CN110805832B - 一种高压氢储存与管道输送安全系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压氢储存与管道输送安全系统，包含高压氢输送管道，在高压氢输送管道上串联的多个电控截止阀，并联在每一个电控截止阀两端的管道上的逆向氢气流感应器，布置在高压氢输送管道上的管道断裂点信号采集器；高压储氢罐连接高压氢输送管道；控制系统计算机与逆向氢气流感应器和管道断裂点信号采集器连接，与控制系统计算机连接的用户信息接收与处理计算系统。本发明针对高压氢管道输送可能的、影响较大的事故，通过对事故信息的收集，处理；在意外事故导致管道破裂等重大安全事故时，能及时关电控截止阀，防止氢气的持续大量泄漏泄露，有利于控制事故时态进一步发展，提高了管道系统的安全性。

Description

一种高压氢储存与管道输送安全系统

技术领域

本发明属于氢能能源应用领域。具体涉及一种高压氢储存与管道输送安全系统。

背景技术

当今以化石能源为主要消费形式的广泛应用，推动着人类社会快速发展，但同时也造成了以CO2排放导致的地球变暖为主要表现形式的地球环境不可逆影响，使得能源的低碳化转型发展成为中国应对外部新挑战、内部发展产业转型升级的共同需求。

氢能在能源、交通、工业、建筑等领域具有广阔的应用前景，尤其以燃料电池汽车为代表的交通领域是氢能初期应用的突破口与主要市场。化石能源的低碳化制氢是未来氢能领域制氢的主要方向之一。经过几十年的发展，氢能源应用的安全问题基本解决，但是在大规模氢的应用，一些典型事故条件下氢的安全问题还重视不够，本质安全技术存在空白，特别需要解决低概率安全事故(例如天灾、人为事故等因素)引发的氢安全问题，因为这些问题可能造成重大的人员伤亡、生命财产损失和严重的不利社会影响。

在高压、大规模储气罐储氢、管道输送氢系统的本质安全方面，存在的主要问题包括：①制造高压氢输送的管道金属材料的氢脆导致材料力学性能下降问题。金属材料在氢作用下由于存在氢脆效应，随着使用时间延长，其力学性能会出现明显不利变化，影响高压氢的安全包容能力。在环境不良因素共同作用下可能引起脆性断裂等事故。②对于一些典型的事故模式，意外事故可能导致高压储氢罐、高压氢输送管道破裂，从而导致氢的大量持续释放，氢爆等事故可能造成重大人员伤亡和财产损失，并影响社会的稳定。

在高压氢气的输送过程中，若规定氢从高压氢源端向低压用户端的流向为正向气流，则从用户端向相反方向的氢气流则命名为逆向气流。对于大量氢从用户端流向的逆向气流泄漏情景，目前广泛使用的氢单向安全阀能够很好地解决问题，一旦发生管道内气体流的逆向流动，单向安全阀内的阀芯在反向流体的推力下会自主实现阀门关闭，实现反向气体流的截断。但这种单向阀不能自主截断正向氢气流，不能避免事故条件下正向氢气流持续外泄，从而可能引起大的氢爆安全事故。

当今社会，以人工智能为标志的信息收集、存贮，以及利用这些信息对各种用户终端进行自动控制、显示的相关技术已经高达发达和成熟。本发明专利在详细分析意外事故场景条件下，通过发展一定方法感应得到事故或事故预警相关信息，则可以利用这些信息作为事故预警或控制依据，发展出满足本质安全性高的新型高压氢高压罐储存、管道安全输送系统技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种设计合理、技术可行、制造成本低、本质安全性好，且满足未来大规模制氢、储氢、大规模管道输送氢对安全提升的要求，满足大规模氢气输送、储存过程中可能的事故应急处置、安全监视与监管的需求。

