[0001] 本发明涉及管道泄漏检测技术领域，具体涉及一种掺氢天然气管道泄漏扩散试验装置及方法。

[0002] 氢气作为一种高效、零碳的清洁能源，具有极大的应用潜能，氢气的广泛应用是实现大规模可再生能源消纳，以及工业、建筑、交通、电力等领域深度脱碳的重要途径。其中，氢气的管道运输成为氢能利用的关键一环。

[0003] 目前，氢气管道运输网络尚不完善且建设投入极高，充分利用天然气管网等基础设施，将氢气混入已有的天然气管道内进行传输可以实现高效低成本地输送氢气。但是，氢气的掺入有可能对运输管网产生安全影响，由于氢气密度小，渗透率远大于天然气，在输送过程中，氢气在管道中尤其是法兰、密封螺纹等连接处更容易渗漏、扩散到外界。一旦泄漏极易造成火灾、爆炸等严重事故，对生命和财产安全构成极大威胁。因此，需要对掺氢天然气管道的泄漏扩散进行试验研究，以便于准确地对管道进行安全评估。

[0004] 但是，现有的相关技术中无法准确地对掺氢天然气在大空间的泄漏扩散情况进行试验分析，从而导致对管道的安全评估缺乏试验依据。

[0032] 下面将详细地对实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下实施例中描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。仅是与权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的系统和方法的示例。

[0033] 氢气作为一种高效、零碳的清洁能源，具有极大的应用潜能，氢气的广泛应用是实现大规模可再生能源消纳，以及工业、建筑、交通、电力等领域深度脱碳的重要途径。其中，氢气的管道运输成为氢能利用的关键一环。

[0034] 目前，氢气管道运输网络尚不完善且建设投入极高，充分利用天然气管网等基础设施，将氢气混入已有的天然气管道内进行传输可以实现高效低成本地输送氢气。但是，氢气的掺入有可能对运输管网产生安全影响，由于氢气密度小，渗透率远大于天然气，在输送过程中，氢气在管道中尤其是法兰、密封螺纹等连接处更容易渗漏、扩散到外界。一旦泄漏极易造成火灾、爆炸等严重事故，对生命和财产安全构成极大威胁。因此，需要对掺氢天然气管道的泄漏扩散进行试验研究，以便于准确地对管道进行安全评估。

[0035] 但是，现有的相关技术中无法准确地对掺氢天然气在大空间的泄漏扩散情况进行试验分析，从而导致对管道的安全评估缺乏试验依据。

[0036] 为了解决上述问题，本申请实施例提供一种掺氢天然气管道泄漏扩散试验装置及方法，该装置包括：供气模块、控制模块、泄漏扩散模块、数据采集模块等。该装置可以适用于不同泄漏工况(例如泄漏浓度)下连续气体释放过程的模拟和监测，实现氢气与甲烷气体浓度的实时监测，从而能够实现准确地对掺氢天然气在大空间的泄漏扩散情况进行试验分析，为管道的安全评估提供试验依据。

[0037] 下面结合附图，对本申请实施例提供的方案进行介绍。

[0038] 具体的，参见图1，为本发明实施例提供的掺氢天然气管道泄漏扩散试验装置的结构示意图一，如图1所示，本发明提供的掺氢天然气管道泄漏扩散试验装置，包括：供气模块100、控制模块200、泄漏扩散模块300、数据采集模块400、第一分管道501、第二分管道502和主管道503。

[0039] 其中，供气模块100分别与第一分管道501和第二分管道502连接，第一分管道501和第二分管道502与主管道503连接，控制模块200设置在第一分管道501、第二分管道502和主管道503上，主管道503与泄漏扩散模块300连接，数据采集模块400与控制模块200和泄漏扩散模块300连接。

