淺析摻氫天然氣灶具管道漏氣檢測裝置設(shè)計

李 穎

（河北省張家口市宣化煤氣總公司，河北 張家口 075100）

0 引言

隨著全球應(yīng)對氣候變化和降低碳排放的巨大壓力，風(fēng)能、太陽能和水能等可再生能源迅速發(fā)展。但我國可再生能源發(fā)電面臨經(jīng)濟市場消納能力不足的問題，從而造成了棄風(fēng)、棄光等現(xiàn)象。與化石燃料相比，使用多余的可再生能源（如風(fēng)能、光伏等）電解制取的氫氣是由水產(chǎn)生的，滿足低碳能源供應(yīng)的要求，被認為是最清潔的能源。氫能是化石能源向可再生能源過渡的重要選擇，目前，世界能源發(fā)展正處于從石油、天然氣向新能源、可再生能源的轉(zhuǎn)換期，能源載體由高碳向低碳、零碳發(fā)展。歐洲已經(jīng)開始天然氣摻氫管道輸運示范應(yīng)用，德國也制定政策，在2025年，實現(xiàn)管道天然氣摻氫20%。利用現(xiàn)有的天然氣輸運管道進行天然氣摻氫燃料的輸運可以節(jié)省龐大的基建開支，是一個可行方案。

1 項目背景

1.1 國內(nèi)及全球天然氣摻氫現(xiàn)狀

據(jù)預(yù)測，2050 年，氫能將占全球經(jīng)濟能源資源消耗企業(yè)總量的20%，預(yù)計我國每年可減排二氧化碳60 億t，未來氫能相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈年產(chǎn)值將達到2.5 萬億美元，全球?qū)⑦M入清潔能源時代。

由于大規(guī)模儲氫成本高、氫燃料電池技術(shù)不成熟、氫氣基礎(chǔ)設(shè)施不完善，純氫的利用還需要相當(dāng)長的時間，天然氣摻氫是化石能源向氫能過渡，加速氫能時代的最可行方案。利用現(xiàn)有天然氣管道網(wǎng)將摻混氫氣的天然氣輸送至居民家庭，通過燃具燃燒利用是消納氫氣的行之有效的方法。

眾所周知，隨著天然氣在家用的廣泛應(yīng)用，使用天然氣越來越受到人們的重視，灶具使用時需要有連接管起到連接作用，一端接到天然氣管道，一端接到灶具上，軟管作為天然氣的輸送載體，一旦發(fā)生泄漏，就會造成能源浪費，還會造成爆炸，對人員和財產(chǎn)造成無法挽回的損失，當(dāng)連接管發(fā)生泄漏如果不及時發(fā)現(xiàn)就會發(fā)生危險。

1.2 天然氣摻氫終端亟需解決的問題

作為終端的燃氣灶具設(shè)計時都是以一定的燃氣組分為基礎(chǔ)。氫氣的引入對氣體特性的改變會使燃具燃燒器的一次空氣系數(shù)、熱負荷、燃燒穩(wěn)定性、煙氣中一氧化碳含量等燃燒工況發(fā)生變化。如果燃氣成分變化過大，燃燒條件的變化會使燃具無法正常工作，因此灶具的正常工作會要求替換的可燃氣體在一定的變化區(qū)間，這就會對氫氣的摻入比例給出限制，并對灶具設(shè)備及管道給出安全防控要求。針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，根據(jù)燃氣居民用戶燃氣具軟管處的實用性設(shè)計了一種更加方便檢測的摻氫天然氣配套用灶具管道漏氣檢測裝置。

評估摻氫天然氣的安全性需要考慮很多因素，給出一個總體的安全評估結(jié)果是一個很困難的事情。GTI 的研究報告中參考安全風(fēng)險估量表提出了一種新型的安全評估方式，其排名范圍從0（無顯著性危害）到50（嚴重危害）。表1 給出了各數(shù)值與危害程度的對應(yīng)關(guān)系。危害程度主要取決于美國近年來相關(guān)事故的統(tǒng)計數(shù)據(jù)以及供應(yīng)商的相關(guān)調(diào)查報告。其中主要的事故起因有腐蝕、自然力、材料缺陷、挖掘事故、其他外力、設(shè)備、操作不當(dāng)和其他。

