摘要:目的(de)将氫氣摻(chan)入天然氣(qi)管道中會(hui)改變管道(dao)内氣體的(de)性質和流(liu)動狀态，可(ke)能會影響(xiang) 标準孔闆(pan)流量計 計(ji)量精度,采(cai)用ANSYSYFluent對混氫(qing)天然氣管(guan)道标準孔(kong)闆流量計(ji) 進行适應(ying)性研究。方(fang)法比較了(le)不同混氫(qing)量的天然(ran)氣對流出(chu)🔴系❄️數、可膨(peng)脹系數、相(xiang)對密度系(xi)數、超壓縮(suo)🚶‍♀️系數、流速(su)及差壓的(de)影響🧑🏾‍🤝‍🧑🏼。結果(guo)在303.15K.3MPa,混氫量(liang)爲0%~30%的條件(jian)☁️下,随着混(hun)氫量🔞的增(zeng)加,會導緻(zhi)差壓上升(sheng);導緻相對(dui)密度系數(shu)、可膨脹系(xi)數和超壓(ya)縮系數下(xia)⭐降;導緻流(liu)速上升,使(shi)測量流量(liang)增加✂️。結論(lun)由于氫氣(qi)的發熱量(liang)低于天然(ran)氣,因❌此，針(zhen)對混氫天(tian)然氣，建議(yi)采用能量(liang)🐪計量。混氫(qing)天然氣不(bu)會對标準(zhun)孔闆流量(liang)計精度産(chan)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼生較大影(ying)響。
氫能是(shi)一-種綠色(se)、低污染、可(ke)再生的燃(ran)料，被認爲(wei)是最有前(qian)途的化石(shi)燃料替代(dai)品之一口(kou)。目前，利用(yong)可再生🈲能(neng)源🐅電解制(zhi)氫,然後将(jiang)氫氣按照(zhao)一定比例(li)摻人天然(ran)氣管道中(zhong)進行🥰輸送(song)是利用和(he)運輸氫能(neng)的有效途(tu)徑[5。如IEAGHGR&.D項目(mu)摻人天然(ran)氣管網中(zhong)的氫氣摩(mo)爾☂️分數高(gao)達25%叫;AMeland項目(mu)摻人天然(ran)氣管網中(zhong)的氫氣摩(mo)爾🔴分數達(da)到20%[1-8]。而摻㊙️氫(qing)天然氣計(ji)量技術是(shi)摻氫天然(ran)氣㊙️産規模(mo)化❌和市場(chang)化的重要(yao)基礎。标準(zhun)孔闆流量(liang)計由于其(qi)設計簡單(dan)、成本低,仍(reng)然是石油(you)與📧天然氣(qi)行業中使(shi)用廣泛的(de)流量計。
　　由(you)于氫氣和(he)甲烷物性(xing)差異巨大(da)，在标況下(xia)其密度相(xiang)差8倍以🈚上(shang)[1],而密度是(shi)影響标準(zhun)孔闆流量(liang)計結果的(de)重要因素(su)[18]。當⁉️天然氣(qi)中摻混氫(qing)氣後，會導(dao)緻其密度(du)、黏度、比熱(re)容參數改(gai)變,進而影(ying)響标準孔(kong)闆流量計(ji)計量精度(du)。Dong等利用🙇🏻Fluent分(fen)析不同傾(qing)角孔闆在(zai)測量天然(ran)氣流量時(shi)對測量精(jing)度的影響(xiang);Jin等利用Fluent分(fen)析得到在(zai)測量液氫(qing)時不同孔(kong)闆結構對(dui)流出系數(shu)和壓力損(sun)失系數的(de)影響;通過(guo)數值模拟(ni)技‼️術得到(dao)在測量天(tian)然氣流量(liang)時,流體💚相(xiang)對密度變(bian)化值🔅對測(ce)量值有較(jiao)大的影響(xiang)。
　　盡管前人(ren)已經做了(le)很多研究(jiu),但目前對(dui)影響測量(liang)精💋度的研(yan)究主要集(ji)中在孔闆(pan)結構的變(bian)化上,這将(jiang)💯會增加流(liu)量計結構(gou)的複💘雜性(xing)，而且在實(shi)際的天然(ran)氣管道中(zhong)不易使用(yong)。此外,所研(yan)究的結論(lun)主要是對(dui)流出系數(shu)、差壓等的(de)影響,關于(yu)其他計量(liang)所需參數(shu),如可膨脹(zhang)系數、超壓(ya)縮系㊙️數、相(xiang)對密度系(xi)數的影響(xiang)很少被研(yan)究。研究的(de)介質主要(yao)是天然氣(qi)或者液氫(qing),關于混氫(qing)天然氣的(de)情況很少(shao)被研究。因(yin)此,本研究(jiu)主要分析(xi)天然氣管(guan)道中混人(ren)氫氣後對(dui)标準孔闆(pan)✔️流量計測(ce)量精度的(de)影響。
1标準(zhun)孔闆流量(liang)計工作原(yuan)理
　　 标準孔(kong)闆流量計(ji)以能量守(shou)恒定律和(he)流動連續(xu)性方程爲(wei)基礎,通過(guo)測量孔闆(pan)前後産生(sheng)的靜壓力(li)差來衡量(liang)天🔴然氣流(liu)過㊙️節流🔱裝(zhuang)置的流量(liang)大小”。工況(kuang)條件下的(de)❌體積流🌍量(liang)一般用流(liu)量計測量(liang)🤩,然後換算(suan)成🍉基本(标(biao)準)條件下(xia)的體積作(zuo)爲天然氣(qi)貿易交接(jie)過程中的(de)流量8]。GB/T21446-2008《用标(biao)準孔闆😘流(liu)量計測量(liang)天然氣流(liu)量》以293.15K.101.325kPa爲條(tiao)件,得到标(biao)準條件下(xia)天然氣體(ti)積流量🤩計(ji)算實用公(gong)式，如式(1)所(suo)示:
 
