因此主要测试该压力区间的管材相关性能。
考虑到氢气***范围为4.0％～75.6％(体积浓度)，GB4962-2008《氢气使用安全技术规程》规定氢气***中氢气中氧的体积分数不得超过0.5％，因此设定实验为按照按体积比例0.05％～0.5％将氧气掺入氢气，高于此范围有***风险。实验结果显示：在该高压氢气环境中，随着掺入氧气含量升高，材料氢脆敏感度降低，疲劳性能提高；同时，低于此范围的掺氧量时，对氢脆的抑制效果不明显。按体积比例0.05％～0.5％将氧气掺入氢气是掺氧氢气的最佳选择范围。
验证实验二：含有特定含量氧气的氢气掺入天然气，对管材的氢脆效应有抑制作用。
将管线钢疲劳试样在1～15MPa含不同浓度梯度掺氧氢气的天然气环境下进行力学性能实验，分析氢脆敏感度指数和疲劳寿命。
考虑到国家相关规范对掺氢天然气掺氢浓度建议范围是5％～20％，低于此范围氢气运载量小，高于此范围时管材安全性存在风险。因此设定实验为按体积比例1％～20％将掺氧氢气掺入到天然气管网中。实验结果显示：在管道输送天然气的压力环境中，保持掺氧氢气掺入天然气浓度不变，随着氢气中掺氧含量升高，管线钢氢脆敏感度降低，疲劳性能提高；保持氢气中掺氧含量不变，随着混入天然气中掺氧氢气浓度升高，管线钢氢脆敏感度升高，疲劳性能下降。因此，掺氧氢气的体积百分比为1％～20％是其在掺氢天然气中掺入比例的最佳选择范围。
下面结合本发明的总体***和方法示意框图对本发明具体实施方式作进一步详细描述。
附图1中给出了本实例中的总体***和方法的较佳示意框图，但是本发明所涉及的技术形式可以以其他类似的方案实施，并不仅仅局限于附图1所给出的示意框架。更精确地讲，本发明所给出的实施流程是该发明所涉及技术领域中较为透彻全面理解本发明技术路线的较好方式。
除本发明外另有定义词汇外，本发明中所使用的全部技术和科学术语均与本发明技术领域内所属技术人员通常理解的内容相同。本发明内容和实施路线中所使用的术语只是为了更好地表达本发明技术流程中具体实施的步骤，并不仅仅局限在所描述的术语内。
本发明提供了一种基于绿氢掺氧预防掺氢天然气管道氢脆的方法，包括：
(1)按体积比例0.05％～0.5％将氧气掺入氢气中，得到掺氧氢气；在将氧气掺入氢气中时，通过控制混合速度和混合压力，使混合前后气体的温差不超过20℃；混合后的掺氧氢气压力控制在1～15MPa。所述氢气选用来源于风电、水电或太阳能制氢***的绿氢；在制氢过程完全没有碳排放，属于可再生能源；所用氢气纯度应大于99％。
(2)将掺氧氢气掺入天然气中，得到掺氢天然气；掺氧氢气在掺氢天然气中的体积百分比为1％～20％。在将掺氧氢气掺入天然气中时，控制掺氧氢气的温度在天然气温度范围的±10℃以内。掺氢天然气基本符合国家标准GB_T 37124-2018《进入天然气长输管道的气体质量要求》中对于氧气组分含量≤0.1％的要求。
本发明提供了一种基于绿氢掺氧预防掺氢天然气管道氢脆的***，其***构成的示意框图如图1所示。该***包括可再生能源制氢***、氢氧混合***、压力温度控制***、浓度平衡控制***、掺氢天然气输送***和集成终端控制***；其中，所述可再生能源制氢***是风电制氢***、水电制氢***或太阳能制氢***中的任意一种。氢氧混合***包括氢氧混合设备，通过管路分别连接可再生能源制氢***中的氢气产出口和氧气产出口；氢氧混合***的掺氧氢气排放口还通过管路连接至掺氢天然气输送***；掺氢天然气输送***还包括通过输送管路连接的天然气输送转运储罐和用户终端。压力温度控制***包括设于可再生能源制氢***、氢氧混合***、掺氢天然气输送***和各连接管路上的温度监测元件和压力检测元件，通过有线或无线的通信方式电连接至集成终端控制***；浓度平衡控制***包括设于可再生能源制氢***、氢氧混合***、掺氢天然气输送***和各连接管路上的浓度监测仪，通过有线或无线的通信方式电连接至集成终端控制***；集成终端控制***具有设于本地或云端的控制平台，控制平台通过有线或无线的通信方式连接设于各***中或各连接管路上的阀门，以控制掺氧氢气、掺氢天然气的生产及输送。