[0040] 具体的，供气模块100可以用于稳定气源供应，即提供氢气和甲烷。控制模块200用于控制氢气的气体流量、甲烷的气体流量以及气体体积比例，以确定混合气体。泄漏扩散模块300用于释放混合气体，以模拟泄漏扩散。数据采集模块400用于记录并存储氢气的气体流量、甲烷的气体流量以及泄漏扩散模块300内的温度、风速、氢气的气体浓度和甲烷的气体浓度，以用于进行泄漏扩散分析。第一分管道501和第二分管道502分别用于传输氢气和甲烷，主管道503用于传输混合气体。

[0041] 采用本申请实施例提供的掺氢天然气管道泄漏扩散试验装置，通过供气模块可以提供氢气和甲烷，通过控制模块可以得到不同浓度的氢气和甲烷的混合气体，通过泄漏扩散模块模拟混合气体泄漏扩散，然后，通过数据采集模块记录试验参数以用于进行泄漏扩散分析。该试验装置搭建简便，试验流程实现远程操控，安全性能好，试验结果可重复性高。并且，该试验装置可以适用于不同泄漏工况下连续气体释放过程的模拟和监测，实现氢气与甲烷气体浓度的实时监测，从而能够实现准确地对掺氢天然气在大空间的泄漏扩散情况进行试验分析，为管道的安全评估提供试验依据。

[0042] 在一些实施例中，图2为本发明实施例提供的掺氢天然气管道泄漏扩散试验装置的结构示意图二，如图2所示，上述供气模块100包括：氢气气瓶101和甲烷气瓶102。其中，氢气气瓶101与第一分管道501连接，甲烷气瓶102与第二分管道502连接。这样，通过第一分管道501可以输送氢气，通过第二分管道502可以输送甲烷。

[0043] 在一些实施例中，如图2所示，上述控制模块200包括：第一减压阀201、第一体积流量控制器202、第一截止阀203、第二减压阀204、第二体积流量控制器205、第二截止阀206和混合阀207。

[0044] 其中，第一减压阀201设置在氢气气瓶101与第一分管道501之间，第一体积流量控制器202和第一截止阀203设置在第一分管道501上，第二减压阀204设置在甲烷气瓶102与第二分管道502之间，第二体积流量控制器205和第二截止阀206设置在第二分管道502上，混合阀207设置在主管道503与第一分管道501、第二分管道502之间。

[0045] 具体的，第一减压阀201可以用于连接氢气气瓶101与第一分管道501。第一体积流量控制器202可以用于控制和监测第一分管道501内气体的气体流量，例如，第一体积流量控制器202可以根据预设的氢气气体流量通过第一分管道501输送对应气体流量的氢气。第一截止阀203可以用于关闭第一分管道501内气体的气源供应。第二减压阀204可以用于连接甲烷气瓶102与第二分管道502。第二体积流量控制器205用于控制和监测第二分管道502内气体的气体流量，例如，第二体积流量控制器205可以根据预设的甲烷气体流量通过第二分管道502输送对应气体流量的甲烷。第二截止阀206用于关闭第二分管道502内气体的气源供应。混合阀207用于连接主管道503与第一分管道501、第二分管道502。具体的，混合阀207可以用于对第一分管道501内的氢气和第二分管道502内的甲烷进行混合使其汇入到主管道503内。

[0046] 在一些实施例中，继续参见图2所示，上述泄漏扩散模块300包括：泄漏管道301、开关阀302、风洞303、调速控制器304、气体传感器组305、温度传感器306和风速仪307。

[0047] 其中，泄漏管道301的一端通过开关阀302与主管道503连接，泄漏管道301的另一端与风洞303的底部连接，调速控制器304与风洞303连接，气体传感器组305、温度传感器306和风速仪307设置在风洞303的内部。这样，通过风洞进行试验模拟开放空间扩散，可以有效降低泄漏气体的泄漏量，提高试验的安全性。

[0048] 在一些实施例中，继续参见图2所示，风洞303包括依次设置的：整流段3031、试验测试段3032和风机段3033。其中，泄漏管道301的另一端垂直向上设置在试验测试段3032的底部，这样，便于混合气体的扩散。气体传感器组305、温度传感器306和风速仪307设置在试验测试段3032。