表1 GTI 提出的風(fēng)險評估體系中數(shù)值與危害程度的對應(yīng)關(guān)系

GTI 根據(jù)天然氣管道的種類進行了分類研究。美國天然氣管道分為收集段線路、主干道傳輸線路、分配（配送）主干線路和終端服務(wù)分配傳輸線路4 個模塊，每個模塊所用材料工藝有所不同。由于城市地區(qū)人員密集，安全隱患較大，因此在配送主干線路與配送服務(wù)線路中問題所造成的危害要高于輸運線路。分配系統(tǒng)的完整性管理可能需要檢漏裝置或監(jiān)測裝置或傳感器以保證安全，即使是輸運線路，其也應(yīng)該縮短檢查周期以確保其安全性。表2 與表3 分別給出了基于GTI 的評價體系的配送主干線路與配送服務(wù)線路的安全評估圖，結(jié)果顯示，隨著氫氣含量的增加，配送服務(wù)線的事故嚴重程度略高于配送干線。其中重要的區(qū)別：位于應(yīng)用終端的服務(wù)管道通常位于密閉空間中，泄漏氣體更容易積聚。當(dāng)氫氣濃度大于50%時，分配干線和分配服務(wù)線的事故總體嚴重風(fēng)險都有一個比較大的上升。因此在摻氫天然氣使用過程中，增加終端檢查頻率，縮短檢查周期，有效檢測是有利于減小整體風(fēng)險的[1]。

表2 不同氫氣含量的摻氫天然氣的風(fēng)險評估（分配主干線）

表3 不同氫氣含量的摻氫天然氣的風(fēng)險評估（分配服務(wù)線）

2 摻氫天然氣配套用灶具管道漏氣檢測裝置的結(jié)構(gòu)及性能

2.1 裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計及具體實施方式

為了達到上述目的，該文設(shè)計了一種摻氫天然氣配套用灶具管道漏氣檢測裝置，設(shè)計方案為該裝置殼體的內(nèi)部設(shè)置腔室，腔室的底端左部安裝蓄電池，殼體的底端四角處安裝支架，腔室右端中部開設(shè)放置槽，放置槽的內(nèi)部安裝過濾網(wǎng)，腔室的左端內(nèi)部開設(shè)通孔，通孔于腔室的左端貫穿至殼體的左端，腔室的左端安裝支撐座，支撐座的頂端連接真空泵，真空泵的底端安裝法蘭，法蘭上設(shè)置第三螺栓，法蘭與支撐座通過第三螺栓連接，殼體的頂端中部安裝控制單元，殼體的頂端右部安裝蜂鳴器，殼體的右端安裝緊固塊，緊固塊上設(shè)置有第二螺栓，緊固塊與殼體通過第二螺栓連接，腔室的頂端中部安裝檢測器，真空泵的右端連接排氣管，真空泵的左端連接連接管，連接管的左端連接密封軟管，密封軟管的內(nèi)壁上部安裝密封墊，密封軟管的圓周外壁上部安裝緊定環(huán)，緊定環(huán)的后端安裝連接塊，連接塊以密封軟管為中心線對稱設(shè)置，每個連接塊的內(nèi)部均開設(shè)通孔，通孔于連接塊的左端貫穿至右端，通孔內(nèi)連接第一螺栓，第一螺栓的圓周外壁左部連接螺母。

其中過濾網(wǎng)為活性炭空氣過濾網(wǎng)，真空泵、蓄電池、檢測器和排氣扇均與控制單元電性連接，支架為伸縮支架，緊定環(huán)、連接塊、密封墊、第一螺栓和螺母數(shù)量均為2 個，且以連接管的中心軸線為中心對稱設(shè)置。

下面將結(jié)合該裝置設(shè)計實例中的附圖，對該裝置設(shè)計實例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述。

