一种高压掺氢天然气自燃点测试装置

1.本发明属于油气安全技术领域，具体涉及一种高压掺氢天然气自燃点测试装置。


背景技术：

2.氢能由于其燃烧过程只产生水，且具有较高的火焰强度，是当前受世界各国所重视的新能源之一。将氢气按照一定比例注入天然气，进行增压后使用在役天然气管道输送是当前实现大规模、长距离氢能输送的有效方法。除了天然气掺氢输送，将天然气与氢气掺混后投入各化工生产领域使用也是氢能和天然气行业未来的主要发展方向之一。
3.氢气和天然气都属于可燃气体，当可燃气体所处环境的温度升高至一定程度，同时在环境中存在氧气或空气等助燃物的情况下，可燃气体便会发生自燃，还有可能进一步引发二次事故，引发某种可燃气体自燃的最低温度称为该气体的自燃点。在得知某种气体的自燃点后，便可对涉及气体自燃的生产工艺过程(如热表面点火发动机的点火过程和工业中燃料的自燃点火过程等)中的参数进行设计，同时还可以对开展多种数值模拟及实验研究提供指导、对涉及该气体的各工业环节的安全性进行评价、制定可能涉及该气体的场景的应急处理预案等。
4.虽然氢气和天然气各自在不同条件下的自燃点均已测得，但当氢气与天然气进行掺混后，混合气体的热物理性质将会发生变化，掺氢天然气在不同条件下的自燃点尚不清楚。混合气体自燃点并不能简单地通过各组分单质的燃点结合组分占比进行计算得到，通常需要通过实验来测得。测试掺氢天然气在不同掺氢比、压力和空气含量条件下的自燃点，对于指导与掺氢天然气自燃过程有关的各项研究、促进掺氢天然气各方面发展具有重要的现实意义。
5.据调查，在现有的专利中，专利cn104502398b《一种高温高压原油燃点测试装置及测试方法》设计了一种能对高温高压条件下原油的燃点进行测试的装置；专利cn105092641b《高压富氧环境下气体或液体自燃点测试装置及测试方法》设计了一种对富氧环境下高压气体或液体自燃点的测试装置，但该装置主要测试的是单质气体或液体，无法使用其在实验过程中对测试气体组分进行灵活配比。综合来说，目前未有一种能安全便捷地对不同条件下高压掺氢天然气自燃点进行测试的实验装置，考虑到目前掺氢天然气在不同掺氢比、压力和空气含量下的自燃点不清楚的问题，故本专利所述的装置对测试高压掺氢天然气自燃点，进而指导与掺氢天然气自燃过程有关的各项研究、促进掺氢天然气各方面发展是有必要的。高压掺氢天然气的自燃点受掺氢比、压力以及空气含量等多方面因素影响，且在自燃点附近发生自燃是一个极快的过程，需要借助高精度的手段对自燃点进行测试。采用电热丝恒定速率升温、传感器监测等方法，对不同条件下的高压掺氢天然气自燃点进行测试，可以为开展高压掺氢天然气自燃相关研究以及制定生产过程中的安全规程提供指导。


技术实现要素：

6.本发明的目的是：提供一种高压掺氢天然气自燃点测试装置，该装置可对不同掺氢比、不同压力、不同空气含量下的高压掺氢天然气的自燃点进行测试。
7.一种高压掺氢天然气自燃点测试装置，由高压氮气瓶1、高压甲烷瓶2、高压氢气瓶3、高压空气瓶4、第一气体回收瓶5、第一开关阀6、第二开关阀7、第一减压阀8、第二减压阀9、第一压力表10、第二压力表11、第一流量计12、第二流量计13、静态混合器14、第一单向阀15、第二单向阀16、第三单向阀17、第四单向阀18、三通阀19、第三压力表20、第三开关阀21、压缩机22、第四开关阀23、管道法兰24,38、注气管道25、转换接口26,36、固定法兰27,37、第四压力表28、燃烧室29、电热丝30、温度传感器31、光敏传感器32、数据线33、控制台34、尾气回收管道35、第五单向阀39、真空泵40、缓冲罐41、放空阀42、第五开关阀