[0049] 具体的，整流段3031用于控制风洞303内的风速均匀。例如，整流段3031可以通过蜂窝器使风速均匀。试验测试段3032内风速稳定且均匀，可以用于释放混合气体。风机段3033可以用于通过调速控制器304改变风洞303内的风速。

[0050] 气体传感器组305可以用于监测试验测试段3032内的氢气浓度和甲烷浓度，并将氢气浓度和甲烷浓度发送至数据采集模块400。温度传感器306可以用于监测试验测试段3032内的温度，并将温度发送至数据采集模块400。风速仪307可以用于监测试验测试段
3032内的风速值，并将风速值发送至数据采集模块400。

[0051] 在一些实施例中，如图2所示，气体传感器组305包括：氢气传感器3051和甲烷传感器3052。这样，通过氢气传感器3051可以采集和监测试验测试段3032内的氢气浓度，通过甲烷传感器3052可以采集和监测试验测试段3032内的甲烷浓度。

[0052] 在一些实施例中，该试验装置可以包括多组气体传感器组305，这样，可以提高采集的氢气浓度和甲烷浓度的准确性。示例性的，图3为本发明实施例提供的掺氢天然气管道泄漏扩散试验装置中气体传感器组布置的俯视图，如图3所示，在试验测试段3032内布置有5组气体传感器组305、1组温度传感器306和1组风速仪307。其中，气体传感器组305、温度传感器306和风速仪307的布置可以避免干扰试验测试段3032内的流场，防止影响混合气体在试验测试段3032内的泄漏扩散，从而提高采集的氢气浓度、甲烷浓度、温度和风速的准确性。

[0053] 在一些实施例中，氢气传感器3051的探头垂直向下设置，和/或，甲烷传感器3052的探头垂直向下设置。这样，垂直向下的探头便于准确地采集气体浓度，从而可以提高采集的氢气浓度和甲烷浓度的准确性。

[0054] 在一些实施例中，风速仪307的探头垂直于试验测试段3032内的风速方向设置。这样，可以提高采集的风速的准确性。

[0055] 在一些实施例中，如图2所示，上述数据采集模块400包括：数据记录仪401和防爆电箱402。其中，数据记录仪401可以通过防爆电箱402和数据传输线与第一体积流量控制器202、第二体积流量控制器205、气体传感器组305、温度传感器306和风速仪307连接。

[0056] 示例性的，第一体积流量控制器202、第二体积流量控制器205、气体传感器组305、温度传感器306和风速仪307可以通过数据传输线和防爆电箱402将采集的数据传输到设置在远端的数据记录仪401进行储存。

[0057] 具体的，数据记录仪401可以用于存储氢气的气体流量、甲烷的气体流量以及泄漏扩散模块300内的温度、风速、氢气的气体浓度和甲烷的气体浓度。防爆电箱402可以用于危险性气体(例如氢气、甲烷)的防爆，从而提高该试验装置的安全性。

[0058] 本发明实施例还提供一种掺氢天然气管道泄漏扩散试验方法，图4为本发明实施例提供的掺氢天然气管道泄漏扩散试验方法的流程示意图，如图4所示，本发明提供的试验方法包括以下步骤S101‑S105：

[0059] S101、对供气模块100、控制模块200、第一分管道501、第二分管道502和主管道503进行气密性检测。

[0060] S102、在气密性满足预设条件的情况下，根据预设试验需求，在泄漏扩散模块300中设置数据采集模块400。

[0061] S103、开启数据采集模块400，并使泄漏扩散模块300中的风洞的内部风速达到预设风速值。

[0062] S104、通过供气模块100和控制模块200向泄漏扩散模块300释放混合气体，混合气体根据预设氢气气体流量、预设甲烷气体流量以及预设气体体积比例确定得到。

[0063] S105、通过数据采集模块400记录并存储控制模块200的氢气气体流量、甲烷气体流量以及泄漏扩散模块300内的温度、风速、氢气气体浓度和甲烷气体浓度。