为实现上述目的，本发明提供一种高压氢储存与管道输送安全系统，包含高压氢输送管道，在高压氢输送管道上串联的多个电控截止阀，并联在每一个电控截止阀两端的管道上的逆向氢气流感应器，设置在高压氢输送管道上的管道断裂点信号采集器；高压储氢罐连接高压氢输送管道；控制系统计算机与逆向氢气流感应器和管道断裂点信号采集器连接，与控制系统计算机连接的用户信息接收与处理计算系统。

上述高压氢输送管道由内到外包含内衬铝管、钢质外管和外套管，外套管上设有氢传感器，氢传感器连接控制系统计算机；高压氢输送管道左端设法兰，右端设法兰，在法兰的径向方向开有一个排气孔。

上述逆向氢气流感应器包含气缸，和与气缸相配合的圆柱体活塞，在气缸外部装配有金属导体感应线圈；气缸的进气口、排气口分别与电控截止阀两端的管道连通。

上述管道断裂点信号采集器包含信号线和断路信号接收处理器。

上述高压储氢罐包含内容器-外容器组合件、顶端的密封法兰、内容器-外容器组合件外侧的外包套；在内容器-外容器组合件上缠绕有钢丝缠绕层，在外包套上安装有氢传感器；在罐体上安装有罐体径向应力应变传感测量装置；氢传感器和罐体径向应力应变传感测量装置连接控制系统计算机。

上述内容器-外容器组合件包含铝制的内容器、排气法兰、钢制的外容器上段和外容器下段；外容器上段和外容器下段焊接为一体，并在两者之间设有拉杆。

上述罐体径向应力应变传感测量装置包含刚性安装环，布置在安装环上的预紧螺栓和滑块，在滑块上安装有应力应变传感器。

进一步的，控制系统计算机接受所有传感器和感应器信号，并根据预设的指令控制电控截止阀或者发出预警信号。

进一步的，逆向氢气流感应器中，活塞由永磁材料制造，气缸由低磁性钢制造。

进一步的，钢丝缠绕层是在内容器-外容器组合件外表面密实缠绕的多层钢丝层，缠绕的层数取决于钢丝的尺寸、容器壁承受的压力和钢丝的抗拉强度。

进一步的，拉杆为沿轴向方向的长杆螺栓结构。

优选的，高压氢输送管道和高压储氢罐使用钢-铝热等静压复合法制造。

本发明的有益技术效果为：

1、采用抗氢脆良好的铝材作为高压氢输送管道内胆材料，解决了高压管道长期在高压氢环境下材料氢脆带来的材料力学性能下降所带来的安全性问题；

2、通过在电控截止阀门的进气口和出气口两端布置一个逆流气体感应器，能自动感应高压氢输送管道内的逆向气体流动，感应信号可靠。用此信息判断管道发生了泄漏，理念先进、可靠；

3、通过在高压氢输送管道上布置管道断点感应与识别线及其配套传感器，通过感应意外事故对高压氢输送管道上布置的管道断点感应与识别线的影响信息，判断意外事故对高压氢输送管道的影响，理念先进、可靠；

4、本发明利用逆流气体感应器、管道断点感应与识别线及其配套传感器收集的信息，作为电控截止阀控制依据，设计了对高压氢可能的意外事故及时响应的管道断点侦测及安全阀门控制系统的信号检测、自动控制、信息存储与传输等功能齐全，技术可靠。

总之，本发明针对高压氢管道输送可能的、影响较大的事故，通过对事故信息的收集，处理；在意外事故导致管道破裂等重大安全事故时，能及时关电控截止阀，防止氢气的持续大量泄漏泄露，有利于控制事故时态进一步发展，提高了管道系统的安全性。

