淺析摻氫天然氣灶具管道漏氣檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

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(duì)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(jì)市場(chǎng)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(rèn)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(yùn)示范應(yīng)用，德國也制定政策，在2025年，實(shí)現(xiàn)管道天然氣摻氫20%。利用現(xiàn)有的天然氣輸運(yùn)管道進(jìn)行天然氣摻氫燃料的輸運(yùn)可以節(jié)省龐大的基建開支，是一個(gè)可行方案。

1 項(xiàng)目背景

1.1 國內(nèi)及全球天然氣摻氫現(xiàn)狀

據(jù)預(yù)測(cè)，2050 年，氫能將占全球經(jīng)濟(jì)能源資源消耗企業(yè)總量的20%，預(yù)計(jì)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(dá)到2.5 萬億美元，全球?qū)⑦M(jìn)入清潔能源時(shí)代。

由于大規(guī)模儲(chǔ)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(zhǎng)的時(shí)間，天然氣摻氫是化石能源向氫能過渡，加速氫能時(shí)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(shí)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(huì)造成能源浪費(fèi)，還會(huì)造成爆炸，對(duì)人員和財(cái)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(shí)發(fā)現(xiàn)就會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)。

1.2 天然氣摻氫終端亟需解決的問題

作為終端的燃?xì)庠罹咴O(shè)計(jì)時(shí)都是以一定的燃?xì)饨M分為基礎(chǔ)。氫氣的引入對(duì)氣體特性的改變會(huì)使燃具燃燒器的一次空氣系數(shù)、熱負(fù)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?xì)獬煞肿兓^大，燃燒條件的變化會(huì)使燃具無法正常工作，因此灶具的正常工作會(huì)要求替換的可燃?xì)怏w在一定的變化區(qū)間，這就會(huì)對(duì)氫氣的摻入比例給出限制，并對(duì)灶具設(shè)備及管道給出安全防控要求。針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，根據(jù)燃?xì)饩用裼脩羧細(xì)饩哕浌芴幍膶?shí)用性設(shè)計(jì)了一種更加方便檢測(cè)的摻氫天然氣配套用灶具管道漏氣檢測(cè)裝置。

評(píng)估摻氫天然氣的安全性需要考慮很多因素，給出一個(gè)總體的安全評(píng)估結(jié)果是一個(gè)很困難的事情。GTI 的研究報(bào)告中參考安全風(fēng)險(xiǎn)估量表提出了一種新型的安全評(píng)估方式，其排名范圍從0（無顯著性危害）到50（嚴(yán)重危害）。表1 給出了各數(shù)值與危害程度的對(duì)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(jì)數(shù)據(jù)以及供應(yīng)商的相關(guān)調(diào)查報(bào)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(xiǎn)評(píng)估體系中數(shù)值與危害程度的對(duì)應(yīng)關(guān)系

GTI 根據(jù)天然氣管道的種類進(jìn)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(gè)模塊，每個(gè)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(yùn)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(cè)裝置或傳感器以保證安全，即使是輸運(yùn)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(píng)價(jià)體系的配送主干線路與配送服務(wù)線路的安全評(píng)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(yán)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(shí)，分配干線和分配服務(wù)線的事故總體嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn)都有一個(gè)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(cè)是有利于減小整體風(fēng)險(xiǎn)的[1]。

表2 不同氫氣含量的摻氫天然氣的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估（分配主干線）

表3 不同氫氣含量的摻氫天然氣的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估（分配服務(wù)線）

2 摻氫天然氣配套用灶具管道漏氣檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)及性能

2.1 裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及具體實(shí)施方式

為了達(dá)到上述目的，該文設(shè)計(jì)了一種摻氫天然氣配套用灶具管道漏氣檢測(cè)裝置，設(shè)計(jì)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(cè)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(duì)稱設(shè)置，每個(gè)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(cè)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(gè)，且以連接管的中心軸線為中心對(duì)稱設(shè)置。

下面將結(jié)合該裝置設(shè)計(jì)實(shí)例中的附圖，對(duì)該裝置設(shè)計(jì)實(shí)例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。

參照?qǐng)D1～圖3，該檢測(cè)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(cè)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(jìn)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(cè)器檢測(cè)，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(cè)器，用來檢測(cè)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(dòng)，真空泵、蓄電池、檢測(cè)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(duì)稱設(shè)置，每個(gè)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(gè)，且以連接管的中心軸線為中心對(duì)稱設(shè)置。

圖1 該裝置設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖 圖2 該裝置設(shè)計(jì)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(jì)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(cè)裝置，在使用時(shí)，首先逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)第一螺栓然后取下2 個(gè)第一螺栓、2 個(gè)螺母和2 個(gè)緊定環(huán)，把需要被檢測(cè)管道穿過密封軟管，再套上2 個(gè)緊定環(huán)、第一螺栓和螺母，然后順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)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(cè)器檢測(cè)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(cè)流程圖。

圖4 管道檢測(cè)流程圖

2.2 裝置的性能及特點(diǎn)

與現(xiàn)有技術(shù)相比，該設(shè)計(jì)方案提供了一種摻氫天然氣配套用灶具管道漏氣檢測(cè)裝置，具備以下性能及特點(diǎn)：該摻氫天然氣配套用灶具管道漏氣檢測(cè)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(jìn)一步加強(qiáng)密封，同時(shí)通過連接管在真空泵與密封軟管之間連接，便于對(duì)密封管道內(nèi)進(jìn)行抽氣，從而便于實(shí)時(shí)檢測(cè)管道是否發(fā)生泄漏，并通過控制單元去控制檢測(cè)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(jìn)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(huì)加速材料中疲勞裂紋的增長(zhǎng)速度，同時(shí)也會(huì)加速材料的老化，氫的這種作用在較低的壓力即會(huì)出現(xiàn)，且在低溫時(shí)更加明顯。而壓力波動(dòng)等因素會(huì)導(dǎo)致材料中疲勞性裂紋出現(xiàn)，因此需要對(duì)管道中出現(xiàn)的裂紋盡可能進(jìn)行監(jiān)控。摻氫天然氣配套用灶具管道漏氣檢測(cè)裝置的使用將大大提升燃?xì)饩用裼脩粼谑褂脫綒涮烊粴膺^程中的安全性，確保在發(fā)生泄漏時(shí)能夠最快做出響應(yīng)并發(fā)出警報(bào)，將用氣過程中的安全隱患進(jìn)行預(yù)警并做出及時(shí)有效的泄漏處理動(dòng)作，將泄漏后的危險(xiǎn)性進(jìn)一步降低。提高摻氫天然氣的使用安全性對(duì)于我國未來進(jìn)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(jì)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(duì)天然氣的需求，從而降低對(duì)天然氣進(jìn)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(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰，碳中和”的必然選擇。