摘要(yào):目的将氫(qing)氣摻入天(tian)然氣管道(dao)中會改變(biàn)管道内㊙️氣(qì)體🐆的性質(zhì)和流動狀(zhuàng)态，可能會(hui)影響 标準(zhun)孔闆流量(liang)計 計量精(jīng)度,采用ANSYSYFluent對(dui)混氫天然(ran)氣管道标(biāo)準孔闆流(liu)量計 進行(hang)适應性研(yan)究。方法比(bi)較了不同(tong)混氫量的(de)天然氣對(duì)⛷️流出系數(shu)、可膨脹系(xi)數、相對密(mi)度系數、超(chāo)壓縮系數(shù)⚽、流速及差(cha)壓的⭕影響(xiang)♋。結果在303.15K.3MPa,混(hùn)氫量爲0%~30%的(de)條件下,随(suí)着混氫量(liàng)的增加,會(huì)導緻差壓(yā)上升;導緻(zhì)相對密度(du)系數、可膨(péng)脹系數和(hé)超壓縮系(xi)數下降;導(dao)緻流速上(shang)升,使測🈲量(liang)流量增加(jia)。結論由于(yú)氫氣的發(fa)熱量低于(yú)天然氣,因(yin)此，針對混(hun)氫天然氣(qì)，建議采用(yòng)能量計量(liang)。混氫🌏天然(rán)氣不會對(dui)标準孔闆(pan)⛹🏻‍♀️流量計精(jing)度産生🈲較(jiào)大影響。
氫(qīng)能是一-種(zhǒng)綠色、低污(wu)染、可再生(sheng)的燃料，被(bei)認爲是最(zuì)🔅有前途的(de)😘化石燃料(liào)替代品之(zhi)一口。目前(qián)，利用可再(zài)生能源電(dian)解制氫🤟,然(rán)後将氫氣(qi)按照一定(ding)比例摻人(ren)天然氣管(guǎn)道中進行(hang)💋輸送是利(lì)用和運輸(shū)氫能的有(you)效途徑[5。如(ru)IEAGHGR&.D項目摻人(ren)天然氣管(guan)網中的氫(qing)氣摩爾📐分(fen)數高達25%叫(jiao);AMeland項目摻人(rén)天然氣管(guǎn)網中的氫(qīng)氣摩爾分(fen)數達到20%[1-8]。而(er)摻氫天然(ran)氣計量技(ji)術是摻氫(qing)天然氣産(chan)規模化和(hé)市場化的(de)重🈲要基礎(chu)。标準孔闆(pǎn)流量計👈由(you)于其設計(ji)簡單、成本(ben)低,仍然是(shi)石油與天(tiān)然氣行🌈業(yè)中使用廣(guǎng)泛的流量(liàng)計。
　　由于氫(qing)氣和甲烷(wán)物性差異(yi)巨大，在标(biāo)況下其密(mì)度⭕相差8倍(bei)以上[1],而密(mì)度是影響(xiang)标準孔闆(pǎn)流量計結(jié)果的重📧要(yao)因素[18]。當天(tiān)然氣中摻(chān)混氫氣後(hou)，會導緻其(qí)密度、黏度(dù)、比熱容參(can)數改變,進(jin)而影響标(biāo)準孔闆流(liú)量計計量(liang)精度。Dong等利(li)用🧑🏾‍🤝‍🧑🏼Fluent分析不(bu)同傾角孔(kong)闆在測量(liang)天🌂然氣流(liú)量時對測(cè)量精度的(de)影響;Jin等利(lì)用Fluent分析得(dé)到🛀🏻在測量(liang)液氫時不(bu)同孔闆結(jié)構對流出(chu)系數和壓(yā)力損失系(xi)數🈲的影響(xiang);通過數值(zhi)模拟技術(shu)得到在測(ce)量🐇天然氣(qi)流量時,流(liu)體相對密(mi)度變化值(zhi)對測量值(zhi)有🤞較大的(de)影🔞響。
　　盡管(guǎn)前人已經(jing)做了很多(duō)研究,但目(mu)前對影響(xiang)測量精度(dù)的研究主(zhǔ)要集中在(zài)孔闆結構(gòu)的變化上(shàng),這将會增(zēng)加流量計(ji)結構的複(fú)雜性，而且(qiě)在實際的(de)天然氣管(guan)道🚶中不易(yì)使用。此外(wai),所研究的(de)結論主要(yao)是對流出(chu)系數🛀、差壓(ya)等的影響(xiǎng),關于其他(ta)計量所需(xū)參數,如可(kě)膨脹系數(shù)、超壓縮系(xì)數、相對密(mì)度系數的(de)影響☎️很少(shao)被研究。研(yán)究的介質(zhì)主要㊙️是天(tiān)然氣或者(zhě)液氫,關于(yu)混氫天然(rán)氣⛷️的情況(kuàng)很少被研(yan)究。因此,本(běn)研究主要(yao)分析天然(rán)氣管🌈道中(zhōng)混人氫氣(qì)後對标準(zhun)孔闆流量(liàng)計測量精(jīng)度的影響(xiǎng)。
1标準孔闆(pan)流量計工(gōng)作原理
　　 标(biao)準孔闆流(liú)量計以能(néng)量守恒定(ding)律和流動(dòng)連續性方(fāng)程爲基礎(chu),通過測量(liang)孔闆前後(hou)産生的靜(jing)壓力差來(lái)衡量天然(ran)氣流過♻️節(jiē)流裝置的(de)流量大小(xiǎo)”。工況條件(jiàn)下的體積(ji)流量一般(bān)用流量計(ji)測量,然後(hou)換算成基(jī)本(标準)條(tiao)件下的體(tǐ)積作爲天(tiān)然氣貿🈲易(yi)交接過程(chéng)中的流量(liang)8]。GB/T21446-2008《用标準孔(kǒng)闆流量計(jì)測量天然(rán)氣流量❗》以(yi)293.15K.101.325kPa爲條件,得(dé)💃🏻到标準條(tiao)件下天然(rán)氣體積流(liú)量計算實(shí)用公式，如(ru)式(1)所示:
 