本发明***中的压力、温度和浓度的调节，均通过集成终端控制***通过有线或无线的通信方式控制设于各***中或各连接管路上的阀门来实现，最终得以控制掺氧氢气、掺氢天然气的生产及输送。
基于该***的更具体的实施内容包括：
所述氢氧混合***由可再生能源制氢(例如西北地区的风能、光能电解水制氢等)产生的氧气和氢气以比例0.05％～0.5％的范围进行混合控制，其中氢气纯度要求99％以上，氧气和氢气浓度分别由浓度监测仪1和浓度监测仪2监测。因为氢氧混合会有热交换过程，因此氢氧混合***受压力温度控制***监控；同时因为氢氧混合***控制氢氧混合，需要接受来自浓度监测反馈的浓度信号进行控制，因此氢氧混合***又受到浓度平衡控制***监控。
所述压力温度控制***包括氢氧混合***、压力变送元件和温度监测元件。氢氧混合***由于氢氧混合会产生热交换因此要受到压力温度控制***监控，通过混合速度和混合压力控制混合温差不超过20℃；压力变送元件通过调控和监测氢氧混合气的压力达到1～15MPa，将监测的数据传输进入压力温度控制***；温度监测元件负责监测氢氧混合气进入天然气管道前一刻的温度，控制温度范围在天然气温度范围±10℃以内，以防温度过高/低或温差过大威胁到天然气管道掺氢安全性，温度监控元件将监测温度数据反馈给压力温度控制***。
所述浓度平衡控制***包括浓度监测仪1、浓度监测仪2、浓度监测仪3、浓度监测仪4和氢氧混合***。浓度监测仪1和浓度监测仪2分别控制电解水制氢产物氢气和氧气混气前的量，浓度监测仪3负责监测氢氧混合后实际氢氧混合比，浓度监测仪4负责监测掺氢天然气输送管道中氢气和氧气的含量。浓度平衡控制***通过四个浓度监测仪的监测数据控制氢氧混合***中氢氧混合的比例和含量。
本发明中，氢氧混合***同时受压力温度控制***和浓度平衡控制***调控，氢氧混合所产生的温度变化由压力温度控制***监控，浓度平衡控制***接收到反馈会同时作用于氢氧混合***以便其进行混合比例调控。所述集成控制***对压力温度控制***、掺氢天然气输送***、浓度平衡控制***(氢氧混合***已由浓度平衡控制***控制)进行云端计算机集成控制和处理。
如果氢氧混合前输入的氢气和氧气比例和含量不在规定范围内，氢氧混合***收到浓度平衡控制***中浓度监测仪1和浓度监测仪2反馈的数据，从而对混合***中混合气比例和含量进行调整到规定范围；如果浓度监测仪3监测到混合后氢氧混合气比例和含量不在规定范围内，氢氧混合***收到浓度平衡控制***中浓度监测仪3反馈的数据，从而对混合***中混合气比例和含量进行调整到规定范围；如果天然气掺氢管道中浓度监测仪4监测到实际输送过程中氢氧比例和含量不在规定范围内，那么氢氧混合***会收到浓度平衡控制***中浓度监测仪4反馈的数据，从而对混合***中混合气比例和含量进行调整到规定范围。此套流程构成浓度平衡控制***，能够对不同来源的天然气进行复杂组分下的适应性掺杂。
具体控制的流程包括：
可再生能源制氢产生的氧气和氢气通过氢氧混合***混合，混合前氢气和氧气浓度由浓度监测仪1和浓度监测仪2监测，数据传给浓度平衡控制***；混合后混合气浓度由浓度监测仪3控制，数据传给浓度平衡控制***；混合气经过压力温度控制***中压力变送元件和温度监测元件集成处理，数据经过压力温度控制***传给集成控制***；浓度、温度、压力合格的混合气进入掺氢天然气输送***，浓度监测仪4在掺氢天然气输送管道中监测氧气和氢气的含量，数据传给浓度平衡控制***；集成终端控制***对所有数据进行分析，判断是否符合规定范围，如不符合则对各***实行调整。