附图说明

图1为本发明高压氢储存与管道输送安全系统的组成和连接示意图。

图2为高压氢输送管道结构示意图。

图3为高压氢输送管道制造示意图。

图4为逆向氢气流感应器结构示意图。

图5为管道断裂点信号采集器连接示意图。

图6为高压储氢罐结构示意图。

图7为内容器-外容器组合件结构示意图。

图8为高压储氢罐制造示意图。

图9为罐体径向应力应变传感测量装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明的一种高压氢储存与管道输送安全系统如附图1所示，包含高压氢输送管道1，在高压氢输送管道1上串联的多个电控截止阀2(附图1中所示F1、F2、F3、F4，电控截止阀之间的间距可根据安全设计总要求确定，例如阀门之间的间距可确定为1km或2km)，并联在每一个电控截止阀2两端的管道上的逆向氢气流感应器3，布置在高压氢输送管道1上的管道断裂点信号采集器4；高压储氢罐5连接高压氢输送管道1；控制系统计算机6与逆向氢气流感应器3和管道断裂点信号采集器4连接，与控制系统计算机6连接的用户信息接收与处理计算系统7。

上述高压氢输送管道1如图2所示，由内到外包含内衬铝管13、钢质外管12和外套管15，外套管15上设有氢传感器14，氢传感器14连接控制系统计算机6；高压氢输送管道1左端设法兰11，右端设法兰16，在法兰16的径向方向开有一个排气孔。

上述逆向氢气流感应器3如图4所示，包含气缸31，和与气缸31以小间隙装配的、可在气缸中自由滑动的圆柱体活塞32，在气缸31外部装配有金属导体感应线圈33；气缸31的进气口34、排气口35分别与电控截止阀2两端的管道连通；圆柱形活塞32由永磁材料制造，所述气缸31由低磁性钢制造(例如304不锈钢)，所述金属导体感应线圈33由金属导体材料制造。当发生管道断裂事故时，来自氢气用户端的逆向气体流将推动由永磁材料制造的圆柱体活塞32由右向左快速移动，因而在感应线圈33中产生感生电流信号。控制系统计算机6以该信号为依据控制阀门关闭。

逆向氢气流感应器3的主要结构件的尺寸和材料如下：

气缸31：外径Ф20mm，内径Ф10mm，高40mm；由低磁性钢制造，例如304不锈钢。

圆柱体活塞32：Ф9.9，高20mm；由铁铷硼永磁材料制造。

金属导体感应线圈33：直接缠绕在气缸31上，共20匝，用铜导线绕制。

上述管道断裂点信号采集器4如图5所示，包含信号线42和断路信号接收处理器41；当布置在管道上的信号线42发生断开时，信号线闭合回路断开，其断路信号由接收处理器41传输至控制系统计算机6，控制系统计算机6根据预设程序发出指令对电控截止阀2上的伺服电机执行“关闭”的指令。所述信号线42回路为金属导线、光纤线回路。

上述高压储氢罐5如图6所示，包含内容器-外容器组合件52、顶端的密封法兰51、内容器-外容器组合件52外侧的外包套53；在内容器-外容器组合件52上缠绕有钢丝缠绕层56，在外包套53上安装有氢传感器55；在罐体上安装有罐体径向应力应变传感测量装置57；所述氢传感器55和罐体径向应力应变传感测量装置57连接控制系统计算机6。

上述内容器-外容器组合件52如图7所示，包含铝制的内容器523、排气法兰521、钢制的外容器上段522和外容器下段524；所述外容器上段522和外容器下段524焊接为一体，并在两者之间设有拉杆54。

高压储气罐5的受力结构的典型特征是：高压气体施加在储气罐筒体壁上的力，完全由缠绕在缠绕在外容器上的钢丝缠绕层56承担，设计工作压力越大，缠绕的圈数越多。高压气体施加在储气罐两端上的力，主要由拉杆54承担。

上述罐体径向应力应变传感测量装置57如图9所示，包含刚性安装环572，布置在安装环572上的预紧螺栓571和滑块573，在滑块573上安装有应力应变传感器574或者位移传感器及应力测试系统。

如附图1所示，所述管控制系统计算机6依据采集的相关信号来源，执行以下指令：

①控制系统计算机6接收到来自逆向氢气流感应器3的气体逆流信号后，立即下达执行电控截止阀2的伺服电机“关闭”的指令，同时关闭附图1所示F1、F2、F3、和F4，切断高压管道内流动的氢气流。

