摘要(yào):目的将氫氣(qi)摻入天然氣(qi)管道中會改(gǎi)變管道🈲内🚩氣(qì)體👄的性質和(hé)流動狀态，可(kě)能會影響 标(biao)準孔闆流量(liang)計 計量精度(du),采用ANSYSYFluent對混氫(qīng)天然氣管道(dào)标準孔闆流(liú)量計 進行适(shi)應性研究。方(fang)法比較了不(bú)同混氫量的(de)天然氣🔴對流(liu)出系🆚數、可膨(peng)脹系數、相對(duì)密度系數、超(chāo)壓縮系數、流(liu)速及差壓的(de)🐇影響。結果在(zài)303.15K.3MPa,混氫量爲0%~30%的(de)條件下,随着(zhe)混氫量的增(zēng)加,會導緻差(cha)壓上升;導緻(zhì)相對密度系(xì)數、可膨脹系(xì)數和超壓縮(suo)系數下降;導(dao)緻流速上升(sheng),使測量流量(liang)增加。結論由(you)于氫氣的發(fa)熱量低于天(tiān)然氣,因🐆此，針(zhēn)對混氫天然(ran)氣，建議采用(yòng)能量計量。混(hùn)氫天然氣💃不(bú)會對标準孔(kong)闆♻️流量計精(jing)度産生較大(da)影響。
氫能是(shì)一-種綠色、低(dī)污染、可再生(sheng)的燃料，被認(ren)爲是♍最有前(qián)途的化石燃(ran)料替代品之(zhi)一口。目前，利(li)用可再生能(néng)源電解💜制氫(qing),然後💰将氫氣(qi)按照一定比(bǐ)例摻人天然(ran)氣管道中進(jin)行輸送是利(li)用和運輸氫(qīng)能的有效途(tú)徑[5。如IEAGHGR&.D項目摻(chan)人天然氣管(guǎn)網中的氫氣(qì)摩爾分數高(gāo)達25%叫👅;AMeland項目摻(chan)人天☎️然氣管(guan)網中的氫氣(qì)摩爾👈分數達(dá)到20%[1-8]。而摻氫天(tian)然氣計量🔅技(jì)術是摻氫天(tian)☎️然氣🐕産規模(mó)化🌈和市場化(huà)的重要基礎(chǔ)。标準孔闆流(liú)量計由于其(qi)設計簡單、成(cheng)本低,仍然是(shi)石油與✍️天然(ran)氣行業中使(shi)用廣泛的流(liú)量💜計。
　　由于氫(qīng)氣和甲烷物(wù)性差異巨大(da)，在标況下其(qi)密度相差☎️8倍(bei)以上[1],而密度(dù)是影響标準(zhun)孔闆流量計(jì)結果的重要(yào)因素[18]。當天然(ran)氣中摻混氫(qing)氣後，會導緻(zhì)其密度、黏度(du)、比熱容參數(shù)改變,進而影(yǐng)響标準孔闆(pǎn)流量計計量(liàng)精度。Dong等利用(yong)Fluent分析不同傾(qing)角孔闆🚩在測(ce)量天🥰然氣流(liu)量時對測量(liang)精度的影響(xiǎng);Jin等利用Fluent分析(xi)得到在測量(liang)液氫時不同(tóng)孔闆結構對(dui)流出系數和(hé)壓力損失系(xi)數的影響;通(tong)過數值模拟(nǐ)技術得到在(zai)測量天然氣(qi)流量時,流體(tǐ)🏃‍♂️相對密度變(bian)化值對測量(liàng)值有較大的(de)影響。
　　盡管前(qián)人已經做了(le)很多研究,但(dan)目前對影響(xiǎng)測量精度的(de)研究主要集(ji)中在孔闆結(jié)構的變化上(shang),這将🥰會增加(jiā)流量計結構(gòu)的複㊙️雜性，而(ér)且在實際的(de)天然氣管道(dao)中不易使用(yong)。此外,所研究(jiu)的結♉論主要(yào)是對流出系(xi)數👈、差壓等的(de)影響,關于其(qí)他計量所需(xu)參數👈,如可膨(peng)脹系❄️數、超壓(yā)縮系數、相對(duì)密度系數的(de)影響很少被(bèi)研究😄。研📐究的(de)介質主要是(shi)天然氣或者(zhě)液氫,關于混(hun)氫天然氣的(de)情況很少被(bèi)研究。因此,本(běn)研究主要分(fen)析天然氣管(guan)道中混人氫(qing)氣後對标準(zhǔn)孔闆流量計(jì)測量精度的(de)影響。
1标準孔(kong)闆流量計工(gōng)作原理
　　 标準(zhǔn)孔闆流量計(jì)以能量守恒(héng)定律和流動(dòng)連續性方程(cheng)爲基礎,通過(guo)測量孔闆前(qian)後産生的靜(jìng)壓力差來衡(heng)㊙️量天然氣流(liu)過節流裝置(zhì)的流量大小(xiǎo)”。工況條件下(xià)的體積流量(liàng)一般💋用流量(liàng)計測量♻️,然後(hòu)換算成基本(běn)(标準)條件下(xia)的體積作爲(wèi)天然氣貿易(yì)交接過程中(zhong)的流量8]。GB/T21446-2008《用标(biāo)準孔闆流量(liang)計測量天然(rán)氣流量》以293.15K.101.325kPa爲(wei)條件,得到标(biāo)準條件下天(tian)然氣體積流(liú)量計算實用(yòng)公式♻️，如式(1)所(suǒ)示:
 
