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        淺析摻氫天然氣灶具管道漏氣檢測裝置設(shè)計

        2021-08-31 02:24:40
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2021年11期
        關(guān)鍵詞:灶具腔室真空泵

        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(jì)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(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(jìn)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(jì)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(dá)到2.5 萬億美元,全球?qū)⑦M(jìn)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?xì)庠罹咴O(shè)計時都是以一定的燃?xì)饨M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(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?xì)怏w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?xì)饩用裼脩羧細(xì)饩哕浌芴幍膶嵱眯栽O(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(yán)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(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(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,分配干線和分配服務(wù)線的事故總體嚴(yán)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(dá)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(jìn)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(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(jìn)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(jìn)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(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(jìn)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?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(jìn)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(jìn)一步降低。提高摻氫天然氣的使用安全性對于我國未來進(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天然氣的需求,從而降低對天然氣進(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,是實現(xiàn)“碳達(dá)峰,碳中和”的必然選擇。

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