储氢装置、储氢井以及用于储氢井的调节方法 |
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| 申请号 | CN202211211614.5 | 申请日 | 2022-09-30 | 公开(公告)号 | CN117847398A | 公开(公告)日 | 2024-04-09 |
| 申请人 | 中国石油化工股份有限公司; 中石化安全工程研究院有限公司; | 发明人 | 单广斌; 陈闽东; 邱枫; 张伟亚; 韩磊; 陈文武; 屈定荣; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供了一种储氢装置，包括能够投入到储氢井的基井内的井筒；用于设置基井的井口上的环形固定座；以及第一接头，第一接头包括用于与环形固定座接合的 支撑 座。其中，井筒构造成由 纤维 缠绕柔性 复合材料 制成的连续型井筒，纤维缠绕柔性复合材料包括内部防渗层、增强层，以及外部保护层。本发明能够将井筒设置为一体成型的结构，从而杜绝了在井筒自身上设置众多连接接头的问题，进而能够有效地提高储氢井的安全性。此外，本发明还提出了一种储氢井以及一种用于储氢井的调节方法。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种储氢装置(100)，包括： |
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| 说明书全文 | 储氢装置、储氢井以及用于储氢井的调节方法技术领域[0001] 本发明涉及储氢设备技术领域，具体地涉及一种储氢装置、一种储氢井以及一种用于储氢井的调节方法。 背景技术[0002] 氢能是清洁且高效的能源，并且是能源转型升级、实现绿色发展的重要途径。而氢气的存储是氢能产业发展的关键一环。目前，氢气的储存方法包括气态储氢、液态储氢和固体储氢等，其中，高压气态储氢是目前最主要的氢存储方式，并且主要以高压储氢瓶作为储存氢气的器皿。 [0003] CN215949579U提供了一种地下储氢井，其包括位于底部的井头、连接于井头顶部的井筒、连接于井筒顶部的井尾；其中，所述井头的下段从上往下逐渐收束，构成钻头部；所述井头、井筒的顶部分别设有承口，所述井筒、井尾的底部分别设有插口；所述承口与所述插口为相适配的正多边形结构；所述井头的顶部、井筒的底部与顶部、井尾的底部分别在外壁设置连接部，相对应的连接部通过螺栓固接。因此，经过对比发现储气井相较于储氢瓶来说具有占地面积小，安全性高等多重特点。 [0004] 虽然上述储氢井能够为储存氢气提供更高的安全性与更小的占地面积。但是，该储氢井主要由金属材料制成，并且通过多段金属管道连接而成。由于金属材料形成的储氢井需要多段管连接，因此不可避免的需要大量的接头，而接头又为泄漏和腐蚀的多发部位，由此就为整个储氢井的长期运行带来严重安全隐患。 [0005] 因此，本领域希望提出以一种储氢装置以解决上述问题。 发明内容[0006] 本发明的目的在于提出一种储氢装置，其能够将井筒设置为一体成型的结构，从而杜绝了在井筒自身上设置接头的问题，进而能够有效地提高储氢井的安全性。此外，由于本发明中的井筒由纤维缠绕柔性复合材料制成，因此能够有效地解决因井筒腐蚀而引发的泄漏问题。本发明还提出了一种储氢井以及一种用于储氢井的调节方法。 [0007] 根据本发明的第一方面，提供了一种储氢装置，包括能够投入到储氢井的基井内并用于容纳氢气的井筒；用于设置所述基井的井口上的环形固定座；以及与所述井筒的上游端密封式连接的第一接头，所述第一接头包括用于与所述环形固定座接合的支撑座；其中，所述井筒构造成由纤维缠绕柔性复合材料制成的连续型井筒，所述纤维缠绕柔性复合材料包括沿径向依次设置的内部防渗层、增强层，以及外部保护层。 [0008] 在一个实施例中，所述内部防渗层包括非金属、金属与非金属的复合层中的至少一种，所述增强层包括玻璃纤维、碳纤维、金属丝和尼龙纤维中的至少一种，所述外部保护层包括PE、PVDF和PA中的至少一种。 [0009] 在一个实施例中，所述储氢装置还包括套接在所述井筒外的送放机构，所述送放机构包括气囊，以及分别设置在所述气囊的上游与下游的扶正器，其中，在所述扶正器上设有若干个用于与所述基井的内壁接合的滚轮。 [0010] 在一个实施例中，沿所述储氢装置的轴向等距设置了多个所述送放机构。 [0011] 在一个实施例中，所述储氢装置还包括与所述井筒的下游端密封式连接的第二接头，以及设置在所述第二接头的下游的缓冲器，所述缓冲器构造成能够与所述基井的井底抵接。 [0012] 在一个实施例中，所述储氢装置还包括设置在所述支撑座上的第一阀，以及延伸穿过所述第一阀并与各个所述气囊均连通的第一连接管，用于向所述气囊提供气体以允许所述气囊坐封在所述基井内。 [0014] 在一个实施例中，所述储氢装置还包括均布置在所述支撑座上的第三阀与第三连接管，其中，所述第三连接管构造成能够通过所述第三阀与所述第二连接管连通，从而允许所述环空内的气体通过所述第三连接管流向外部。 [0015] 在一个实施例中，所述储氢装置还包括设置在所述第一接头上并用于引导氢气的第一接口与第二接口，以及第四连接管，其中，所述第四连接管的第一端与所述第二接口固定连接，第二端延伸至所述井筒的底部。 [0017] 根据本发明的第二方面，提供了一种储氢井，其包括基井，以及设置在所述基井中的如上所述的储氢装置。 [0018] 根据本发明的第三方面，提供了一种用于如上所述的储氢井的调节方法，其包括如下步骤：S1、将装配好的储氢装置投放到基井内；S2、通过第二连接管与所述第三连接管将所述基井与所述井筒之间的环空内的氧气置换为惰性气体；S3、关闭所述第二接口，通过所述第一接口向所述井筒内注满氢气；S4、通过压力传感器监测所述井筒内的氢气渗出到所述环空内的压力，并在所述压力达到所述压力传感器的限值时打开所述第三阀，渗出的氢气通过第三连接管排向外部。 [0019] 在一个实施例中，所述井筒的截面积占所述基井的截面积的60～90％。 [0020] 与现有技术相比，本发明的有点在于：本发明能够将井筒设置为一体成型的结构，从而杜绝了在井筒自身上设置接头的问题，进而能够有效地提高储氢井的安全性。本发明的井筒由纤维缠绕柔性复合材料制成，因此能够有效地杜绝因井筒被氢气腐蚀而引发的泄漏问题。本发明还通过气囊代替水泥浆来限制井筒的位置，并且结合第二连接管与第三连接管能够实现对环空内气体的实时调节，从而保证环空内的压力始终处于可控的范围，进一步地提高储氢井的安全性。此外，相比于由金属材质制成储氢井来说，本发明能够具有更高的储存压力，从而能够提供更高的氢气储存密度。附图说明 [0021] 下面将结合附图来对本发明进行详细地描述，在图中： [0022] 图1示意性显示了根据本发明的储氢井的结构，其显示了储氢装置与基井的位置关系。 [0023] 在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。 [0024] 附图中的各附图标记的含义如下： [0025] 10基井、 [0026] 11环形固定座、 [0027] 12环空、 [0028] 20井筒、 [0029] 21送放机构、 [0030] 211气囊、 [0031] 212扶正器、 [0032] 213滚轮 [0033] 22第一接头、 [0034] 221支撑座、 [0035] 23第二接头、 [0036] 24缓冲器、 [0037] 30第一阀、 [0038] 31第一连接管、 [0039] 40第二阀、 [0040] 41第二连接管、 [0041] 50第三阀、 [0042] 51第三连接管、 [0043] 60第一接口、 [0044] 61第二接口、 [0045] 62第四连接管、 [0046] 70安全阀、 [0047] 100储氢装置、 [0048] 200储氢井 具体实施方式[0049] 下面将结合附图对本发明做进一步说明。 [0050] 图1示意性显示了根据本发明的储氢井200的结构，其显示了储氢装置100与基井10的位置关系。 [0051] 如图1所示，根据本发明的一方面，提供了一种储氢装置100主要包括用于储存氢气的井筒20。井筒20构造成连续型井筒，并且能够投入到基井10内，从而与基井10联合而形成储氢井200(在下文中介绍)。相比于现有技术中通过多段管道连接的储氢井来说，本发明的井筒20具有更好的连贯性，在投入到基井10内时无需进行频繁的连接装卸，从而有效地提高了工作效率。此外，由于本发明的井筒20为一体成型的结构，因此大幅度地减少了密封点，从而有效地杜绝了现有技术中的储氢井因接头处发生腐蚀与泄漏而导致的安全隐患的问题，进一步地有效地提高了储氢井200的安全性。 [0052] 根据本发明，储氢装置100还包括第一接头22。第一接头22与井筒20的上游端密封式连接，用于控制井筒20内氢气的输入与输出，其内容在下文中介绍。此外，在第一接头22上设置有支撑座221，并且支撑座221沿径向向外延伸布置，从而当储氢装置100投入到基井10内后能够与环形固定座11(在下文中介绍)形成有效地接合。 [0053] 根据本发明的一个实施例，在基井10的井口上设置有环形固定座11。因此，当储氢装置100投入到储氢井200的基井10内时，井筒20就能够通过支撑座221与环形固定座11形成密封式连接，从而实现对基井10的全面密封。通过这种方式，使得储氢井200相比于储氢瓶来说具有更高的安全性。 [0054] 根据本发明，如图1所示，井筒20由纤维缠绕柔性复合材料制成。纤维缠绕柔性复合材料具有良好的耐高压性和柔韧性。通过这种方式，一方面能够为氢气提供良好的储氢环境，从而提高储氢井200的安全性。另一方面由于井筒20具有良好的柔韧性和一体成型的结构，因此，井筒20能够以盘卷的方式而进行运输，从而能够提高运输的效率和降低井筒20的占地面积，进而有效地节省了运输的成本。此外，由于井筒20具有一体成型的结构，因此大幅度地减少了密封点，从而能够有效地杜绝了现有技术中的井筒因接头处发生腐蚀与泄漏而导致的安全隐患的问题，进而有效地提高了储氢井200的安全性。 [0055] 根据本发明，纤维缠绕柔性复合材料包括沿径向依次设置的内部防渗层(未示出)、增强层(未示出)和外部保护层(未示出)。具体地说，从井筒20的内部到外部依次设有内部防渗层、增强层和外部保护层。在这三层的作用下能够有效地降低氢气的溢出速度，并且能够提高储氢装置100的使用寿命，进一步地提高了储氢井200的安全性。其内容在下文中介绍。 [0056] 根据本发明的一个实施例，如上所述的内部防渗层包括非金属、金属与非金属的复合层中的至少一种。这样，由于防渗层采用了高气体阻隔非金属或金属与非金属的复合层的结构(例如蒙脱石改性PE、石墨烯改性PE、金属镀层复合PE等)，从而有效地减缓了氢气的渗透溢出，进而降低了引发储氢井200内安全隐患的可能，进一步地为氢气提供了一个具有更高安全性的储存空间。 [0057] 根据本发明的一个实施例，如上所述的增强层包括玻璃纤维、碳纤维、金属丝和尼龙纤维中的至少一种。这样，在增强层的作用下就能够有效提高了储氢井的耐压能力，且增强层不受高压氢的影响，进一步地提高了储氢井200的安全性。 [0058] 根据本发明的一个实施例，如上所述的外部保护层包括PE、PVDF、PA等材料中的至少一种。这样，内部防渗层与增强层就能够在外部保护层的防护下发挥作用。同时，由于外部保护层的存在，使得储氢装置100的使用寿命得到了一定地延长，从而有效地降低了后续的用工成本、使用成本和维护成本。 [0059] 根据本发明，储氢装置100还包括套接在井筒20外的若干个送放机构21。