　　式中:qV。爲标(biao)準條件下天(tiān)然氣體積流(liú)量,m³/s;Avn爲體積流(liu)量系數，Avn。=3.1795X10-6;C爲🙇‍♀️流(liu)出系數;E爲漸(jiàn)進速度系數(shù),E=1/(1-β)0.5;β爲孔徑比,β=d/D;d爲(wei)孔闆開孔直(zhi)徑,mm;D爲😍測量管(guǎn)内徑,mm;Fc爲相對(dui)密度系數;ε爲(wèi)可膨脹系數(shù);Fz爲超壓縮系(xì)數;Fr爲流動溫(wen)度🥵系數;p1爲孔(kong)闆上遊取壓(ya)孔實測絕對(dui)壓力,MPa;△p爲🥰孔闆(pan)前後差壓,MPa。
流(liú)出系數C的計(ji)算公式如式(shì)(2)~式(4)所示。
 
　　式中(zhōng):ReD管徑爲雷諾(nuo)數;L1爲孔闆上(shang)遊端面到取(qu)壓孔軸線的(de)距離✏️除㊙️以測(ce)量管内徑得(dé)出的商;L2爲孔(kǒng)闆下遊端面(mian)♌到取壓孔軸(zhou)線的距離除(chú)以測量管内(nèi)徑得出🌈的商(shāng);M2爲變量;A爲🏒變(biàn)量。
 
2數值仿真(zhen)模型建立及(ji)驗證
2.1孔闆結(jié)構
　　孔闆結構(gòu)示意圖如圖(tu)1所示。針對3種(zhong)孔徑比進行(hang)研究📱,孔闆幾(ji)💔何📐形狀:孔闆(pǎn)厚度爲3.8mm,孔闆(pǎn)開孔厚度爲(wei)0.8mm,上遊管徑爲(wei)150mm,孔闆孔徑分(fèn)别爲57mm、75mm、87mm,孔徑比(bi)分别爲0.38、0.50、0.58。本研(yán)究選擇孔闆(pǎn)上遊直管段(duàn)145D,下遊直🌏管段(duan)10D,以獲得準确(què)的模拟結果(guǒ)。
 