　　式(shi)中:qV。爲标準(zhun)條件下天(tian)然氣體積(ji)流量,m³/s;Avn爲體(ti)積流量系(xi)數，Avn。=3.1795X10-6;C爲流出(chū)系數;E爲漸(jiàn)進速度系(xì)數,E=1/(1-β)0.5;β爲孔徑(jing)比,β=d/D;d爲孔闆(pǎn)開孔直徑(jing),mm;D爲測量管(guan)内徑,mm;Fc爲相(xiang)對密度系(xi)數;ε爲可📧膨(péng)脹系數;Fz爲(wèi)超☁️壓縮系(xì)數;Fr爲流動(dong)溫度系數(shu);p1爲孔闆上(shang)遊取壓孔(kǒng)實測絕對(dui)壓力,MPa;△p爲孔(kong)闆前後差(chà)壓,MPa。
流出系(xi)數C的計算(suàn)公式如式(shi)(2)~式(4)所示。
 
　　式(shì)中:ReD管徑爲(wei)雷諾數;L1爲(wei)孔闆上遊(you)端面到取(qǔ)壓孔軸線(xiàn)的🏃🏻‍♂️距離🌈除(chu)以測量管(guǎn)内徑得出(chu)的商;L2爲孔(kǒng)闆下遊端(duan)面☁️到取壓(yā)孔🔴軸線🔴的(de)距離除以(yǐ)測量管内(nei)徑得出的(de)商;M2爲變量(liàng);A爲變量。
 
2數(shù)值仿真模(mó)型建立及(ji)驗證
2.1孔闆(pǎn)結構
　　孔闆(pǎn)結構示意(yì)圖如圖1所(suǒ)示。針對3種(zhǒng)孔徑比進(jìn)行研究,孔(kǒng)闆幾何形(xíng)狀:孔闆厚(hou)度爲3.8mm,孔闆(pan)開孔厚度(dù)爲0.8mm,上遊管(guan)徑爲150mm,孔闆(pǎn)孔徑分别(bie)爲57mm、75mm、87mm,孔徑比(bǐ)分别爲0.38、0.50、0.58。本(běn)研究❓選擇(ze)孔☁️闆上遊(yóu)直管段145D,下(xia)遊直管段(duàn)10D,以👣獲得準(zhun)确的模拟(nǐ)結果。
 