43、第二气体回收瓶44以及连接上述仪器仪表的管道组成；其特征在于所述高压氮气瓶1、高压甲烷瓶2、高压氢气瓶3、高压空气瓶4、第一气体回收瓶5、第一开关阀6、第二开关阀7、第一单向阀15、第三单向阀17以及连接上述仪器仪表的管道构成测试装置供气系统；高压氮气瓶1经由第一单向阀15连接至三通阀19，高压甲烷瓶2经由第一开关阀6连接至第一减压阀8，高压氢气瓶3经由第二开关阀7连接至第二减压阀9，高压空气瓶4经由第三单向阀17连接至三通阀19出口管道支路；供气系统可以为测试装置提供测试所需甲烷、氢气和空气，以及装置气密性检查及吹扫过程中所需氮气。所述第一气体回收瓶5、第一减压阀8、第二减压阀9、第一压力表10、第二压力表11、第一流量计12、第二流量计13、静态混合器14、第二单向阀16、第四单向阀18、三通阀19、第三压力表20以及连接上述仪器仪表的管道构成测试装置掺氢天然气制备系统；第一减压阀8经由第一流量计12连接至静态混合器14入口之一，第一压力表10安装在第一减压阀8和第一流量计12之间，第二减压阀9经由第二流量计13连接至静态混合器14另一入口，第二压力表11安装在第二减压阀9和第二流量计13之间，静态混合器14出口经由第二单向阀16连接至三通阀19入口之一，第一单向阀15连接至三通阀19另一入口，三通阀19出口连接至第三开关阀21，第三压力表20安装在三通阀19出口与第三开关阀21之间的管道上，第一气体回收瓶5经由第四单向阀18连接至三通阀19出口与第三开关阀21中间的管道上；掺氢天然气制备系统可以为测试装置提供所需特定压力、流量下的甲烷和氢气，并将其进行混合，得到特定掺氢比的掺氢天然气，同时可对掺氢天然气制备过程中产生的多余气体进行回收。所述第三开关阀21、压缩机22、第四开关阀23、管道法兰24、注气管道25、转换接口26、固定法兰27、第四压力表28、燃烧室29、电热丝30、温度传感器31、光敏传感器32以及连接上述仪器仪表的管道构成测试装置增压注气及燃烧系统；第三开关阀21依次经由压缩机22、第四开关阀23连接至法兰24并与注气管道25相连，注气管道25经由转换接口26和固定法兰27伸入燃烧室29中并进行固定，第四压力表28安装在燃烧室29上，电热丝30两端分别安装固定在燃烧室29内部顶部和底部中心，温度传感器31和光敏传感器32安装在燃烧室29底部电热丝30的固定点附近，监测点朝向电热丝30发热段本体及其周边；注气及燃烧系统可以将测试所需掺氢天然气和空气进行增压，注入燃烧室后使用电热丝加热进行各条件下掺氢天然气自燃点的测试。所述数据线33和控制台34构成测试装置控制及数据采集系统；数据线33同时与电热丝30、温度传感器31和光敏传感器32相连，并连接至控制台34；控制及数据采集系统可以对测试过程中电热丝的升温速率进行控制，并将电热丝温度与经由数据线传输的传感器数据显示与控制台电子屏幕上，实现测试过程的实时数据可视化。
所述尾气回收管道35、转换接口36、固定法兰37、第五单向阀39、真空泵40、缓冲罐41、放空阀42、第五开关阀43、第二气体回收瓶44以及连接上述仪器仪表的管道构成测试装置的尾气回收系统；尾气回收管道35经由转换接口36和固定法兰37从注气管道25对面侧伸入燃烧室29中并进行固定，尾气回收管道35经由法兰38与第五单向阀39相连，第五单向阀39依次经由真空泵40、缓冲罐41、第五开关阀43连接至第二气体回收瓶44，放空阀42安装在缓冲罐41与第五开关阀43之间管道的支路上；尾气回收系统可以对装置吹扫的氮气和测试后装置内所剩气体进行收集，起到对测试装置的清理作用。
8.本发明由于采取以上技术方案，可以达到以下有益效果：
