浅析掺氢天然气灶具管道漏气检测装置设计

李 颖

（河北省张家口市宣化煤气总公司，河北 张家口 075100）

0 引言

随着全球应对气候变化和降低碳排放的巨大压力，风能、太阳能和水能等可再生能源迅速发展。但我国可再生能源发电面临经济市场消纳能力不足的问题，从而造成了弃风、弃光等现象。与化石燃料相比，使用多余的可再生能源（如风能、光伏等）电解制取的氢气是由水产生的，满足低碳能源供应的要求，被认为是最清洁的能源。氢能是化石能源向可再生能源过渡的重要选择，目前，世界能源发展正处于从石油、天然气向新能源、可再生能源的转换期，能源载体由高碳向低碳、零碳发展。欧洲已经开始天然气掺氢管道输运示范应用，德国也制定政策，在2025年，实现管道天然气掺氢20%。利用现有的天然气输运管道进行天然气掺氢燃料的输运可以节省庞大的基建开支，是一个可行方案。

1 项目背景

1.1 国内及全球天然气掺氢现状

据预测，2050 年，氢能将占全球经济能源资源消耗企业总量的20%，预计我国每年可减排二氧化碳60 亿t，未来氢能相关产业链年产值将达到2.5 万亿美元，全球将进入清洁能源时代。

由于大规模储氢成本高、氢燃料电池技术不成熟、氢气基础设施不完善，纯氢的利用还需要相当长的时间，天然气掺氢是化石能源向氢能过渡，加速氢能时代的最可行方案。利用现有天然气管道网将掺混氢气的天然气输送至居民家庭，通过燃具燃烧利用是消纳氢气的行之有效的方法。

众所周知，随着天然气在家用的广泛应用，使用天然气越来越受到人们的重视，灶具使用时需要有连接管起到连接作用，一端接到天然气管道，一端接到灶具上，软管作为天然气的输送载体，一旦发生泄漏，就会造成能源浪费，还会造成爆炸，对人员和财产造成无法挽回的损失，当连接管发生泄漏如果不及时发现就会发生危险。

1.2 天然气掺氢终端亟需解决的问题

作为终端的燃气灶具设计时都是以一定的燃气组分为基础。氢气的引入对气体特性的改变会使燃具燃烧器的一次空气系数、热负荷、燃烧稳定性、烟气中一氧化碳含量等燃烧工况发生变化。如果燃气成分变化过大，燃烧条件的变化会使燃具无法正常工作，因此灶具的正常工作会要求替换的可燃气体在一定的变化区间，这就会对氢气的掺入比例给出限制，并对灶具设备及管道给出安全防控要求。针对现有技术的不足，根据燃气居民用户燃气具软管处的实用性设计了一种更加方便检测的掺氢天然气配套用灶具管道漏气检测装置。

评估掺氢天然气的安全性需要考虑很多因素，给出一个总体的安全评估结果是一个很困难的事情。GTI 的研究报告中参考安全风险估量表提出了一种新型的安全评估方式，其排名范围从0（无显著性危害）到50（严重危害）。表1 给出了各数值与危害程度的对应关系。危害程度主要取决于美国近年来相关事故的统计数据以及供应商的相关调查报告。其中主要的事故起因有腐蚀、自然力、材料缺陷、挖掘事故、其他外力、设备、操作不当和其他。

表1 GTI 提出的风险评估体系中数值与危害程度的对应关系

GTI 根据天然气管道的种类进行了分类研究。美国天然气管道分为收集段线路、主干道传输线路、分配（配送）主干线路和终端服务分配传输线路4 个模块，每个模块所用材料工艺有所不同。由于城市地区人员密集，安全隐患较大，因此在配送主干线路与配送服务线路中问题所造成的危害要高于输运线路。分配系统的完整性管理可能需要检漏装置或监测装置或传感器以保证安全，即使是输运线路，其也应该缩短检查周期以确保其安全性。表2 与表3 分别给出了基于GTI 的评价体系的配送主干线路与配送服务线路的安全评估图，结果显示，随着氢气含量的增加，配送服务线的事故严重程度略高于配送干线。其中重要的区别：位于应用终端的服务管道通常位于密闭空间中，泄漏气体更容易积聚。当氢气浓度大于50%时，分配干线和分配服务线的事故总体严重风险都有一个比较大的上升。因此在掺氢天然气使用过程中，增加终端检查频率，缩短检查周期，有效检测是有利于减小整体风险的[1]。

表2 不同氢气含量的掺氢天然气的风险评估（分配主干线）

表3 不同氢气含量的掺氢天然气的风险评估（分配服务线）

2 掺氢天然气配套用灶具管道漏气检测装置的结构及性能

2.1 装置的结构设计及具体实施方式

为了达到上述目的，该文设计了一种掺氢天然气配套用灶具管道漏气检测装置，设计方案为该装置壳体的内部设置腔室，腔室的底端左部安装蓄电池，壳体的底端四角处安装支架，腔室右端中部开设放置槽，放置槽的内部安装过滤网，腔室的左端内部开设通孔，通孔于腔室的左端贯穿至壳体的左端，腔室的左端安装支撑座，支撑座的顶端连接真空泵，真空泵的底端安装法兰，法兰上设置第三螺栓，法兰与支撑座通过第三螺栓连接，壳体的顶端中部安装控制单元，壳体的顶端右部安装蜂鸣器，壳体的右端安装紧固块，紧固块上设置有第二螺栓，紧固块与壳体通过第二螺栓连接，腔室的顶端中部安装检测器，真空泵的右端连接排气管，真空泵的左端连接连接管，连接管的左端连接密封软管，密封软管的内壁上部安装密封垫，密封软管的圆周外壁上部安装紧定环，紧定环的后端安装连接块，连接块以密封软管为中心线对称设置，每个连接块的内部均开设通孔，通孔于连接块的左端贯穿至右端，通孔内连接第一螺栓，第一螺栓的圆周外壁左部连接螺母。