[0064] 采用本申请实施例提供的掺氢天然气管道泄漏扩散试验方法，可以得到不同浓度的氢气和甲烷的混合气体，然后通过泄漏扩散模块模拟混合气体泄漏扩散，通过数据采集模块记录试验参数以用于进行泄漏扩散分析。该方法可以适用于不同泄漏工况下连续气体释放过程的模拟和监测，实现氢气与甲烷气体浓度的实时监测，从而能够实现准确地对掺氢天然气在大空间的泄漏扩散情况进行试验分析，为管道的安全评估提供试验依据。

[0065] 在一些实施例中，以图2所示的掺氢天然气管道泄漏扩散试验装置为例，本发明实施提供的掺氢天然气管道泄漏扩散试验方法具体可以包括：

[0066] S201、将供气模块100、控制模块200依次连接到对应的第一分管道501和第二分管道502，通过混合阀207将第一分管道501和第二分管道502连接到主管道503上，将泄漏管道301连接到主管道503上。

[0067] 具体地，将试验用的氢气气瓶101通过第一减压阀201连接进入第一分管道501，再依次连接第一体积流量控制器202和第一截止阀203，将试验用的甲烷气瓶102通过第二减压阀204连接进入第二分管道502，再依次连接第二体积流量控制器205和第二截止阀206，通过混合阀207将第一分管道501和第二分管道502连接到主管道503上，将泄漏管道301通过开关阀302连接到主管道503上。

[0068] S202、对S201中连接完成的试验装置进行气密性检测。

[0069] 示例性的，可以关闭开关阀302，打开甲烷气瓶102，调节第二减压阀204使其出现示数，关闭甲烷气瓶102，观察减压阀示数是否下降，判断管路是否泄漏，之后开始试验测试。

[0070] S203、根据预设试验需求，对风洞303内部传感器进行布置。

[0071] 具体地，根据预设试验需求，即根据传感器数量和测试需求将氢气传感器3051、甲烷传感器3052、温度传感器306和风速仪307按照测试要求布置在风洞303的试验测试段3032内部。

[0072] S204、测试前，开启数据采集模块400，运行风洞303的风机，调节调速控制器304使风洞303内部风速达到设定值并保持稳定。

[0073] 具体地，测试开始前，开启数据记录仪401，开启风洞303的风机，调节调速控制器304，观察风速仪307传输的数据，使其达到预设的风速且能够保持稳定。

[0074] S205、测试时，保持数据采集模块400开启，打开供气模块100的各阀门使掺氢天然气在风洞303内泄漏扩散。

[0075] 具体地，进行试验时，保持数据记录仪401开启，设定第一体积流量控制器202和第二体积流量控制器205的数值，打开氢气气瓶101和甲烷气瓶102阀门，打开第一减压阀201、第一截止阀203、第二减压阀204、第二截止阀206和混合阀207。然后，打开连接泄漏管道301的开关阀302，观察数据记录仪401的氢气与甲烷浓度变化，等到二者均维持不变达到稳态时关闭氢气气瓶101和甲烷气瓶102的阀门，通过数据采集模块400记录温度、氢气与甲烷浓度的变化并进行储存。

[0076] S206、试验完成后，风洞303持续运行一段时间后关闭风机，更改试验条件再次试验。

[0077] 具体地，每次测试结束后，使风洞303保持运行一段时间，使其内残余的氢气与甲烷排尽。更改第一体积流量控制器202和第二体积流量控制器205的设定值改变流量和氢气与甲烷的比例，调节调速控制器304改变风速，进行下一组试验。

[0078] 通过以上实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。

[0079] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

[0080] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

[0081] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

[0082] 本申请提供的实施例之间的相似部分相互参见即可，以上提供的具体实施方式只是本申请总的构思下的几个示例，并不构成本申请保护范围的限定。对于本领域的技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下依据本申请方案所扩展出的任何其他实施方式都属于本申请的保护范围。