本发明涉及油气安全，具体是一种高压掺氢天然气放空自燃实验装置。
背景技术：
1、氢能是当前世界各国所重视的清洁能源之一，利用电解水制氢，并将氢气按照一定比例掺入在役天然气管道实现大规模、长距离输送至下游用户是当前构建制氢——运氢——用氢产业链的主要方式。放空管道是天然气输送管道中常见的组成部分，在各个站场均有设置，用于在输气管道定期维护或发生紧急事故时将管道中的天然气排放至空气中。但氢气掺入在役天然气管道后将带来一系列安全问题。其中，由于氢气的最低点火能(0.02mj)仅为天然气(0.29mj)的约1/15，导致氢气具有较天然气更高的自燃风险。近年来，学者们研究总结出了氢气的几大自燃机制，其中扩散点火机制(高压氢气与空气之间的压差导致释放的氢气射流前端压缩空气产生局部高温引发自燃)是氢气在经下游管道向空气放空的过程中发生自燃现象的主要原因，引发纯氢气放空自燃的临界压力仅为2mpa左右，这在传统天然气放空过程中是不会发生的。另外，还有学者经实验发现，当纯氢气夹带金属颗粒进行放空时，将因金属颗粒撞击管道壁面产生的局部静电而增大放空自燃可能性。虽然无论是否夹带金属颗粒，目前尚无天然气在放空过程中发生自燃的有关记录，但天然气放空管放空压力通常可以轻松达到4～8mpa，大于纯氢气放空自燃的临界压力，且天然气输送管道及放空管内通常存在少量金属颗粒，满足了纯氢气放空自燃的条件。因此当氢气掺入天然气后，掺氢天然气在放空过程中是否会发生自燃、什么条件下进行放空更易发生自燃以及引发自燃的机制均不得而知。
2、据调查，在现有的专利中，专利cn114113488b《一种高压掺氢天然气管道泄漏自燃实验装置》设计了一种能对高压掺氢天然气从管道向空气泄漏过程中的自燃进行实验的装置，但该装置主要针对的是掺氢天然气的管道泄漏过程，并且无法对静电点火机制进行研究；专利cn206096057u《一种煤绝热自燃发火实验装置》设计了一种对煤绝热自燃发火过程进行实验的装置及方法。综合来说，目前未有一种能安全经济便捷地对不同条件下高压掺氢天然气放空自燃进行研究的实验装置，考虑到目前掺氢天然气在放空过程中是否会发生自燃、什么条件下进行放空更易发生自燃以及引发自燃的机制不清楚的问题，故本技术所述的装置对开展掺氢天然气放空自燃研究，进而进一步指导工程现场试验、制定放空计划，促进在役天然气管道掺氢输送的安全发展是有必要的。
3、高压掺氢天然气在放空过程中是否自燃、在何种放空条件以及放空管何处更易发生自燃是未知的，需要借助高精度的手段对放空过程中放空管各处进行监测。基于此设计一种高压掺氢天然气放空自燃实验装置，采用电动仪器仪表对实验进行远程自动高精度控制、阀门与流量计控制并制备特定掺氢比的掺氢天然气、在放空管上按照一定间隔交替安装温度传感器和电位计等监测零件等方法，可以安全、便捷地对不同条件下的高压掺氢天然气放空自燃进行实验，为探究掺氢天然气放空自燃机制、后续开展现场试验以及制定掺氢天然气安全放空方案提供指导。
技术实现思路
1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高压掺氢天然气放空自燃实验装置，该装置可对不同掺氢比、不同压力、不同金属颗粒夹带量的高压掺氢天然气经不同尺寸放空管进行放空的过程中的自燃开展实验研究。
2、本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种高压掺氢天然气放空自燃实验装置，该实验装置包括原料供气系统、掺氢天然气制备及储存系统、耐压及吹扫气体供气系统、放空自燃实验系统和实验装置控制及数据采集系统以及连接上述系统的管道及线路，原料供气系统与掺氢天然气制备及储存系统连接，掺氢天然气制备及储存系统分别与耐压及吹扫气体供气系统、放空自燃实验系统连接，实验装置控制及数据采集系统分别与原料供气系统、掺氢天然气制备及储存系统、耐压及吹扫气体供气系统、放空自燃实验系统连接，原料供气系统可以为实验装置提供进行实验所需的甲烷和氢气。掺氢天然气制备及储存系统可以控制原料供气系统所提供甲烷和氢气的压力及流量，经混合后形成实验所需特定掺氢比的掺氢天然气，并将其增压至实验所需压力进行储存，还可以对制备过程中所产生的废气进行排空，以及防止掺氢天然气在储存过程中的分层。