9.(1)通过控制第一开关阀6、第二开关阀7的不同关度可对甲烷、氢气的流量进行控制，通过控制第一减压阀8和第二减压阀9的不同关度可对甲烷、氢气的压力进行控制。将高压甲烷、氢气气源进过上述调压节流操作，并经静态混合器14的混合后，可以制备不同掺氢比、不同压力的掺氢天然气；
10.(2)通过压缩机22对掺氢天然气以及空气的增压，可以人为控制燃烧室9中测试前掺氢天然气与空气的混合比例以及混合气体的压力，实现对测试初始条件的灵活控制；
11.(3)燃烧室采用不透光承压材质进行制作，在掺氢天然气发生自燃时限制燃烧影响范围的同时，结合温度传感器31、光敏传感器32、数据线33和控制台34，还能实现操作人员的远程安全操控以及测试结果数据的实时可视化和记录；
12.(4)通过第一气体回收瓶5、第二气体回收瓶44和与之配套的仪器仪表，可以实现对测试全过程所使用的掺氢天然气、空气以及氮气进行回收，使整个测试过程无溢入空气环境中的气体，使装置具有安全、经济的特点。
附图说明
13.图1为本发明提供的对掺氢天然气自燃点进行测试的装置结构示意图。
14.图中：1-高压氮气瓶、2-高压甲烷瓶、3-高压氢气瓶、4-高压空气瓶、5-第一气体回收瓶、6-第一开关阀、7-第二开关阀、8-第一减压阀、9-第二减压阀、10-第一压力表、11-第二压力表、12-第一流量计、13-第二流量计、14-静态混合器、15-第一单向阀、16-第二单向阀、17-第三单向阀、18-第四单向阀、19-三通阀、20-第三压力表、21-第三开关阀、22-压缩机、23-第四开关阀、24,38-管道法兰、25-注气管道、26,36-转换接口、27,37固定法兰、28-第四压力表、29-燃烧室、30-电热丝、31-温度传感器、32-光敏传感器、33-数据线、34-控制台、35-尾气回收管道、39-第五单向阀、40-真空泵、41-缓冲罐、42-放空阀、43-第五开关阀、44-第二气体回收瓶。
15.图2为本发明所述装置中燃烧室部分结构俯视示意图；
16.图3为使用本发明所述装置进行测试时所要预期达到的温度传感器监测到的温度随时间的变化趋势曲线。
17.图中：t
1-启动电热丝前温度传感器监测到的温度、t
2-在测试过程中温度传感器监测温度曲线出现的显著拐点，该时刻下电热丝温度t4即为所测得自燃点。
18.图4为使用本发明所述装置进行测试所需采用的操作步骤。
具体实施方式
19.下面结合附图1、2以及附图4对本发明作进一步说明，但本发明具体实施形式多种多样，并不局限以下实施例。
20.本发明一种高压掺氢天然气自燃点测试装置，包括：1-高压氮气瓶、2-高压甲烷瓶、3-高压氢气瓶、4-高压空气瓶、5-第一气体回收瓶、6-第一开关阀、7-第二开关阀、8-第一减压阀、9-第二减压阀、10-第一压力表、11-第二压力表、12-第一流量计、13-第二流量计、14-静态混合器、15-第一单向阀、16-第二单向阀、17-第三单向阀、18-第四单向阀、19-三通阀、20-第三压力表、21-第三开关阀、22-压缩机、23-第四开关阀、24,38-管道法兰、25-注气管道、26,36-转换接口、27,37固定法兰、28-第四压力表、29-燃烧室、30-电热丝、31-温度传感器、32-光敏传感器、33-数据线、34-控制台、35-尾气回收管道、39-第五单向阀、40-真空泵、41-缓冲罐、42-放空阀、43-第五开关阀、44-第二气体回收瓶。
21.具体实施方式为：