　　式中:qV。爲(wei)标準條件(jian)下天然氣(qi)體積流量(liang),m³/s;Avn爲體積流(liu)量系數，Avn。=3.1795X10-6;C爲(wei)流出系數(shu);E爲漸進速(su)度系數,E=1/(1-β)0.5;β爲(wei)孔徑比,β=d/D;d爲(wei)孔闆開孔(kong)直徑,mm;D爲測(ce)量管内徑(jing),mm;Fc爲相對密(mi)度系數;ε爲(wei)可膨脹系(xi)🔞數;Fz爲超壓(ya)縮系數;Fr爲(wei)流動溫度(du)🔴系數;p1爲孔(kong)闆上遊取(qu)壓孔實測(ce)絕😍對壓力(li),MPa;△p爲孔闆前(qian)後差壓,MPa。
流(liu)出系數C的(de)計算公式(shi)如式(2)~式(4)所(suo)示。
 
　　式中:ReD管(guan)徑爲雷諾(nuo)數;L1爲孔闆(pan)上遊端面(mian)到取壓孔(kong)軸線的🔞距(ju)離除以測(ce)量管内徑(jing)得出的商(shang);L2爲孔闆下(xia)遊端面到(dao)取壓孔軸(zhou)線的距🛀離(li)除以測量(liang)管内徑得(de)出的商;M2爲(wei)變量;A爲變(bian)量。
 
2數值仿(pang)真模型建(jian)立及驗證(zheng)
2.1孔闆結構(gou)
　　孔闆結構(gou)示意圖如(ru)圖1所示。針(zhen)對3種孔徑(jing)比進行研(yan)究,孔闆幾(ji)何形狀:孔(kong)闆厚度爲(wei)3.8mm,孔闆開孔(kong)厚度爲0.8mm,上(shang)遊管徑爲(wei)150mm,孔闆孔徑(jing)分别爲57mm、75mm、87mm,孔(kong)徑比分别(bie)爲0.38、0.50、0.58。本研究(jiu)選擇孔闆(pan)上遊✔️直管(guan)段145D,下遊直(zhi)管段10D,以獲(huo)得準确的(de)模拟結果(guo)。
 