2.2計算(suan)網格劃分(fèn)
　　采用ANSYS建立(lì)了标準孔(kong)闆流量計(jì)的三維模(mo)型,利用六(liù)面體網♊格(gé)對網格進(jìn)行劃分。在(zai)模拟中,整(zheng)個幾何形(xíng)狀被分爲(wèi)3個區🧑🏽‍🤝‍🧑🏻域:上(shàng)遊、中心區(qu)域、下遊。上(shàng)遊和下遊(you)區域使用(yong)較粗🌈網格(ge),中心區域(yu)☁️采用更密(mì)的.網格,以(yi)獲得壓力(lì)梯度。牆附(fu)近的網格(gé)🚶被細化,以(yǐ)滿足标準(zhun)🐕牆功能的(de)要求。管道(dào)模拟網格(gé)如圖2所🐇示(shì)。進行了網(wǎng)⛷️格尺寸獨(du)立性測試(shi)，用來數值(zhi)模拟結果(guo)與網格尺(chǐ)寸和網格(gé)🚶質量無關(guan)。以3MPa下氫氣(qi)摩爾分數(shu)分别爲0.0、0.4的(de)CH-H2混合物爲(wei)例,采用1267153、1893462、2637960、3439231個(gè)📞單元進行(hang)測試。網格(gé)數量從1893462增(zeng)加到3439231時，網(wǎng)💜格數量對(dui)孔闆前後(hou)的壓力的(de)影響已經(jing)很小了。考(kǎo)慮網格的(de)無關性和(hé)計算效率(lǜ)，在以下模(mo)拟中采用(yòng)2637960個單元的(de)網格。
 
2.3控制(zhi)方程
　　假設(shè):實際流體(ti)在管道中(zhōng)做定常流(liú)運動;氣質(zhi)組分爲甲(jia)烷♉和氫氣(qì)混合物,且(qiě)混合均勻(yún);流體在管(guǎn)道内❄️與外(wai)界無熱量(liang)交換。因此(cǐ),除了滿足(zu)質量、動量(liàng)和能量三(san)大守恒方(fāng)程外，還需(xū)滿足氣體(tǐ)狀态方程(chéng)。本研究使(shi)用SRK狀态方(fāng)程[21],如式(6)所(suǒ)示。
 
　　式中:p爲(wèi)壓力，MPa;R爲氣(qì)體常數，8.314J/(mol·K);T爲(wèi)溫度,K;V爲摩(mo)爾體積,m³/mol;αe。爲(wèi)臨界🏃參數(shù),是臨界溫(wēn)度和臨界(jie)壓力的函(han)數;α爲引力(lì)函數,是對(duì)比溫度和(hé)偏心因子(zi)的函數;b爲(wei)斥力函數(shu)。還需分析(xī)甲烷和氫(qing)氣在管道(dao)中氣體傳(chuán)質規律，因(yin)此,開啓組(zu)分輸運模(mó)型,如式(7)所(suǒ)示✔️:
 
　　式中:ρ爲(wei)密度,kg/m³;ci爲i組(zǔ)分的體積(jī)分數;t爲時(shí)間,s;u爲速度(dù),m/s;Di爲i組分的(de)擴散系數(shù),m²/s;Ri爲單位時(shí)間、體積下(xia)産生i組分(fen)的質量，kg/(m³.s)。
　　針(zhen)對天然氣(qi)計量,還需(xū)結合湍流(liu)方程。K-εRNG模型(xing)在湍流🧑🏽‍🤝‍🧑🏻模(mo)拟中得🈚到(dào)了廣泛的(de)應用。與标(biāo)準的kε模型(xing)相比，K-εRNG模型(xíng)在表征具(jù)有強流線(xiàn)曲率、渦旋(xuán)方面都有(yǒu)了顯著👉的(de)改進15]。因此(ci),本♈研究選(xuǎn)擇kεRNG模型作(zuo)爲湍流方(fāng)程。
2.4邊界條(tiao)件
　　選擇3MPa壓(ya)力邊界進(jìn)行計算。模(mó)拟的邊界(jie)條件爲:進(jin)口邊界📧條(tiáo)♉件采🥵用天(tian)然氣壓力(li),出口邊界(jiè)條件采用(yong)天🔆然氣出(chu)口流量。進(jin)口溫度設(she)置爲303.15K,流體(ti)介質采用(yòng)甲烷和氫(qing)氣混合物(wu),并由軟件(jian)本身的數(shù)據庫确定(dìng)了其密度(du)、黏度等參(cān)數❓。令x(CH4)和x(H2)分(fèn)别爲甲烷(wán)和氫氣摩(mo)爾🏃分數,邊(biān)界條件設(shè)置見表1。
 