其中过滤网为活性炭空气过滤网，真空泵、蓄电池、检测器和排气扇均与控制单元电性连接，支架为伸缩支架，紧定环、连接块、密封垫、第一螺栓和螺母数量均为2 个，且以连接管的中心轴线为中心对称设置。

下面将结合该装置设计实例中的附图，对该装置设计实例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

参照图1～图3，该检测装置包括壳体，壳体的内部设置有腔室，腔室的底端左部安装蓄电池，为检测器、真空泵、排气扇和控制单元提供电力，壳体的底端四角处安装支架，支架为伸缩支架，可以进行壳体高低的调节，腔室右端中部开设放置槽，放置槽的内部安装过滤网，过滤网为活性炭空气过滤网，如果发生天然气泄露可以过滤一定的有害物质，腔室的左端内部开设通孔，通孔于腔室的左端贯穿至壳体的左端，腔室的左端安装支撑座，支撑座的顶端连接真空泵，用来吸取密封软管中空气以供检测器检测，真空泵的底端安装法兰，法兰上设置有第三螺栓，法兰与支撑座通过第三螺栓连接，壳体的顶端中部安装控制单元，壳体的顶端右部安装蜂鸣器，提醒人员检查天然气管道，壳体的右端安装紧固块，紧固块上设置有第二螺栓，紧固块与壳体通过第二螺栓连接，用来防止过滤网的脱落，述腔室的顶端中部安装检测器，用来检测真空泵所吸取的空气，真空泵的右端连接排气管，真空泵的左端连接连接管，用来使真空泵与密封软管之间空气的流动，真空泵、蓄电池、检测器和排气扇均与控制单元电性连接，连接管的左端连接密封软管，密封软管的内壁上部安装密封垫，防止泄露，密封软管的圆周外壁上部安装紧定环，用来紧定密封软管，紧定环的后端安装连接块，连接块以密封软管为中心线对称设置，每个连接块的内部均开设通孔，通孔于连接块的左端贯穿至右端，通孔内连接第一螺栓，第一螺栓的圆周外壁左部连接螺母紧定环、连接块、密封垫、第一螺栓和螺母数量均为2 个，且以连接管的中心轴线为中心对称设置。

图1 该装置设计结构示意图 图2 该装置设计图1 中A 处的局部放大俯视结构示意图 图3 该装置设计图1 中B 处的局部放大右视结构示意图

该掺氢天然气配套用灶具管道漏气检测装置，在使用时，首先逆时针转动第一螺栓然后取下2 个第一螺栓、2 个螺母和2 个紧定环，把需要被检测管道穿过密封软管，再套上2 个紧定环、第一螺栓和螺母，然后顺时针转动第一螺栓，最后通过控制单元控制真空泵工作，如果管道泄漏，真空泵吸到泄露的天然气被检测器检测到反馈到控制单元，控制单元打开排气扇和蜂鸣器。详见图4 管道检测流程图。

图4 管道检测流程图

2.2 装置的性能及特点

与现有技术相比，该设计方案提供了一种掺氢天然气配套用灶具管道漏气检测装置，具备以下性能及特点：该掺氢天然气配套用灶具管道漏气检测装置，通过紧定环、连接块密封垫第一螺栓和螺母的配合，便于密封的装拆和进一步加强密封，同时通过连接管在真空泵与密封软管之间连接，便于对密封管道内进行抽气，从而便于实时检测管道是否发生泄漏，并通过控制单元去控制检测器、蜂鸣器和排风扇如果发生泄漏，控制打开蜂鸣器和排风扇进行提醒人员和排出天然气。

3 结论

综上所述，氢气的添加会加速材料中疲劳裂纹的增长速度，同时也会加速材料的老化，氢的这种作用在较低的压力即会出现，且在低温时更加明显。而压力波动等因素会导致材料中疲劳性裂纹出现，因此需要对管道中出现的裂纹尽可能进行监控。掺氢天然气配套用灶具管道漏气检测装置的使用将大大提升燃气居民用户在使用掺氢天然气过程中的安全性，确保在发生泄漏时能够最快做出响应并发出警报，将用气过程中的安全隐患进行预警并做出及时有效的泄漏处理动作，将泄漏后的危险性进一步降低。提高掺氢天然气的使用安全性对于我国未来进一步发展氢能，拓宽氢气的应用途径，发展绿色能源及氢能经济具有极其重大的意义。氢气混入天然气中使用可以一定程度上降低对天然气的需求，从而降低对天然气进口的依赖程度，保障国家的能源安全；氢气逐步替代天然气能够降低污染物的排放，更重要的是能够有效降低碳排放，是实现“碳达峰，碳中和”的必然选择。