參照圖1～圖3，該檢測裝置包括殼體，殼體的內(nèi)部設(shè)置有腔室，腔室的底端左部安裝蓄電池，為檢測器、真空泵、排氣扇和控制單元提供電力，殼體的底端四角處安裝支架，支架為伸縮支架，可以進行殼體高低的調(diào)節(jié)，腔室右端中部開設(shè)放置槽，放置槽的內(nèi)部安裝過濾網(wǎng)，過濾網(wǎng)為活性炭空氣過濾網(wǎng)，如果發(fā)生天然氣泄露可以過濾一定的有害物質(zhì)，腔室的左端內(nèi)部開設(shè)通孔，通孔于腔室的左端貫穿至殼體的左端，腔室的左端安裝支撐座，支撐座的頂端連接真空泵，用來吸取密封軟管中空氣以供檢測器檢測，真空泵的底端安裝法蘭，法蘭上設(shè)置有第三螺栓，法蘭與支撐座通過第三螺栓連接，殼體的頂端中部安裝控制單元，殼體的頂端右部安裝蜂鳴器，提醒人員檢查天然氣管道，殼體的右端安裝緊固塊，緊固塊上設(shè)置有第二螺栓，緊固塊與殼體通過第二螺栓連接，用來防止過濾網(wǎng)的脫落，述腔室的頂端中部安裝檢測器，用來檢測真空泵所吸取的空氣，真空泵的右端連接排氣管，真空泵的左端連接連接管，用來使真空泵與密封軟管之間空氣的流動，真空泵、蓄電池、檢測器和排氣扇均與控制單元電性連接，連接管的左端連接密封軟管，密封軟管的內(nèi)壁上部安裝密封墊，防止泄露，密封軟管的圓周外壁上部安裝緊定環(huán)，用來緊定密封軟管，緊定環(huán)的后端安裝連接塊，連接塊以密封軟管為中心線對稱設(shè)置，每個連接塊的內(nèi)部均開設(shè)通孔，通孔于連接塊的左端貫穿至右端，通孔內(nèi)連接第一螺栓，第一螺栓的圓周外壁左部連接螺母緊定環(huán)、連接塊、密封墊、第一螺栓和螺母數(shù)量均為2 個，且以連接管的中心軸線為中心對稱設(shè)置。

圖1 該裝置設(shè)計結(jié)構(gòu)示意圖 圖2 該裝置設(shè)計圖1 中A 處的局部放大俯視結(jié)構(gòu)示意圖 圖3 該裝置設(shè)計圖1 中B 處的局部放大右視結(jié)構(gòu)示意圖

該摻氫天然氣配套用灶具管道漏氣檢測裝置，在使用時，首先逆時針轉(zhuǎn)動第一螺栓然后取下2 個第一螺栓、2 個螺母和2 個緊定環(huán)，把需要被檢測管道穿過密封軟管，再套上2 個緊定環(huán)、第一螺栓和螺母，然后順時針轉(zhuǎn)動第一螺栓，最后通過控制單元控制真空泵工作，如果管道泄漏，真空泵吸到泄露的天然氣被檢測器檢測到反饋到控制單元，控制單元打開排氣扇和蜂鳴器。詳見圖4 管道檢測流程圖。

圖4 管道檢測流程圖

2.2 裝置的性能及特點

與現(xiàn)有技術(shù)相比，該設(shè)計方案提供了一種摻氫天然氣配套用灶具管道漏氣檢測裝置，具備以下性能及特點：該摻氫天然氣配套用灶具管道漏氣檢測裝置，通過緊定環(huán)、連接塊密封墊第一螺栓和螺母的配合，便于密封的裝拆和進一步加強密封，同時通過連接管在真空泵與密封軟管之間連接，便于對密封管道內(nèi)進行抽氣，從而便于實時檢測管道是否發(fā)生泄漏，并通過控制單元去控制檢測器、蜂鳴器和排風(fēng)扇如果發(fā)生泄漏，控制打開蜂鳴器和排風(fēng)扇進行提醒人員和排出天然氣。

3 結(jié)論

綜上所述，氫氣的添加會加速材料中疲勞裂紋的增長速度，同時也會加速材料的老化，氫的這種作用在較低的壓力即會出現(xiàn)，且在低溫時更加明顯。而壓力波動等因素會導(dǎo)致材料中疲勞性裂紋出現(xiàn)，因此需要對管道中出現(xiàn)的裂紋盡可能進行監(jiān)控。摻氫天然氣配套用灶具管道漏氣檢測裝置的使用將大大提升燃氣居民用戶在使用摻氫天然氣過程中的安全性，確保在發(fā)生泄漏時能夠最快做出響應(yīng)并發(fā)出警報，將用氣過程中的安全隱患進行預(yù)警并做出及時有效的泄漏處理動作，將泄漏后的危險性進一步降低。提高摻氫天然氣的使用安全性對于我國未來進一步發(fā)展氫能，拓寬氫氣的應(yīng)用途徑，發(fā)展綠色能源及氫能經(jīng)濟具有極其重大的意義。氫氣混入天然氣中使用可以一定程度上降低對天然氣的需求，從而降低對天然氣進口的依賴程度，保障國家的能源安全；氫氣逐步替代天然氣能夠降低污染物的排放，更重要的是能夠有效降低碳排放，是實現(xiàn)“碳達峰，碳中和”的必然選擇。