2.5有(you)效性驗證(zhèng)
　　基于流體(tǐ)相似原理(li),可利用Fluent計(ji)算在計量(liang)管内徑爲(wei)30mm,孔徑比⭐爲(wèi)㊙️0.42、0.59、0.65條件下水(shui)的流出系(xi)數，與實驗(yan)值進行對(duì)比，對本研(yan)究模型有(yǒu)效性進行(háng)驗證。驗證(zhèng)結果如表(biǎo)2所列。
　　從表(biǎo)2可以看出(chu),采用數值(zhí)模拟方法(fǎ)計算出的(de)流出系數(shù)與實驗🛀值(zhí)吻合較好(hǎo),偏差不超(chāo)過-3.50%。
 
3結果與(yu)讨論
3.1混氫(qing)量對差壓(ya)的影響
　　以(yǐ)孔闆孔徑(jing)比爲0.38,x(H2)爲0.00、0.10、0.20、0.30爲(wèi)例,Fluent仿真結(jie)果壓力雲(yun)圖見圖3。孔(kong)徑比爲0.38、0.50、0.58的(de)标準孔闆(pǎn)的差壓随(sui)混氫量的(de)變化如圖(tú)4所示。
 
　　從圖(tu)4可以看出(chū),随着混氫(qīng)量的增加(jiā),流過标準(zhǔn)孔闆🔴的差(cha)壓會🛀逐步(bu)上升。從數(shu)值上看,孔(kǒng)徑比越小(xiǎo),差壓👉随混(hun)氫量的增(zeng)🌈加而上升(sheng)的幅度越(yue)明顯,這說(shuō)明氫氣對(duì)孔闆的節(jiē)流效應比(bǐ)較敏感
3.2混(hun)氫量對流(liu)速的影響(xiang)
　　以孔闆孔(kǒng)徑比爲0.38,x(H2)爲(wèi)0.00、0.10、0.20和0.30爲例，Fluent仿(páng)真結果速(su)度雲圖見(jiàn)圖5。從圖5可(kě)🐪以看出,随(sui)着混氫量(liàng)的增加,氣(qì)流流過孔(kong)闆後的速(sù)度更大。圖(tu)6所示爲混(hun)氫量與輸(shū)送速度的(de)關系圖,從(cóng)圖中可看(kan)出🌈,混氫量(liang)越高,流速(su)越高。

　　因此(ci),當天然氣(qì)管道中摻(chan)入氫氣後(hou)會導緻流(liú)量增大。由(yóu)于氫🍓氣的(de)發熱量小(xiao)于甲烷,若(ruo)仍然采用(yong)體積計量(liàng)♋進行貿易(yi)⛷️交接,這将(jiang)會對買方(fāng)不利。若采(cai)用質量計(ji)量🐪進行貿(mào)易交接,仍(reng)然不能合(hé)理體現摻(chān)氫天然氣(qì)的實用價(jià)值,對供方(fang)不利。因此(cǐ),針對✍️混氫(qīng)天然氣,建(jian)議采用能(neng)量計量進(jìn)行貿易交(jiao)接。
 
3.3混氫量(liàng)對流出系(xi)數的影響(xiǎng)
　　采用式(2)計(ji)算得到不(bú)同混氫量(liàng)下的流出(chu)系數,計算(suan)結果見圖(tu)7。從圖7可以(yi)看出:孔徑(jing)比越大,流(liu)出系數越(yuè)📞大;在混氫(qīng)量小于0.3時(shi),混氫量的(de)變化幾乎(hu)不會對流(liú)⛱️出系數産(chan)生影響。
 
3.4混(hun)氫量對相(xiang)對密度系(xi)數的影響(xiang)
　　相對密度(dù)系數變化(huà)與孔闆結(jie)構無關,僅(jǐn)與組分的(de)變化有關(guan),圖8所示爲(wei)相對密度(du)系數随混(hùn)氫量的變(biàn)化情況。從(cóng)🆚圖8可看出(chu),混氫量的(de)增加會導(dao)緻相對密(mì)🔆度系數上(shang)升,這是由(yóu)于氫氣的(de)摩爾質量(liàng)遠小于甲(jia)烷,混氫量(liàng)的增加會(huì)導緻其摩(mó)爾質量下(xia)💃降,進而導(dǎo)緻相對密(mi)度系數上(shang)升。
 