耐压及吹扫气体供气系统可以为实验装置提供实验过程中耐压及吹扫步骤所需的氮气和空气。放空自燃实验系统包括加料管、实验管、数个温度传感器、数个电位计、数个压力传感器和数个光敏传感器以及连接上述仪器仪表的管道，加料管用于实验时投入金属颗粒，其中金属颗粒为三氧化二铁、四氧化三铁等输气管道中常见的金属颗粒，实验管包括辅助管、水平管、弯管和立管，立管以与地面垂直的角度向上安装，第一温度传感器～第四温度传感器与第一电位计～第四电位计交替等距设置在水平管的上部，水平管的下部等距设置有数个第一检测组，且第一检测组的检测件依次为压力传感器、电位计、光敏传感器、电位计，也就是第一压力传感器、第二压力传感器、第一光敏传感器、第二光敏传感器与第五电位计～第八电位计按照每组压力传感器-电位计-光敏传感器-电位计-压力传感器的顺序依次交替等距安装在水平管的下部，第五温度传感器、第九电位计、第三压力传感器、第三光敏传感器、第十电位计依次等距安装在弯管外弯侧上，第六温度传感器～第九温度传感器与第十一电位计～第十四电位计交替等距安装在立管的左侧，立管的右侧等距设置有数个第二检测组，且第二检测组的检测件依次为电位计、压力传感器、电位计、光敏传感器，也就是第四压力传感器、第五压力传感器、第四光敏传感器、第五光敏传感器与第十五电位计～第十八电位计按照电位计-压力传感器-电位计-光敏传感器-电位计-压力传感器的顺序依次交替等距安装在立管的右侧，上述各传感器与电位计安装数量与间距可根据实际实验需求进行调整。放空自燃实验系统是进行掺氢天然气放空自燃研究的主要部分，依靠各类传感器与电位计可以对放空管(也就是实验管)内各位置气体的温度和压力、金属颗粒撞击管道壁面所产生局部静电的电位以及在放空过程中气体是否发生自燃进行监测，为掺氢天然气放空自燃研究提供数据，还可以防止自燃火焰溢出放空管波及周围环境。
3、加料管内部设置有承压金属片，电动旋转轴贯穿过承压金属片的环向面，将其固定在加料管的内部，承压金属片的环向面与加料管管壁之间设置有密封垫圈，密封垫圈起到密封的作用。
4、辅助管与水平管的一端通过第六电动球阀连接，水平管的另一端与弯管的一端通过第二管道法兰连接，弯管的另一端与立管的一端通过第三管道法兰连接，辅助管上部设置有三个小孔，其左端小孔与加料管连接，加料管设置有管帽，辅助管上部的中间小孔与耐压及吹扫气体供气系统的第五电动球阀连接，右端小孔与第四电动减压阀连接。
5、立管的另一端与阻火器连接，阻火器与第七电动球阀连接，水平管、弯管和立管三者的内径一致，并可视实验需要同步改变不同内径尺寸，如270mm、300mm和330mm等。
6、原料供气系统包括甲烷气瓶、氢气气瓶、第一电子压力表、第二电子压力表、第一电动减压阀和第二电动减压阀以及连接上述仪器仪表的管道，甲烷气瓶和氢气气瓶内分别装有压力远高于大气压且低于装置整体设计压力的甲烷和氢气。第一电子压力表设置在甲烷气瓶出口临近管道上，第二电子压力表设置在氢气气瓶出口临近管道上，第三电子压力表和搅拌器设置在掺氢天然气储罐上。
7、掺氢天然气制备及储存系统包括电动球阀、超声波流量计、电动三通阀、第三电动减压阀、电动压缩机、第三电子压力表、掺氢天然气储罐和搅拌器以及连接上述仪器仪表的管道。
8、电动球阀包括第一电动球阀、第二电动球阀、第三电动球阀和第四电动球阀，超声波流量计包括第一超声波流量计和第二超声波流量计，电动三通阀包括第一电动三通阀和第二电动三通阀，甲烷气瓶与第一电动减压阀连接，第一电动减压阀与第一电动球阀连接，第一电动球阀经由第一超声波流量计连接至第一电动三通阀上端，氢气气瓶与第二电动减压阀连接，第二电动减压阀与第二电动球阀连接，第二电动球阀经由第二超声波流量计连接至第一电动三通阀左端，第一电动三通阀右端连接至第二电动三通阀左端，第三电动减压阀连接至第二电动三通阀上端，第二电动三通阀右端依次经由电动压缩机、第三电动球阀连接至掺氢天然气储罐，掺氢天然气储罐出口连接至第四电动球阀，第一管道法兰连接第四电动球阀出口管道与辅助管。