2.2計算網格(ge)劃分
　　采用(yong)ANSYS建立了标(biao)準孔闆流(liu)量計的三(san)維模型,利(li)用六面體(ti)網♋格對網(wang)格進行劃(hua)分。在模拟(ni)中,整個幾(ji)何形狀被(bei)分爲3個區(qu)域:上遊、中(zhong)⚽心區域、下(xia)遊。上遊和(he)下遊區域(yu)使用較粗(cu)🔞網格,中心(xin)區域采用(yong)更密的.網(wang)格,以獲得(de)壓力梯度(du)。牆附近的(de)網格被細(xi)化,以滿足(zu)标準牆功(gong)能的要求(qiu)。管道模拟(ni)網格如圖(tu)2所示。進行(hang)了網格尺(chi)寸獨立性(xing)測試，用來(lai)數值模拟(ni)結果與網(wang)格尺寸和(he)網格質量(liang)無關。以3MPa下(xia)👄氫氣摩爾(er)分數分别(bie)爲0.0、0.4的CH-H2混📞合(he)物爲例,采(cai)用1267153、1893462、2637960、3439231個單元(yuan)進行測試(shi)。網🙇🏻格數量(liang)從1893462增💚加到(dao)3439231時，網格數(shu)量對孔闆(pan)前後的壓(ya)力的影響(xiang)已經很小(xiao)了。考慮網(wang)格的無關(guan)性和計算(suan)效率👈，在以(yi)下模拟中(zhong)采用2637960個單(dan)元的網格(ge)。
 
2.3控制方程(cheng)
　　假設:實際(ji)流體在管(guan)道中做定(ding)常流運動(dong);氣質組分(fen)爲甲烷和(he)氫氣混合(he)物,且混合(he)均勻;流體(ti)在管道内(nei)⭐與外🛀界無(wu)熱量交換(huan)。因此,除了(le)滿足質量(liang)、動量和能(neng)量三大守(shou)恒方程外(wai)，還⭕需滿足(zu)氣體狀态(tai)方程。本研(yan)🌈究使用SRK狀(zhuang)态方程[21],如(ru)🌐式(6)所示。
 
　　式(shi)中:p爲壓力(li)，MPa;R爲氣體常(chang)數，8.314J/(mol·K);T爲溫度(du),K;V爲摩爾體(ti)積,m³/mol;αe。爲臨界(jie)參數,是臨(lin)界溫度和(he)臨界壓力(li)的函數;α爲(wei)引力函🌍數(shu),是對比溫(wen)度和偏心(xin)因子的函(han)數;b爲斥力(li)函數。還需(xu)分析甲烷(wan)和‼️氫氣在(zai)管道中氣(qi)體傳質規(gui)律，因此,開(kai)啓組分輸(shu)運模型,如(ru)式(7)所示:
 
　　式(shi)中:ρ爲密度(du),kg/m³;ci爲i組分的(de)體積分數(shu);t爲時間,s;u爲(wei)速度,m/s;Di爲i組(zu)分🌈的擴散(san)🎯系數,m²/s;Ri爲單(dan)位時間、體(ti)積下産生(sheng)i組分的質(zhi)量，kg/(m³.s)。
　　針對天(tian)然氣計量(liang),還需結合(he)湍流方程(cheng)。K-εRNG模型在湍(tuan)流模拟中(zhong)得到🌂了廣(guang)泛的應用(yong)。與标準的(de)kε模型相比(bi)，K-εRNG模型在表(biao)征🔴具有強(qiang)流線曲率(lü)、渦旋方面(mian)都有了顯(xian)著的改進(jin)15]。因此,本研(yan)究選擇kεRNG模(mo)型作爲湍(tuan)流方程。
2.4邊(bian)界條件
　　選(xuan)擇3MPa壓力邊(bian)界進行計(ji)算。模拟的(de)邊界條件(jian)爲:進口邊(bian)界條件采(cai)用天然氣(qi)壓力,出口(kou)邊界條件(jian)采用天然(ran)氣出口流(liu)量👨‍❤️‍👨。進口溫(wen)度💋設置爲(wei)303.15K,流體介質(zhi)采用甲烷(wan)和氫🏃‍♀️氣混(hun)合🈚物,并由(you)軟件本身(shen)的數據庫(ku)确定了其(qi)密度、黏度(du)等參數。令(ling)x(CH4)和x(H2)分别爲(wei)甲烷和🌈氫(qing)氣摩爾♋分(fen)數,邊界條(tiao)✍️件設置見(jian)表1。
 