3.5混氫量(liang)對可膨脹(zhàng)系數的影(ying)響
　　圖9所示(shì)爲可膨脹(zhàng)系數随混(hùn)氫量的變(biàn)化。從圖9可(kě)以看出,随(suí)🛀着混氫量(liang)的增加，會(hui)導緻可膨(peng)脹系數下(xia)降,在低孔(kong)徑比的情(qing)況下，其下(xià)降幅度要(yao)大于高孔(kǒng)徑比,但整(zheng)體下降幅(fú)度較小
 
3.6混(hun)氫量對超(chao)壓縮系數(shù)的影響
　　超(chao)壓縮系數(shu)是因天然(rán)氣特性偏(piān)離理想氣(qi)體定律而(ér)采🙇🏻用👈的修(xiu)正系數，其(qi)與孔闆結(jié)構無關。分(fèn)析在303.15K,3MPa.5MPa和7MPa條(tiáo)件下的超(chāo)壓🆚縮系數(shu)随混氫量(liàng)的變化(見(jian)圖10)。從圖10可(kě)以看出，超(chao)壓❄️縮系數(shu)随混氫量(liang)的增加而(ér)下降,壓力(li)越大,下降(jiàng)幅度越大(dà)。
 
3.7混氫量對(duì)标準孔闆(pǎn)流量計測(ce)量精度的(de)影響
　　基于(yu)Fluent模拟結果(guǒ),得到孔闆(pan)前後壓力(li)、溫度、黏度(dù)等參數,采(cai)用式👨‍❤️‍👨(1)~式(5)計(jì)算得到的(de)流量作爲(wei)标準孔闆(pan)流量計測(ce)量流量,以(yi)邊界流量(liàng)作爲實際(ji)流量進行(hang)對比分析(xī),分析結果(guǒ)❌見圖11。基🔱于(yú)本研究建(jiàn)立的計算(suàn)模型得到(dao)标準💛孔闆(pan)流量🚩計的(de)測量流量(liàng)與管🐅道截(jié)面的實際(ji)流量之間(jiān)的測量誤(wù)差,其計算(suan)公式如式(shì)(8)所示。
 
　　式中(zhōng):δ爲測量誤(wù)差,%;qbou爲實際(jì)流量,m³/s;qea爲測(ce)量流量(基(ji)于本研究(jiū)建立的計(ji)算模型通(tōng)過Fluent模拟計(ji)算得到的(de)标準孔闆(pan)流量計流(liú)量),m2/s。
　　從圖11(a)可(ke)以看出随(suí)着混氫量(liang)的增加,标(biao)準孔闆流(liú)量計測量(liàng)流量🌂也會(hui)顯著增加(jiā)。從圖11(b)可以(yǐ)看出,标準(zhǔn)孔闆流量(liang)計計量精(jīng)度幾乎不(bu)受混氫量(liang)變化的影(yǐng)響。
4結論
　　采(cai)用數值模(mo)拟的方法(fa),研究了标(biao)準孔闆流(liu)量計應⛱️用(yong)于混☀️氫天(tiān)🚩然氣時的(de)計量精度(du)。研究了混(hun)氫量對差(cha)壓、流速、流(liu)出系數、相(xiàng)對密度系(xì)數、可膨脹(zhàng)系數和🌈超(chāo)壓縮系數(shù)的影響,可(kě)得到以下(xià)結論。
 
(1)在(zài)壓力一定(dìng)的情況下(xia),混氫量的(de)增加會導(dao)緻體積⭐流(liú)🌐量測量💜的(de)流量值增(zēng)大。因此,針(zhēn)對混氫天(tian)然氣,建議(yì)采用能量(liang)計量進行(hang)貿易交接(jiē)。
(2)在壓力一(yī)定的情況(kuàng)下,混氫量(liàng)的增加會(huì)導緻差壓(ya)🌈上升,導緻(zhì)相對密度(dù)系數、可膨(peng)脹系數和(he)超壓縮系(xì)數下降,而(er)流出系數(shu)🤞幾乎不受(shòu)氫氣含量(liàng)變化的影(yǐng)🌏響。
(3)将氫氣(qi)摻人天然(ran)氣管網,在(zài)氫氣摩爾(er)分數小于(yu)30%的情況下(xià),氫💘含量的(de)變化不會(hui)對标準孔(kǒng)闆流量計(ji)精度産生(sheng)明顯的影(ying)響。

本文來(lái)源于網絡(luò),如有侵權(quán)聯系即删(shan)除！