②控制系统计算机6接收到来自管道断裂点信号采集器4的管道断裂信号后，立即下达执行电控截止阀2的伺服电机“关闭”的指令，同时关闭附图1所示F1、F2、F3、和F4，切断高压管道内流动的氢气流。

③控制系统计算机6接收到来自安装在高压氢输送管道1上的氢浓度监测信号，当氢浓度超过设定阈值时，立即将预警信号上传至用户信息接收与处理计算系统7。

④控制系统计算机6接收到来自管道断裂点信号采集器4的管道断裂信号、来自接收到来自逆向氢气流感应器3的气体逆流信号、来自氢传感器超设定阈值时，立即将执行指令信号传输至上传至用户信息接收与处理计算系统7。

本发明中，高压氢输送管道1的制造方法为钢-铝热等静压复合法。附图3为高压氢输送管道的热压复合制造工艺装备图，包含套装在管道上的感应加热电源线圈17，与感应加热电源线圈17热压复合加压系统18，加压法兰19和端头密封法兰110。

主要制造装备：①感应加热电源：功率：5kW，水冷却感应线圈15匝数8，感应线圈内径40mm；②高压氮气充注系统：氮气压缩机:功率5kW，输出压力大于5MPa，加注管道系统回路工作压力大于5MPa。

管道材料参数：①钢质外管12内径10mm，工作压力8MPa，管道壁厚大于5mm；②内衬铝管11外径9.5mm，管道壁厚1-2mm。

其制造方法概述如下：

①采用喷砂抛光等工艺对钢质外管13的内表面抛光，去除内壁氧化物等，清洗干燥；钢管的强度应与输送高压氢的压力相匹配。采用抛光等工艺对内衬铝管12的外表面进行抛光，去除外壁氧化物等，清洗干燥。

②钢质外管13与内衬铝管12装配，其配合间隙不大于0.5mm。

③采用旋压等方法，在两个内衬铝管12的两个端面逐步扩管，直到内衬铝管12与钢质外管13的法兰端面贴合，如附图3。

④在复合管的两端分别安装加压法兰19和端头法兰110；

⑤通过加压法兰19向复合管充注氮气至5MPa；

⑥在复合管上套感应加热线圈17，通道加热钢管到规定的热压复合温度；从左到右以一定速度移动感应加热线圈17直到右端头。在5MPa压力和规定的热压复合温度下实施内衬铝管12外壁与钢质外管13内壁的热等静压复合，在从左到右复合过程中，内衬管和钢质外管之间的气体通过设置在右端头法兰16上的排气孔排出。热压复合加工完成后，焊接密封排气孔。

⑦在高压氢输送管道1外套装外套管15，在外套管15上安装氢传感器14。

⑧管道的抗压力测试：在1.5倍工作压力下，对复合管道进行压力试验和气体泄漏率测量。1.5倍工作压力下，复合管道无变形；1.5倍工作压力下，气体泄漏率满足设计要求。

本发明的高压储氢罐5的制造方法为钢-铝热等静压复合法，外加钢丝缠绕。先采用钢-铝热等静压复合法制造内容器-外容器组合件52，再在内容器-外容器组合件52上缠绕钢丝缠绕层56使其承压强度达到设计要求。

所述内容器-外容器组合件52的制造工艺装备图如附图8。包含感应加热电源线圈525和热压复合加压系统526。其制造工艺概述如下：

①采用喷砂抛光等工艺对内容器523的外表面抛光，对外容器上段522和外容器下段524的内表面抛光，去除内壁氧化物等，清洗干燥；

将连接法兰521、外容器上段522、外容器下段524、内容器523按附图7所示装配为一体后，采用旋压等方法，将内容器524出口端面逐步扩管，直到内容器524出口与密封法兰51的法兰端面贴合。将外容器上段522和外容器下段524焊接为一体，将接法兰521与外容器上段522焊接为一体。