2.2計算網格劃(huà)分
　　采用ANSYS建立(li)了标準孔闆(pǎn)流量計的三(sān)維模型,利用(yòng)六面體網格(gé)對網格進行(háng)劃分。在模拟(ni)中,整個幾何(hé)形狀被分爲(wèi)🈲3個區域:上遊(you)、中心區域、下(xia)遊。上遊和下(xia)遊區域使用(yong)較粗網格,中(zhong)心區域采用(yòng)更密的.網格(ge),以獲得壓力(li)梯度。牆附📞近(jìn)的網格被細(xì)化,以滿足标(biāo)準牆功能的(de)要求。管道模(mo)拟網格如圖(tu)2所示。進行了(le)網格尺寸獨(dú)立性測試，用(yong)來數值模拟(ni)結果與網🍓格(gé)尺寸和網格(ge)質量無關。以(yi)3MPa下氫氣摩爾(ěr)㊙️分數分别爲(wei)0.0、0.4的CH-H2混💞合物爲(wèi)例,采用1267153、1893462、2637960、3439231個單(dan)元進行測試(shi)。網格數量從(cóng)1893462增加到3439231時，網(wǎng)格數量對孔(kong)闆前後👨‍❤️‍👨的壓(yā)力的影響已(yi)經很小了。考(kǎo)慮網格的無(wu)關性和計算(suan)效率，在以下(xià)模拟中采用(yong)2637960個單元的網(wǎng)格。
 
2.3控制方程(cheng)
　　假設:實際流(liú)體在管道中(zhōng)做定常流運(yun)動;氣質組分(fèn)爲☀️甲烷和氫(qīng)氣混合物,且(qie)混合均勻;流(liú)體在管道内(nèi)與外界無熱(re)量交換。因此(cǐ)❗,除了滿足質(zhi)量、動量和能(neng)量三大守恒(heng)方程外，還需(xu)滿足氣體狀(zhuàng)态方程。本研(yan)究使用SRK狀态(tài)方程[21],如式(6)所(suo)示。
 
　　式中:p爲壓(yā)力，MPa;R爲氣體常(cháng)數，8.314J/(mol·K);T爲溫度,K;V爲(wèi)摩爾體積,m³/mol;αe。爲(wei)臨界參數,是(shì)♋臨界溫度和(hé)臨界壓力的(de)函數;α爲引力(li)函數,是對比(bǐ)溫度和偏心(xīn)因子的函數(shu);b爲斥力函數(shù)。還需分析甲(jia)烷和🌈氫氣在(zài)管道中氣體(tǐ)傳質規律，因(yin)此,開啓組分(fèn)👉輸運模型,如(ru)式(7)所示:
 
　　式中(zhōng):ρ爲密度,kg/m³;ci爲i組(zu)分的體積分(fen)數;t爲時間,s;u爲(wei)速度,m/s;Di爲i組分(fen)的擴㊙️散系數(shù),m²/s;Ri爲單位時間(jian)、體積下産生(shēng)i組分的質量(liang)，kg/(m³.s)。
　　針對天然氣(qì)計量,還需結(jie)合湍流方程(cheng)。K-εRNG模型在湍流(liu)💚模🈚拟中得🔅到(dao)了廣泛的應(ying)用。與标準的(de)kε模型相比，K-εRNG模(mo)型在表征具(ju)有強流線曲(qǔ)率、渦旋方面(miàn)都有了顯著(zhe)的改進15]。因此(ci),本研究選擇(zé)kεRNG模型作爲湍(tuān)流方程。
2.4邊界(jiè)條件
　　選擇3MPa壓(ya)力邊界進行(hang)計算。模拟的(de)邊界條件爲(wèi):進口邊界💰條(tiao)件采用天然(ran)氣壓力,出口(kǒu)邊界條件采(cǎi)用天然氣出(chū)口流量。進口(kǒu)🙇🏻溫度💰設置爲(wei)303.15K,流體介質采(cǎi)用甲烷和氫(qīng)🔆氣混合物,并(bing)由✏️軟件本身(shen)的數🛀據庫确(que)定了其密度(dù)、黏💛度等參數(shu)。令x(CH4)和x(H2)分别爲(wèi)甲烷和氫氣(qi)摩爾分數,邊(biān)界條件設置(zhi)見表1。
 