作为绿色能源综合利用的一种示例，掺氢天然气输送***包括提供天然气的天然气输送转运储罐、输送管道、掺氢天然气输送管道、用户终端。氢氧混合***中氢气和氧气均由未利用峰值风电、光电等进行电解水制氢产生。浓度监测仪4监测最终掺氢天然气输送管道的氢气和氧气的成分，能够将原始天然气中所含微量氢气和氧气考虑在内，将浓度信号经过浓度平衡控制***反馈至氢氧混合***，实现浓度监测仪配合控制，保证掺氢和掺氧的浓度范围控制在国家标准规定的范围内。
以上所述，仅是本发明的一个实施案例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的结构及技术内容做出某些更动或修改而成为等同变化的等效实施案例。
凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施案例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案范围内。

Claims (8)

1.一种基于绿氢掺氧预防掺氢天然气管道氢脆的方法，其特征在于，包括：
(1)按体积比例0.05％～0.5％将氧气掺入氢气中，得到掺氧氢气；
(2)将掺氧氢气掺入天然气中，得到掺氢天然气；掺氧氢气在掺氢天然气中的体积百分比为1％～20％。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氢气来源于风电、水电或太阳能制氢***，纯度大于99％。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在将氧气掺入氢气中时，通过控制混合速度和混合压力，使混合前后气体的温差不超过20℃；混合后的掺氧氢气压力控制在1～15MPa。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在将掺氧氢气掺入天然气中时，控制掺氧氢气的温度在天然气温度范围的±10℃以内。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氢气来源于可再生能源制氢***，是风电制氢***、水电制氢***或太阳能制氢***中的任意一种。
6.一种用于实现权利要求1所述方法的基于绿氢掺氧预防掺氢天然气管道氢脆的***，其特征在于，包括可再生能源制氢***、氢氧混合***、压力温度控制***、浓度平衡控制***、掺氢天然气输送***和集成终端控制***；
所述氢氧混合***包括氢氧混合设备，通过管路分别连接可再生能源制氢***中的氢气产出口和氧气产出口；氢氧混合***的掺氧氢气排放口还通过管路连接至掺氢天然气输送***；
所述压力温度控制***包括设于可再生能源制氢***、氢氧混合***、掺氢天然气输送***和各连接管路上的温度监测元件和压力检测元件，通过有线或无线的通信方式电连接至集成终端控制***；
所述浓度平衡控制***包括设于可再生能源制氢***、氢氧混合***、掺氢天然气输送***和各连接管路上的浓度监测仪，通过有线或无线的通信方式电连接至集成终端控制***；
所述集成终端控制***具有设于本地或云端的控制平台，控制平台通过有线或无线的通信方式连接设于各***中或各连接管路上的阀门，以控制掺氧氢气、掺氢天然气的生产及输送。
7.根据权利要求6所述的***，其特征在于，所述可再生能源制氢***是风电制氢***、水电制氢***或太阳能制氢***中的任意一种。
8.根据权利要求6所述的***，其特征在于，所述掺氢天然气输送***还包括通过输送管路连接的天然气输送转运储罐和用户终端。
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