②按附图8所示在内容器-外容器组合件52上布置感应加热线圈525，热压复合加压系统526先通过密封法兰51向内容器充5MPa氮气，再从下至上通过感应加热线圈525加热内容器-外容器组合件52，在一定温度和5MPa氮气压力下，铝质内容器的外表面与钢质外容器的内表面贴合，间隙内气体通过设置在密封法兰51上的排气孔排出。

③内容器-外容器组合件52上的钢丝缠绕层56的缠绕。通过旋转内容器组件方式在内容器-外容器组合件52的外表面缠绕钢丝。采用同步环焊缝焊机将两个相临的钢丝间的环缝焊接在一起。采用相同的缠绕方式、焊接方式进行第二、第三层缠绕与焊接，直到缠绕层数满足容器承受的设计压力要求。

④容器检漏：用氦质谱捡漏方法对内容器组件进行漏率检验。容器漏率应满足设计要求。

⑤按附图6所述安罐体径向应力应变传感测量装置57。

⑥罐体承压强度测试。在罐体工作压力1.5倍下，采用规定方法对罐体进行整体压力测试，罐体的整体漏率，罐体壁径向的应力变形应满足压力容器相关设计要求。

本发明适应的典型的事故场景及相应的应对措施包含：

典型事故场景

当自然因素事故(例如地震)，或人为事故(例如车辆撞击)，或管道材料氢脆老化等因素导致如附图1所示的高压氢气输送管道、高压储氢罐，在阀门F1与阀门F4之间的任意一点发生管道破裂或管道断裂时，必然会导致大量氢的泄漏。这时氢气的泄漏包括如附图1所示从左自右来自高压输氢端的正向气体流泄漏，也包含从右自左来自氢气用户端的氢气逆向气体流泄漏。

典型事故场景及应对措施：

①阀门F1与阀门F2之间的任意一点发生管道断裂或破裂事故

当在阀门F1与阀门F2之间的任意一点发生管道断裂或破裂时，将在F1发生正向氢气流泄漏，在F2发生逆向氢气流泄漏。此时，并联安装在电控截止阀F2、F3、F4两端的逆向氢气流感应器3能够及时感应逆向氢气流信号，以该信号源作为阀门控制依据，与电控截止阀2连接的控制系统计算机6控制电控截止阀2的伺服电机电机，同时执行“关闭”F1、F2、F3、F4命令，实现完全控制氢气泄漏的目的。

当在阀门F1与阀门F2之间的任意一点发生管道断裂或破裂时，将在F1发生正向氢气流泄漏，在F2发生逆向氢气流泄漏。此时，安装在电控截止阀F1、F2之间管道上的管道断点信号采集器3采集到断点信号，与管道断点信号采集器3连接的控制系统计算机6控制电控截止阀2的伺服电机电机，同时执行“关闭”F1、F2、F3、F4指令，实现完全控制氢气泄漏的目的。

控制系统计算机6及时将事故信息传输至用户信息接收计算系统7或地方政府安全监管部门。

②阀门F2与阀门F3之间的任意一点发生管道断裂或破裂事故

当在阀门F2与阀门F3之间的任意一点发生管道断裂或破裂时，将在F2发生正向氢气流泄漏，在F3发生逆向氢气流泄漏。此时，安装在电控截止阀F3、F4管道两端的逆向氢气流感应器3能够及时感应逆向氢气流信号，以该信号源作为控制依据，与电控截止阀F2、F3、F4连接的控制系统计算机6控制电控截止阀的伺服电机电机，同时执行“关闭”F2、F3、F4指令，实现完全控制氢气泄漏的目的。

当在阀门F2与阀门F3之间的任意一点发生管道断裂或破裂时，将在F2发生正向氢气流泄漏，在F3、F4同时发生逆向氢气流泄漏。此时，安装电控截止阀F2、F3之间管道上的管道断点信号采集器4采集到断点信号，与管道断点信号采集器4连接的控制系统计算机6控制电控截止阀2的伺服电机电机，同时执行“关闭”F2、F3指令，实现完全控制氢气泄漏的目的。