9、耐压及吹扫气体供气系统包括氮气气瓶、空气气瓶、第四电子压力表、第五电子压力表、第三电动三通阀和第五电动球阀以及连接上述仪器仪表的管道，氮气气瓶内部装有压力为装置整体设计压力的高压氮气，且其经管道连接至第三电动三通阀上端，空气气瓶内部装有压力远高于大气压且低于装置整体设计压力的空气，且其经管道连接至第三电动三通阀左端，第三电动三通阀经由第五电动球阀连接至辅助管中部支管。第四电子压力表设置在氮气气瓶出口临近管道上，第五电子压力表设置在空气气瓶出口临近管道上。
10、实验装置控制及数据采集系统包括数据线、综合控制台和计算机接口。除各气瓶、掺氢天然气储罐、各管道法兰以及各管道本体外的所有仪器仪表、传感器及电位计均通过数据线汇总连接至综合控制台，综合控制台具备数据显示功能及数个控制按钮，能实时显示经数据线传回的各仪器仪表、传感器及电位计工作参数或测量结果，还能使用控制按钮经数据线对各仪器进行开关等行为控制，综合控制台通过数据线连接至计算机接口，计算机接口可以连接至计算机实现对综合控制台控制按钮功能的编辑；实验装置控制及数据采集系统可以远距离对实验装置中各仪器仪表和传感器的显示、测量结果进行实时读取处理，并实现对实验过程的远距离自动精确控制，还能实现实验结果的数据实时可视化。
11、本发明的有益效果是：
12、1、本发明通过设置第一电动减压阀、第二电动减压阀、第一电动球阀和第二电动球阀及其之间的联合作用，可以控制甲烷与氢气的流量，调整其流量呈一定比例后，经第一电动三通阀的混合，即可为实验装置后续部分提供特定掺氢比的预混合掺氢天然气。
13、2、本发明通过电动压缩机对掺氢天然气的增压并输入掺氢天然气储罐，可以便捷地将掺氢天然气增压至实验需要的压力并进行临时储存，通过运行搅拌器可以在实验前对掺氢天然气进行强制混合，起到防止掺氢天然气储罐中的掺氢天然气经短暂储存后出现氢气与甲烷分层现象而对实验结果产生影响的作用。通过控制第四电动阀的开启速度，可以实现对掺氢天然气采用不同放空流量进行放空的过程进行研究。
14、3、本发明通过设置加料管及其中的电动旋转轴、密封垫圈、承压金属片，可以便捷地向实验装置内添加特定数量与质量的金属颗粒，使其在实验过程中被掺氢天然气所夹带并进行放空，实现对夹带金属颗粒掺氢天然气的放空过程的实验研究，并且可以在装置吹扫之前进行金属颗粒的添加，实验人员无需在装置使用途中靠近装置，提升了实验人员的安全性，通过同步调整水平管、弯管与立管的内径，可以实现对掺氢天然气经不同尺寸放空管进行放空的过程进行实验研究。
15、4、本发明通过使用综合控制台与数据线，不但可以远程实时便捷地读取各仪表及传感器读数，还可以远程对各电动仪器及零部件进行操控，既提高了实验中各仪器及零部件的操控精度，还提高了实验人员的安全性。计算机接口可以连接至计算机实现对综合控制台控制按钮功能的编辑，提升实验装置的智能化程度。
16、5、本发明通过设置第三电动减压阀与第四电动减压阀，可以使实验过程中产生的废气经过减压后以接近大气压的状态进行排空，无需将废气特地进行回收和处理，不但简化了实验装置，还节省了废气处理所需成本。
1.一种高压掺氢天然气放空自燃实验装置，其特征在于：包括原料供气系统、掺氢天然气制备及储存系统、耐压及吹扫气体供气系统、放空自燃实验系统和实验装置控制及数据采集系统，所述原料供气系统与掺氢天然气制备及储存系统连接，所述掺氢天然气制备及储存系统分别与耐压及吹扫气体供气系统、放空自燃实验系统连接，所述实验装置控制及数据采集系统分别与原料供气系统、掺氢天然气制备及储存系统、耐压及吹扫气体供气系统、放空自燃实验系统连接，所述放空自燃实验系统包括加料管(13)、实验管、数个温度传感器、数个电位计、数个压力传感器和数个光敏传感器，所述实验管包括辅助管(17)、水平管(18)、弯管(26)和立管(19)，所述温度传感器和电位计交替等距设置在水平管(18)的上部以及立管(19)的左侧，所述水平管(18)的下部等距设置有数个第一检测组，且第一检测组的检测件依次为压力传感器、电位计、光敏传感器、电位计，所述弯管(26)的外弯侧依次等距设置有电位计、温度传感器、压力传感器、光敏传感器、电位计，所述立管(19)的右侧等距设置有数个第二检测组，且第二检测组的检测件依次为电位计、压力传感器、电位计、光敏传感器；