其中，送放机构21包括气囊211和扶正器212。气囊211构造成能够在第一连接管31(在下文中介绍)提供气体后沿径向向外膨胀，从而坐封在基井10内。扶正器212分别布置在气囊211的上游与下游，从而对膨胀后的气囊211起到一定地限位作用。此外，扶正器212还包括沿径向向外延伸布置的滚轮213。当井筒20投入到基井10内时，扶正器212能够通过滚轮213与基井10的内壁形成抵接，从而能够顺利地将井筒20送放到基井10的底部。由于本发明以气囊211坐封的方式代替了现有技术中通过水泥浆固定的方式，从而使得储氢装置100能够更容易地在基井10内进行安装与拆卸。 [0060] 在本发明的一个实施例中，气囊211的外壁面上还布置有防滑层(未示出)，因此在坐封后能够有效地增大与基井10之间的摩擦力，从而保证井筒20能够始终处于稳定地状态。 [0061] 根据本发明的一个实施例，若干个送放机构21在井筒20上沿轴向均等距分布。通过这种方式，一方面使得储氢装置100在基井10内的运动过程中能够始终处于稳定的状态，从而保证井筒20能够顺利地进入到基井10的底部。另一方面在若干个气囊211的坐封作用下，使得井筒20的能够始终保持稳定地工作状态。 [0062] 根据本发明，储氢装置100还包括第二接头23和缓冲器24。其中，第二接头23与井筒20的下游端密封式连接，从而为井筒20提供一定地密封作用。缓冲器24设置在第二接头23的下游，并且与第二接头23形成固定连接。当储氢装置100投入到基井10内并运动到基井 10的底部时，缓冲器24与基井10的井底抵接，从而对井筒20起到有效地缓冲作用，进一步地保护井筒20的整体结构。此外，缓冲器24与支撑座221相配合，二者同时实现对井筒20的整体结构的保护作用。缓冲器24是本领域技术人员所熟知的，因此不再赘述。 [0063] 容易理解，为了保证井筒20的密封性，第一接头22与第二接头23均采用内外多级密封的结构。 [0064] 根据本发明，储氢装置100还包括第一阀30和第一连接管31。其中，第一阀30设置在支撑座221上。第一连接管31延伸穿过第一阀30，并且与各个气囊211均形成有效地连接。这样，当储氢装置100投入到基井10内并运动到基井10的底部时，通过第一连接管31就能够向各个气囊211内注入气体，从而使得各气囊211均沿径向向外膨胀，进而使得井筒20在气囊211的作用下坐封在基井10内。由于本发明中的井筒20的整体长度较长，因此，通过这种方式就能够对井筒20在轴向上的各个部分起到充分且有效地限位作用，从而使得储氢装置 100在储氢过程中能够具有稳定的状态，进一步地为氢气提供具有更高安全性的储存环境。 [0065] 根据本发明，储氢装置100还包括第二阀40和第二连接管41。其中，第二阀40设置在支撑座221上。第二连接管41穿过第二阀40，并且延伸至基井10与井筒20之间的环空12内。具体地说，第二连接管41的末端伸入到基井10的底部。这样，当井筒20在气囊211的作用下坐封在基井10内时就能够通过第三连接管51(在下文中介绍)向环空12内注入惰性气体(例如氮气)，从而将环空12内的氧气通过第二连接管41进行充分地置换。通过这种方式，使得环空12内的氧气量骤降，从而有效地提高了储氢井200的安全性。根据本发明的一个实施例，第二连接管41优选为连续的柔性非金属管。 [0066] 根据本发明，储氢装置100还包括第三阀50和第三连接管51。其中，第三阀50设置在支撑座221上。第三连接管51布置在支撑座221上，并且通过第三阀50与第二连接管41连通。这样，当第三连接管51向环空12内注入氮气时，环空12内的氧气就能够在氮气的推动下从第二连接管41向外部排放，从而有效地清除环空12内的氧气，进而降低从井筒20内溢出的氢气与环空12内氧气结合的可能，进一步地提高了储氢井200的安全性。 [0067] 根据本发明的一个实施例中，第三连接管51在本发明中具有两重作用，第一重作用：第三连接管51能够与第二连接管41联用，从而实现对环空12内的氧气进行全面的置换或者提取环空12内的气体以进行气体成分检测。第二重作用：当井筒20内的氢气渗出或局部泄漏而导致环空12内的气压升高时，第三阀50能够快速地打开，从而使得环空12内的氢气通过第三连接管51能够得到充分且快速地释放，进而有效地清除了储氢井200内的安全隐患。 [0068] 根据本发明的一个实施例，由于基井10内的氧气一般均沉在基井10的底部。因此，可通过第二连接管41的末端进行抽取底部气体，同时通过第三连接管51注入氮气。具体地说，通过第三连接管51注入的氮气能够挤压环空内的氧气，从而促使氧气能够更快地通过第二连接管41排出，从而将环空12内地氧气进行充分且全面地置换，进而有效地提高了储氢井200整体的安全性。 [0069] 根据本发明，储氢装置100还包括第一接口60、第二接口61和第四连接管62。其中，第一接口60布置在第一接头22上，用于向井筒20内注入氢气。第二接口61布置在第一接头22上，用于提取井筒20内的氢气。第四连接管62布置在井筒20内，并且第四连接管62的第一端与第二接口61连接，而第四连接管62的第二端延伸至井筒20的底部，从而能够更容易地实现井筒20内的气体置换。根据本发明的一个实施例，第四连接管62优选为连续的柔性非金属管。 [0070] 根据本发明，在支撑座221的内部设置有与第三阀50连通的压力传感器。该压力传感器能够实时监测井筒20内的氢气渗出到环空12内的压力，并且在该压力达到压力传感器的限值时打开第三阀50，从而促使渗出到环空12内的氢气能够通过第三连接管51进行排出。通过这种方式，使得渗出到环空12内氢气能够得到有效地释放，从而避免了储氢井200因渗出的氢气无法及时排放而引发的安全事故。相比于现有技术中的通过水泥来封堵环空的方式，本发明所采用的布局具有更佳的效果，并且能够对溢出氢气进行更有效且快速地排放，从而有效地提高了储氢井200的安全性。 [0071] 根据本发明，在第一接头22上还设有安全阀70、温度传感器和压力传感器。温度传感器能够对井筒20内的温度进行实时地监测；压力传感器能够对井筒20内的压力进行实时地监测。安全阀70主要是针对井筒20内的紧急泄放，从而避免因井筒20内的气压过大而引发的严重事故。 [0072] 上述紧急释放的情况一般分为两种。其一是当井筒20内的气压超过安全阀70限值时，安全阀70紧急泄放。其二是当第三连接管51释放环空12内的氢气时，环空12内的气压仍超过布置在支撑座221内的压力传感器的压力限值，进行紧急泄放。 [0073] 根据本发明的一个实施例，当井筒20内氢气的泄漏速度大于第三连接管51的释放速度，并且布置在支撑座221内的压力传感器监测到环空12内的压力值已达到限值时，需要将第二阀40、第三阀50、第一接口60、第二接口61和安全阀70全部打开，从而进行紧急泄压以保证储氢井200安全。 [0074] 根据本发明的第二方面，提供了一种储氢井200。储氢井200包括基井10和设置在基井10内的如上所述的储氢装置100。储氢装置100构造成能够投入到基井10内，并且与基井10联合形成储氢井200，从而能够为氢气提供安全且稳定地储存环境。 [0075] 根据本发明的第三方面，提供了一种用于如上所述的储氢井200的调节方法，包括如下步骤： [0076] 首先，将装配好的储氢装置100投放到基井10内。此时的支撑座221与环形固定座11密封式连接，缓冲器24与基井10的底部抵接。 [0077] 然后，对井筒20进行气密性检测以保证其具有良好的密封性。 [0078] 之后，通过第三连接管51向井筒20与基井10之间的环空12注入惰性气体，并且通过惰性气体对环空12内的氧气进行置换。 [0079] 之后，通过第一接口60向井筒20内注入氢气，待从第二接口61取样分析结果合格后，关闭第二接口61，监控井筒20内的氢气压力和温度，达到所需压力后关闭第一接口60。 [0080] 最后，通过布置在支撑座221内的压力传感器监测井筒20内的氢气渗出到环空12内的压力，并在压力值达到该压力传感器的限值时打开第三阀50，渗出的氢气通过第三连接管51排向外部，从而使得环空12内的压力能够始终处于可控的状态。 [0081] 此外，在施工现场可以采用单个储氢井，也可以多个储氢井形成储氢井组，或者储氢井与储氢罐联合应用，形成高中低压储氢容器组合。在对外输氢时只需通过减压阀或顺序控制盘对氢燃料车或需要氢气的容器进行额定压力灌输即可。 [0082] 根据本发明的一个实施例，井筒20的截面积占基井10的截面积的60～90％。这样，从井筒20内渗出的氢气就能够进入到充满氮气的环空12内，从而在第三阀50与第三连接管51的作用下定量地向外部排放。相比于在环空12内注入水泥而言，本发明一方面能够通过惰性气体抑制氢气，从而有效地提高了储氢井200内的安全性。另一方面通过布置在支撑座 221内的压力传感器能够对渗出到环空12内的氢气的压力进行实时监测，从而在压力达到限值时打开第三阀50而通过第三连接管51向外部排放氢气，进而完成对环空12的泄压操作，进一步地提高了储氢井200内的安全性。 [0084] 由于氢的特殊性质，氢原子可以渗透过井壁，到达外壁形成氢气。因此，针对上述情况，现有技术存在三个方面的问题。其一，形成的氢气会造成管束外部的水泥与器壁剥离，从而导致局部气压骤升而造成水泥开裂，进而氢气沿裂隙溢出。溢出的氢气极易引发严重的着火事故。此外，外部水气也会沿裂隙进入管壁与水泥的缝隙，从而引发井壁腐蚀。其二，由于现有技术中的储气井通常由金属制成，因此，氢渗入到金属内后导致金属机械性能劣化，从而造成金属耐腐蚀性降低。其三，金属储气井压力也一般比较低。因此当压力处于较高的状态时，金属储气井的井壁就需要加厚，从而对连接可靠性及热处理工艺提出更高要求。(通常金属储气井难以在超过50Mpa的高压下储氢)。 [0085] 然而，本发明能够将上述存在的问题一一解决。其一，本发明以井筒20通过气囊211坐封在基井10内的方式替换水泥灌注，因此，使得形成的氢气能够得到及时的排出，从而有效地提高了储氢井200的安全性。其二，本发明中的井筒20采用纤维缠绕的复合材料制成，由于纤维缠绕的复合材料为非金属材质，因此，从材质上解决了腐蚀问题。其三，本发明中的井筒20采用纤维缠绕的复合材料具有极强的耐压能力高，并且不存在厚壁金属的热处理难题。此外，由于用于承压的纤维增强层材质使用过程中不会发生氢脆和腐蚀，因此，由非金属材质制成的井筒能够具有更高的安全性与可靠性。 [0086] 本发明能够将井筒20设置为一体成型的结构，从而杜绝了在井筒20自身上设置接头的问题，进而能够有效地提高储氢井200的安全性。本发明的井筒20由纤维缠绕柔性复合材料制成，因此能够有效地杜绝因井筒20被腐蚀而引发的泄漏问题。本发明还通过气囊211代替水泥浆来限制井筒20的位置，并且结合第二连接管41与第三连接管51能够实现对环空12内气体的实时调节，从而保证环空12内的压力始终处于可控的范围，进一步地提高储氢井200的安全性。此外，相比于由金属材质制成储氢井来说，本发明更适用于地下环境和更容易实现高压储存。 [0087] 以上仅为本发明的优选实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此。本领域的技术人员在本发明的公开范围内，可容易地进行改变或变化，而这种改变或变化都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求书的保护范围为准。 |
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