22.第一步：组装测试装置，组装时使所有阀门处于关闭状态，组装完成后，打开高压氮气瓶1、第一单向阀15、三通阀19、第三开关阀21、压缩机22、第四开关阀23，将氮气增压后不断注入燃烧室29，当燃烧室29内压力达6mpa时，压缩机22和第四开关阀23，维持5分钟实现对燃烧室29的试压，之后打开第四开关阀23、第五单向阀39、第二气体回收瓶44，使用氮气对测试装置进行吹扫，吹扫1分钟后，关闭高压氮气瓶1、第一单向阀15，开启真空泵40对测试装置进行抽真空，当第三压力表20、第四压力表28显示压力趋近于0pa时，关闭真空泵40和所有阀门，步骤完成；
23.第二步：开启高压甲烷瓶2、高压氢气瓶3、第一开关阀6、第二开关阀7、第一减压阀8、第二减压阀9、第二单向阀16、三通阀19、第四单向阀18、第一气体回收瓶5，调整阀门开度，使甲烷和氢气的流量达成4：1关系，30秒后开启第三开关阀21、压缩机22、第四开关阀23，关闭第四单向阀18、第一气体回收瓶5，将制备的掺氢天然气增压后不断注入燃烧室29，当第四压力表28显示压力达2mpa时，依次关闭第三开关阀21、压缩机22、第四开关阀23后关闭高压甲烷瓶2、高压氢气瓶3和所有阀门，步骤完成；
24.第三步：开启高压空气瓶4、第三单向阀17、第三开关阀21、压缩机22、第四开关阀23，将空气增压后不断注入燃烧室29，当第四压力表28显示压力达4mpa时，依次关闭第三开关阀21、压缩机22、第四开关阀23后关闭高压空气瓶4、第三单向阀17，步骤完成；
25.第四步：通过控制台34控制开启电热丝30使其以恒定速率升温，通过温度传感器31和光敏传感器32对电热丝本体及周围进行监测，传感器监测数据通过数据线33传回控制台34并实时显示在电子屏幕上，步骤完成；
26.第五步：当监测数据显示电热丝30周围温度变化趋势出现如图3示例的明显变化或光敏传感器32监测数据出现明显突变信号时，关闭电热丝30，步骤完成；
27.第六步：根据传感器监测数据分析得到该测试工况下掺氢天然气的自燃点，若光敏传感器32监测数据先于温度传感器31出现明显突变信号，则掺氢天然气自燃点为光敏信号出现突变时刻下的电热丝温度t3，否则为如图3示例中t2温度时刻点下的电热丝温度t4，步骤完成；
28.第七步：关闭控制台34，开启高压氮气瓶1、第一单向阀15、三通阀19、第三开关阀21、第四开关阀23、第五单向阀39、真空泵40、第五开关阀43、第二气体回收瓶44，使用氮气
对装置内残余测试气体进行吹扫回收，吹扫2分钟后关闭所有仪器仪表，完成本轮测试。
29.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种高压掺氢天然气自燃点测试装置，由高压氮气瓶(1)、高压甲烷瓶(2)、高压氢气瓶(3)、高压空气瓶(4)、第一气体回收瓶(5)、第一开关阀(6)、第二开关阀(7)、第一减压阀(8)、第二减压阀(9)、第一压力表(10)、第二压力表(11)、第一流量计(12)、第二流量计(13)、静态混合器(14)、第一单向阀(15)、第二单向阀(16)、第三单向阀(17)、第四单向阀(18)、三通阀(19)、第三压力表(20)、第三开关阀(21)、压缩机(22)、第四开关阀(23)、管道法(24,38)、注气管道(25)、转换接口(26,36)、固定法兰(27,37)、第四压力表(28)、燃烧室(29)、电热丝(30)、温度传感器(31)、光敏传感器(32)、数据线(33)、控制台(34)、尾气回收管道(35)、第五单向阀(39)、真空泵(40)、缓冲罐(41)、放空阀(42)、第五开关阀(43)、第二气体回收瓶(44)以及连接上述仪器仪表的管道组成；其特征在于所述高压氮气瓶(1)经由第一单向阀(15)连接至三通阀(19