2.根据权利要求1所述的一种高压掺氢天然气放空自燃实验装置，其特征在于：所述辅助管(17)与水平管(18)的一端通过第六电动球阀(46)连接，所述水平管(18)的另一端与弯管(26)的一端通过第二管道法兰(102)连接，所述弯管(26)的另一端与立管(19)的一端通过第三管道法兰(103)连接，所述辅助管(17)上部设置有三个小孔，其左端小孔与加料管(13)连接，所述加料管(13)设置有管帽(12)，所述辅助管(17)上部的中间小孔与耐压及吹扫气体供气系统连接，右端小孔与第四电动减压阀(34)连接。
3.根据权利要求2所述的一种高压掺氢天然气放空自燃实验装置，其特征在于：所述立管(19)的另一端与阻火器(20)连接，所述阻火器(20)与第七电动球阀(47)连接，所述水平管(18)、弯管(26)和立管(19)三者的内径一致。
4.根据权利要求1所述的一种高压掺氢天然气放空自燃实验装置，其特征在于：所述原料供气系统包括甲烷气瓶(1)、氢气气瓶(2)、第一电动减压阀(31)和第二电动减压阀(32)，所述甲烷气瓶(1)和氢气气瓶(2)内分别装有压力远高于大气压且低于装置整体设计压力的甲烷和氢气。
5.根据权利要求4所述的一种高压掺氢天然气放空自燃实验装置，其特征在于：所述掺氢天然气制备及储存系统包括电动球阀、超声波流量计、电动三通阀、第三电动减压阀(33)、电动压缩机(5)、第三电子压力表(23)、掺氢天然气储罐(10)和搅拌器(9)。
6.根据权利要求5所述的一种高压掺氢天然气放空自燃实验装置，其特征在于：所述电动球阀包括第一电动球阀(41)、第二电动球阀(42)、第三电动球阀(43)和第四电动球阀(44)，所述超声波流量计包括第一超声波流量计(51)和第二超声波流量计(52)，所述电动三通阀包括第一电动三通阀(61)和第二电动三通阀(62)，所述甲烷气瓶(1)与第一电动减压阀(31)连接，所述第一电动减压阀(31)与第一电动球阀(41)连接，所述第一电动球阀(41)经由第一超声波流量计(51)连接至第一电动三通阀(61)上端，所述氢气气瓶(2)与第二电动减压阀(32)连接，所述第二电动减压阀(32)与第二电动球阀(42)连接，所述第二电动球阀(42)经由第二超声波流量计(52)连接至第一电动三通阀(61)左端，所述第一电动三通阀(61)右端连接至第二电动三通阀(62)左端，所述第三电动减压阀(33)连接至第二电动三通阀(62)上端，所述第二电动三通阀(62)右端依次经由电动压缩机(5)、第三电动球阀(43)连接至掺氢天然气储罐(10)，所述掺氢天然气储罐(10)出口连接至第四电动球阀(44)。
7.根据权利要求6所述的一种高压掺氢天然气放空自燃实验装置，其特征在于：所述原料供气系统还包括第一电子压力表(21)和第二电子压力表(22)，所述第一电子压力表(21)设置在甲烷气瓶(1)出口临近管道上，所述第二电子压力表(22)设置在氢气气瓶(2)出口临近管道上，所述第三电子压力表(23)和搅拌器(9)设置在掺氢天然气储罐(10)上。
8.根据权利要求1所述的一种高压掺氢天然气放空自燃实验装置，其特征在于：所述耐压及吹扫气体供气系统包括氮气气瓶(3)、空气气瓶(4)、第三电动三通阀(63)和第五电动球阀(45)，所述氮气气瓶(3)内部装有压力为装置整体设计压力的氮气，且其经管道连接至第三电动三通阀(63)上端，所述空气气瓶(4)内部装有压力远高于大气压且低于装置整体设计压力的空气，且其经管道连接至第三电动三通阀(63)左端，所述第三电动三通阀(63)经由第五电动球阀(45)连接至辅助管(17)中部支管。
9.根据权利要求8所述的一种高压掺氢天然气放空自燃实验装置，其特征在于：所述耐压及吹扫气体供气系统还包括第四电子压力表(24)和第五电子压力表(25)，所述第四电子压力表(24)设置在氮气气瓶(3)出口临近管道上，所述第五电子压力表(25)设置在空气气瓶(4)出口临近管道上。
10.根据权利要求1所述的一种高压掺氢天然气放空自燃实验装置，其特征在于：所述实验装置控制及数据采集系统包括数据线(6)、综合控制台(7)和计算机接口(8)。