2.5有效性(xing)驗證
　　基于流(liu)體相似原理(li),可利用Fluent計算(suan)在計量管内(nèi)徑爲🔞30mm,孔徑🎯比(bi)爲0.42、0.59、0.65條件下水(shui)的流出系數(shu)，與實驗值進(jin)行對比，對本(běn)研🌍究模💜型有(yǒu)效性進行驗(yàn)證。驗證結果(guǒ)如表2所列。
　　從(cóng)表2可以看出(chū),采用數值模(mo)拟方法計算(suan)出的流出💃系(xì)數與實驗值(zhi)吻合較好,偏(pian)差不超過-3.50%。
 
3結(jie)果與讨論
3.1混(hun)氫量對差壓(yā)的影響
　　以孔(kong)闆孔徑比爲(wèi)0.38,x(H2)爲0.00、0.10、0.20、0.30爲例,Fluent仿真(zhēn)結果壓力雲(yun)圖見圖3。孔徑(jìng)比爲0.38、0.50、0.58的💜标準(zhun)孔闆的差壓(ya)随混氫量的(de)變化如圖4所(suǒ)示。
 
　　從圖4可以(yi)看出,随着混(hun)氫量的增加(jiā),流過标準孔(kong)闆的🔴差壓會(huì)📐逐步上升。從(cóng)數值上看,孔(kong)徑比越小,差(chà)壓㊙️随混氫量(liàng)🙇‍♀️的增加而上(shang)升的幅度越(yuè)明顯,這說明(ming)氫氣對孔闆(pan)的節流效應(yīng)比較敏感
3.2混(hùn)氫量對流速(su)的影響
　　以孔(kong)闆孔徑比爲(wei)0.38,x(H2)爲0.00、0.10、0.20和0.30爲例，Fluent仿(páng)真結果速度(du)雲圖見圖♉5。從(cong)🚩圖5可以看出(chū),随着混氫量(liàng)的增加,氣流(liú)流過孔闆後(hòu)的速度更‼️大(dà)。圖6所示爲混(hùn)氫量與輸送(song)速度的關系(xi)圖🔞,從圖中💛可(kě)看出,混氫量(liàng)越高,流速越(yue)高。

　　因此,當天(tian)然氣管道中(zhong)摻入氫氣後(hou)會導緻流量(liàng)增大🐅。由㊙️于氫(qīng)氣的發熱量(liàng)小于甲烷,若(ruo)仍然采用體(tǐ)積計量進行(hang)貿易交接,這(zhe)将會對買方(fang)不利。若采用(yong)質🌈量計量進(jìn)行貿易交接(jie),仍然不能合(hé)理體現摻氫(qīng)天然氣的實(shi)用價值,對💘供(gong)方不利。因此(ci),針對混氫天(tiān)然💋氣,建議采(cǎi)用能量計量(liang)進📐行貿易交(jiāo)接。
 
3.3混氫量對(dui)流出系數的(de)影響
　　采用式(shì)(2)計算得到不(bú)同混氫量下(xià)的流出系數(shù),計算結果見(jiàn)🍉圖7。從圖7可以(yi)看出:孔徑比(bǐ)越大,流出系(xi)數越大;在混(hun)氫量小于0.3時(shi),混氫量的變(bian)化幾乎不會(huì)對流出系數(shu)産生影響。
 
3.4混(hùn)氫量對相對(dui)密度系數的(de)影響
　　相對密(mi)度系數變化(hua)與孔闆結構(gòu)無關,僅與組(zu)分的變化🏃‍♂️有(you)關,圖8所示爲(wèi)相對密度系(xi)數随混氫量(liang)的變🎯化情況(kuàng)。從圖8可㊙️看出(chu),混氫量的增(zeng)加會導緻相(xiang)對密度系數(shù)上升,這是由(you)于氫氣的🏃🏻摩(mó)爾質量遠小(xiǎo)于甲烷,混氫(qīng)量的增加會(hui)導緻其摩爾(ěr)質量下降,進(jìn)而導緻相對(dui)密度系數上(shang)升。
 