控制系统计算机6及时将事故信息传输至用户信息接收计算系统7或地方政府安全监管部门。

③管道受撞击变形或事故及应对措施

当天灾(例如地震)事故，或人为事故(例如车祸)，导致管道变形或位移，则有可能将发生管道破裂，也可能导致大量氢的事故泄漏。外力作用导致的管道变形或位移会使布置在F1、F2、F3、F4之间高压氢输送管道1上的管道断点信号采集器4的传感器系统输出信号发生改变，当某一个传感器信号的改变量到达预先的设定值时，控制系统计算机6及时将事故信息传输至用户信息接收计算系统7或地方政府安全监管部门。这些传感器包括位移传感器、光纤传感器和振动传感器等。

Claims (6)

1.一种高压氢储存与管道输送安全系统，其特征在于，包含高压氢输送管道(1)，在高压氢输送管道(1)上串联的多个电控截止阀(2)，并联在每一个电控截止阀(2)两端的管道上的逆向氢气流感应器(3)，设置在高压氢输送管道(1)上的管道断裂点信号采集器(4)；高压储氢罐(5)连接高压氢输送管道(1)；控制系统计算机(6)与逆向氢气流感应器(3)和管道断裂点信号采集器(4)连接，与控制系统计算机(6)连接的用户信息接收与处理计算系统(7)；

所述高压氢输送管道(1)由内到外包含内衬铝管(13)、钢质外管(12)和外套管(15)，外套管(15)上设有氢传感器(14)，氢传感器(14)连接控制系统计算机(6)；所述高压氢输送管道(1)左端设法兰(11)，右端设法兰(16)，在右端的法兰(16)的径向方向开有一个排气孔；

所述逆向氢气流感应器(3)包含气缸(31)，和与气缸(31)相配合的圆柱体活塞(32)，在气缸(31)外部装配有金属导体感应线圈(33)；气缸(31)的进气口(34)、排气口(35)分别与电控截止阀(2)两端的管道连通；

所述管道断裂点信号采集器(4)包含信号线(42)和断路信号接收处理器(41)；

所述高压储氢罐(5)包含内容器-外容器组合件(52)、顶端的密封法兰(51)、内容器-外容器组合件(52)外侧的外包套(53)；在内容器-外容器组合件(52)上缠绕有钢丝缠绕层(56)，在外包套(53)上安装有氢传感器(55)；在罐体上安装有罐体径向应力应变传感测量装置(57)；所述氢传感器(55)和罐体径向应力应变传感测量装置(57)连接控制系统计算机(6)；

所述内容器-外容器组合件(52)包含铝制的内容器(523)、排气法兰(521)、钢制的外容器上段(522)和外容器下段(524)；所述外容器上段(522)和外容器下段(524)焊接为一体，并在两者之间设有拉杆(54)；

所述罐体径向应力应变传感测量装置(57)包含刚性安装环(572)，布置在安装环(572)上的预紧螺栓(571)和滑块(573)，在滑块(573)上安装有应力应变传感器(574)。

2.根据权利要求1所述的一种高压氢储存与管道输送安全系统，其特征在于，所述控制系统计算机(6)接收所有传感器和感应器信号，并根据预设的指令控制电控截止阀(2)或者发出预警信号。

3.根据权利要求1所述的一种高压氢储存与管道输送安全系统，其特征在于，所述逆向氢气流感应器(3)中，活塞(32)由永磁材料制造，气缸(31)由低磁性钢制造。

4.根据权利要求1所述的一种高压氢储存与管道输送安全系统，其特征在于，所述钢丝缠绕层(56)是在内容器-外容器组合件(52)外表面密实缠绕的多层钢丝层，缠绕的层数取决于钢丝的尺寸、容器壁承受的压力和钢丝的抗拉强度。

5.根据权利要求1所述的一种高压氢储存与管道输送安全系统，其特征在于，所述拉杆(54)为沿轴向方向的长杆螺栓结构。

6.根据权利要求1所述的一种高压氢储存与管道输送安全系统，其特征在于，所述高压氢输送管道(1)和高压储氢罐(5)使用钢-铝热等静压复合法制造。

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