)，高压甲烷瓶(2)经由第一开关阀(6)连接至第一减压阀(8)，高压氢气瓶(3)经由第二开关阀(7)连接至第二减压阀(9)，高压空气瓶(4)经由第三单向阀(17)连接至三通阀(19)出口管道支路，该部分可以为测试装置提供测试所需甲烷、氢气和空气，以及装置气密性检查及吹扫过程中所需氮气；所述第一减压阀(8)经由第一流量计(12)连接至静态混合器(14)入口之一，第一压力表(10)安装在第一减压阀(8)和第一流量计(12)之间，第二减压阀(9)经由第二流量计(13)连接至静态混合器(14)另一入口，第二压力表(11)安装在第二减压阀(9)和第二流量计(13)之间，静态混合器(14)出口经由第二单向阀(16)连接至三通阀(19)入口之一，第一单向阀(15)连接至三通阀(19)另一入口，三通阀(19)出口连接至第三开关阀(21)，第三压力表(20)安装在三通阀(19)出口与第三开关阀(21)之间的管道上，第一气体回收瓶(5)经由第四单向阀(18)连接至三通阀(19)出口与第三开关阀(21)中间的管道上，该部分可以为测试装置提供所需特定压力、流量下的甲烷和氢气，并将其进行混合，得到特定掺氢比的掺氢天然气，同时可对掺氢天然气制备过程中产生的多余气体进行回收；所述第三开关阀(21)依次经由压缩机(22)、第四开关阀(23)连接至法兰(24)并与注气管道(25)相连，注气管道(25)经由转换接口(26)和固定法兰(27)伸入燃烧室(29)中并进行固定，第四压力表(28)安装在燃烧室(29)上，电热丝(30)两端分别安装固定在燃烧室(29)内部顶部和底部中心，温度传感器(31)和光敏传感器(32)安装在燃烧室(29)底部电热丝(30)的固定点附近，监测点朝向电热丝(30)发热段本体及其周边，该部分可以将测试所需掺氢天然气和空气进行增压，注入燃烧室后使用电热丝加热进行各条件下掺氢天然气自燃点的测试；所述数据线(33)同时与电热丝(30)、温度传感器(31)和光敏传感器(32)相连，并连接至控制台(34)，该部分可以对测试过程中电热丝的升温速率进行控制，并将电热丝温度与经由数据线传输的传感器数据显示与控制台电子屏幕上，实现测试过程的实时数据可视化；所述尾气回收管道(35)经由转换接口(36)和固定法兰(37)从注气管道(25)对面侧伸入燃烧室(29)中并进行固定，尾气回收管道(35)经由法兰(38)与第五单向阀(39)相连，第五单向阀(39)依次经由真空泵(40)、缓冲罐(41)、第五开关阀(43)连接至第二气体回收瓶(44)，放空阀(42)安装在缓冲罐(41)与第五开关阀(43)之间管道的支路上，该部分可以对装置吹扫的氮气和测试后装置内所剩气体进行收集，起到对测试装置的清理作用。

技术总结
本发明提供了一种高压掺氢天然气自燃点测试装置，整个装置由高压氮气瓶、高压甲烷瓶、高压氢气瓶、高压空气瓶、各类阀门、流量计、压力表、静态混合器、压缩机、注气管道与尾气回收管道、燃烧室、电热丝、温度传感器、光敏传感器、数据线、控制台、真空泵、缓冲罐、气体回收瓶组成。通过改变阀门开度可以制取不同掺氢比和压力下的掺氢天然气；通过压缩机可以将燃烧室内气体增压至特定压力同时可以控制空气含量；通过传感器与控制台，可以实现测试过程的安全进行以及显示读取掺氢天然气自燃点等数据。本发明克服了现有装置不能对不同掺氢比、压力以及空气条件下高压掺氢天然气自燃点进行测试的缺点，可实现多种情况下测试，减少了测试实验成本。成本。成本。


技术研发人员：贾文龙 牟磊 吴瑕 温川贤 任庆阳
受保护的技术使用者：西南石油大学
技术研发日：2023.06.05
技术公布日：2023/8/23