2.5有效性(xing)驗證
　　基于(yu)流體相似(si)原理,可利(li)用Fluent計算在(zai)計量管内(nei)徑爲30mm,孔徑(jing)比爲0.42、0.59、0.65條件(jian)下水的流(liu)出系數，與(yu)實驗值進(jin)行對比，對(dui)本研✉️究模(mo)型有效性(xing)🏒進行驗證(zheng)。驗證結果(guo)如表2所列(lie)。
　　從表2可以(yi)看出,采用(yong)數值模拟(ni)方法計算(suan)出的流出(chu)系數與實(shi)驗值吻合(he)較好,偏差(cha)不超過-3.50%。
 
3結(jie)果與讨論(lun)
3.1混氫量對(dui)差壓的影(ying)響
　　以孔闆(pan)孔徑比爲(wei)0.38,x(H2)爲0.00、0.10、0.20、0.30爲例,Fluent仿(pang)真結果壓(ya)力雲圖見(jian)圖3。孔徑比(bi)爲0.38、0.50、0.58的标準(zhun)孔闆的差(cha)壓随混氫(qing)量的變化(hua)如圖4所⛷️示(shi)。
 
　　從圖4可以(yi)看出,随着(zhe)混氫量的(de)增加,流過(guo)标準孔闆(pan)的差🏃🏻壓會(hui)逐步上升(sheng)。從數值上(shang)看,孔徑比(bi)越小,差壓(ya)随混💘氫量(liang)💋的增加而(er)上升🤟的幅(fu)度越明顯(xian),這說明氫(qing)氣對孔闆(pan)的節流效(xiao)應比較敏(min)感
3.2混氫量(liang)對流速的(de)影響
　　以孔(kong)闆孔徑比(bi)爲0.38,x(H2)爲0.00、0.10、0.20和0.30爲(wei)例，Fluent仿真結(jie)果速度雲(yun)圖見圖5。從(cong)圖💯5可以看(kan)出,随着混(hun)氫量的增(zeng)加,氣流流(liu)過孔闆後(hou)的速度更(geng)大。圖6所示(shi)爲混氫量(liang)與輸送速(su)度的關系(xi)圖,從圖中(zhong)可看出,混(hun)氫量越高(gao),流速越高(gao)。

　　因此,當天(tian)然氣管道(dao)中摻入氫(qing)氣後會導(dao)緻流量增(zeng)大。由于👨‍❤️‍👨氫(qing)氣的發熱(re)量小于甲(jia)烷,若仍然(ran)采用體積(ji)計量進行(hang)貿易交接(jie),這将會對(dui)買方不利(li)。若采用質(zhi)量計量進(jin)行貿🌈易交(jiao)接,仍然不(bu)能合理體(ti)現摻氫天(tian)然氣的實(shi)♍用價值,對(dui)🌈供方不利(li)。因此,針對(dui)混氫天然(ran)✨氣,建議采(cai)用能量計(ji)量進✌️行貿(mao)易交接㊙️。
 
3.3混(hun)氫量對流(liu)出系數的(de)影響
　　采用(yong)式(2)計算得(de)到不同混(hun)氫量下的(de)流出系數(shu),計算結果(guo)見圖7。從圖(tu)7可以看出(chu):孔徑比越(yue)大,流出系(xi)數越大;在(zai)混氫量小(xiao)于0.3時,混氫(qing)量的變化(hua)幾乎不會(hui)對流出系(xi)數産生影(ying)響。
 
3.4混氫量(liang)對相對密(mi)度系數的(de)影響
　　相對(dui)密度系數(shu)變化與孔(kong)闆結構無(wu)關,僅與組(zu)分的變化(hua)有關,圖8所(suo)示爲相對(dui)密度系數(shu)随混氫量(liang)的變化情(qing)況。從圖8可(ke)🙇‍♀️看出,混氫(qing)量的增加(jia)會導緻相(xiang)對密度系(xi)數上升,這(zhe)是由于氫(qing)氣的摩爾(er)質🔅量遠小(xiao)于甲烷,混(hun)氫量的增(zeng)加會導緻(zhi)其摩爾質(zhi)量下降,進(jin)而導緻相(xiang)對密度系(xi)數上升。
 