3.5混氫量對(dui)可膨脹系數(shù)的影響
　　圖9所(suo)示爲可膨脹(zhàng)系數随混氫(qing)量的變化。從(cong)圖9可以🌂看出(chū),随着混氫量(liang)的增加，會導(dao)緻可膨脹系(xi)數下降♊,在低(dī)孔徑⁉️比的情(qing)況下，其下降(jiàng)幅度要大于(yu)高孔徑比,但(dàn)整體下降幅(fú)度較小
 
3.6混氫(qing)量對超壓縮(suo)系數的影響(xiang)
　　超壓縮系數(shù)是因天然氣(qì)特性偏離理(lǐ)想氣體定律(lü)而采用的🔞修(xiū)正系數，其與(yu)孔闆結構無(wú)關。分析在303.15K,3MPa.5MPa和(hé)7MPa條件下的超(chao)壓縮系🌏數随(sui)混氫量的變(bian)化(見圖10)。從圖(tú)10可以看😍出，超(chao)壓縮系數随(sui)混氫量的增(zeng)加而下降,壓(ya)力越大,下降(jiàng)幅度越⁉️大。
 
3.7混(hun)氫量對标準(zhǔn)孔闆流量計(jì)測量精度的(de)影響
　　基于Fluent模(mo)拟結果,得到(dào)孔闆前後壓(yā)力、溫度、黏度(dù)等參數,采用(yòng)式(1)~式(5)計算得(dé)到的流量作(zuò)爲标準孔闆(pǎn)流量❓計測量(liàng)流量,以邊界(jie)流量作爲實(shí)際流量進行(hang)對比分析,分(fèn)析結果見圖(tu)11。基于本研⁉️究(jiu)建立的計算(suan)模型💋得到标(biāo)準✔️孔闆流量(liàng)計的測量流(liú)量與管道截(jié)面的㊙️實際流(liu)量之🚶‍♀️間的測(cè)量誤差,其計(ji)算公式如式(shi)(8)所示。
 
　　式中:δ爲(wèi)測量誤差,%;qbou爲(wèi)實際流量,m³/s;qea爲(wèi)測量流量(基(ji)于本研究📐建(jian)立的計算模(mó)型通過Fluent模拟(nǐ)計算得到的(de)标準孔闆流(liu)量計流量),m2/s。
　　從(cong)圖11(a)可以看出(chu)随着混氫量(liàng)的增加,标準(zhun)孔闆流量計(ji)測量流量也(yě)會顯著增加(jia)。從圖11(b)可以看(kan)出,标準孔闆(pan)流量計計量(liang)精度🆚幾乎不(bú)受混氫量變(bian)化的影響。
4結(jie)論
　　采用數值(zhi)模拟的方法(fǎ),研究了标準(zhǔn)孔闆流量計(jì)應用于混氫(qīng)天然氣時的(de)計量精度。研(yan)究了混氫量(liang)對差壓、流速(su)、流出系數、相(xiàng)對密度系數(shù)、可膨脹系數(shù)和超壓縮💰系(xi)數的🔆影響,可(kě)得到以下結(jié)論。
 
(1)在壓力(li)一定的情況(kuàng)下,混氫量的(de)增加會導緻(zhì)體積流量測(ce)量⭐的流量值(zhi)增大。因此,針(zhen)對混氫天然(ran)氣,建議采用(yòng)能量計量進(jin)行貿易交接(jie)。
(2)在壓力一定(ding)的情況下,混(hun)氫量的增加(jia)會導緻差壓(yā)上升,導緻相(xiàng)對密度系數(shù)、可膨脹系數(shù)和超壓縮系(xì)數下🚶降,而流(liu)出系數幾乎(hu)不受氫氣含(han)量變化的影(ying)響。
(3)将氫氣摻(chan)人天然氣管(guan)網,在氫氣摩(mó)爾分數小于(yú)30%的情況下,氫(qing)含量的變化(hua)不會對标準(zhǔn)孔闆流量計(jì)精度産生明(míng)✏️顯的影響。

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