3.5混(hun)氫量對可(ke)膨脹系數(shu)的影響
　　圖(tu)9所示爲可(ke)膨脹系數(shu)随混氫量(liang)的變化。從(cong)圖9可以☁️看(kan)出,随着混(hun)氫量的增(zeng)加，會導緻(zhi)可膨脹系(xi)數下降😄,在(zai)低孔徑🔅比(bi)的情況下(xia)，其下降幅(fu)度要大于(yu)高孔徑比(bi),但整體下(xia)降幅度較(jiao)📐小
 
3.6混氫量(liang)對超壓縮(suo)系數的影(ying)響
　　超壓縮(suo)系數是因(yin)天然氣特(te)性偏離理(li)想氣體定(ding)律而采用(yong)的修🈲正系(xi)數，其與孔(kong)闆結構無(wu)關。分析在(zai)303.15K,3MPa.5MPa和♊7MPa條件下(xia)的💔超壓縮(suo)系數随混(hun)氫量的變(bian)化(見圖10)。從(cong)圖10可以看(kan)出，超壓縮(suo)系數❗随混(hun)氫量的增(zeng)加而下降(jiang),壓力越大(da),下降幅度(du)越大。
 
3.7混氫(qing)量對标準(zhun)孔闆流量(liang)計測量精(jing)度的影響(xiang)
　　基于Fluent模拟(ni)結果,得到(dao)孔闆前後(hou)壓力、溫度(du)、黏度等參(can)數,采💯用式(shi)(1)~式(5)計算得(de)到的流量(liang)作爲标準(zhun)孔闆流量(liang)🏃‍♀️計測🌈量流(liu)量,以🥰邊界(jie)流量👉作爲(wei)實際流量(liang)進行對比(bi)分析,分析(xi)結果見圖(tu)11。基🧑🏽‍🤝‍🧑🏻于本研(yan)究建立☁️的(de)計算模型(xing)得到标準(zhun)孔闆流量(liang)計的測量(liang)⛹🏻‍♀️流量與管(guan)道截面的(de)實際流量(liang)之間的測(ce)量誤差,其(qi)計算公式(shi)如式(8)所示(shi)。
 
　　式中:δ爲測(ce)量誤差,%;qbou爲(wei)實際流量(liang),m³/s;qea爲測量流(liu)量(基于本(ben)研究‼️建立(li)的計算模(mo)型通過Fluent模(mo)拟計算得(de)到的标準(zhun)孔闆流量(liang)計流量),m2/s。
　　從(cong)圖11(a)可以看(kan)出随着混(hun)氫量的增(zeng)加,标準孔(kong)闆流量計(ji)測🌈量流量(liang)💃🏻也會顯著(zhe)增加。從圖(tu)11(b)可以看出(chu),标準孔闆(pan)流量計🚶‍♀️計(ji)量精度幾(ji)乎不受混(hun)氫量變化(hua)的影響。
4結(jie)論
　　采用數(shu)值模拟的(de)方法,研究(jiu)了标準孔(kong)闆流量計(ji)應用👄于混(hun)氫天然氣(qi)時的計量(liang)精度。研究(jiu)了混氫量(liang)對🙇🏻差壓、流(liu)速、流出系(xi)數、相對密(mi)度系數、可(ke)膨脹系數(shu)和超壓縮(suo)系數的影(ying)響,可得到(dao)以下結論(lun)🚶。
 
(1)在壓力(li)一定的情(qing)況下,混氫(qing)量的增加(jia)會導緻體(ti)積流量測(ce)量的流量(liang)值增大。因(yin)此,針對混(hun)氫天然氣(qi),建議采🆚用(yong)能🤟量計量(liang)進♋行貿易(yi)交接。
(2)在壓(ya)力一定的(de)情況下,混(hun)氫量的增(zeng)加會導緻(zhi)差壓上升(sheng),導緻相🤟對(dui)密度系數(shu)、可膨脹系(xi)數和超壓(ya)縮系數下(xia)降,而流出(chu)✉️系數幾乎(hu)不受氫氣(qi)含量變化(hua)的影響。
(3)将(jiang)氫氣摻人(ren)天然氣管(guan)網,在氫氣(qi)摩爾分數(shu)小于30%的情(qing)✔️況下🏃‍♀️,氫含(han)量的變化(hua)不會對标(biao)準孔闆流(liu)量計精度(du)産生明✏️顯(xian)的影響。

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