摘要:目(mu)的将氫氣摻入天(tiān)然氣管道中會改(gǎi)變管道内氣體🏒的(de)性質和流動狀态(tai)，可能會影響 标準(zhun)孔闆流量計 計量(liàng)精度,采用ANSYSYFluent對混氫(qīng)天然氣管道标準(zhǔn)孔闆流量計 進行(hang)适應性研究。方法(fa)比較了不同混氫(qing)量的天然氣對流(liu)出系數、可膨脹系(xì)數、相對密度系數(shù)、超壓縮系數、流速(sù)及差壓的影響⭐。結(jie)果在303.15K.3MPa,混氫量爲0%~30%的(de)條件下,随着👅混氫(qing)量的增加,會導緻(zhì)💁差壓上升;導緻相(xiang)對密度系數、可膨(peng)脹系數和超壓縮(suo)系數下降;導緻流(liú)速上升,使測🌈量流(liu)量增加。結論由于(yu)氫氣的發熱量低(di)于天然氣,因此，針(zhēn)對混氫天然氣，建(jiàn)議采用能量計量(liang)。混氫天然氣不會(hui)對标準孔闆流量(liang)計精度産生較大(dà)影響。
氫能是一-種(zhong)綠色、低污染、可再(zai)生的燃料，被認爲(wèi)是最有前🎯途的化(huà)石燃料替代品之(zhi)一口。目前，利用可(kě)再生能源電解制(zhi)氫😄,然後将氫氣按(an)照一定比例摻人(rén)天然氣管道中進(jin)行輸送是利用和(hé)運輸氫能的有效(xiào)途徑💔[5。如IEAGHGR&.D項目摻人(rén)天然氣管網中的(de)氫氣摩爾分數高(gāo)達25%叫;AMeland項目摻人天(tiān)♉然氣管網中的氫(qīng)氣摩爾👈分數達到(dào)20%[1-8]。而摻氫天然氣計(jì)量技術是摻氫天(tiān)然氣産規模化⚽和(hé)市場化的重要基(jī)礎。标準孔闆流量(liang)計由于其設計簡(jiǎn)單、成💔本低,仍然是(shi)石油與❌天然氣行(háng)業中使用廣泛的(de)流量計。
　　由于氫氣(qì)和甲烷物性差異(yì)巨大，在标況下其(qi)密度相差8倍以上(shàng)[1],而密度是影響标(biao)準孔闆流量計結(jie)果的重要因素[18]。當(dāng)天然🐇氣中摻混氫(qing)氣後，會導緻其密(mi)度、黏度☎️、比熱容參(cān)數改變,進而影響(xiǎng)标準孔闆流量🔴計(ji)計量精度。Dong等利用(yong)Fluent分析不同傾角孔(kǒng)闆在測量天然氣(qi)流量時對測量精(jīng)度的影響;Jin等利用(yong)Fluent分析得到在測量(liàng)液氫❗時不同孔闆(pǎn)結構對流出系數(shu)和壓力損失系數(shu)的影響;通過數值(zhí)模拟技✌️術得到在(zai)測量天然氣流量(liang)時,流體相對密度(dù)變化值對測量值(zhi)有較大的影響。
　　盡(jìn)管前人已經做了(le)很多研究,但目前(qián)對影響測量精度(du)的研究主要集中(zhong)在孔闆結構的變(bian)化上,這将會增加(jiā)流量計🚩結構的複(fu)💘雜性，而且在實際(jì)的天然氣管道中(zhōng)不易使用。此外,所(suǒ)研究的結論主要(yao)是對流出系數、差(chà)壓等的影響,關于(yú)其他計量🏃‍♂️所需參(cān)數,如可膨脹系數(shù)、超壓縮系數、相對(dui)密度系數的影響(xiǎng)很少被研究。研究(jiū)的介質主要是天(tiān)然氣或者液氫,關(guan)于混氫🔞天然氣的(de)情況🚶‍♀️很少被研究(jiū)。因此,本研究主要(yào)分析天然氣管🚩道(dào)中混人氫氣後對(duì)👄标準孔闆流量計(ji)測🎯量精度的影響(xiǎng)。
1标準孔闆流量計(ji)工作原理
　　 标準孔(kǒng)闆流量計以能量(liàng)守恒定律和流動(dòng)連續性方程爲基(ji)礎👉,通過測量孔闆(pǎn)前後産生的靜壓(yā)力差來衡量天🔞然(rán)氣流過📞節流裝置(zhi)的流量大小”。工況(kuàng)條💚件下的體積流(liu)量一般用流量計(jì)測量,然後換算成(chéng)💰基本(标準)條件下(xia)的體積作爲天然(ran)氣貿易交接過程(chéng)中的流量8]。GB/T21446-2008《用标準(zhun)孔闆🔞流量計測量(liàng)天然氣流量》以293.15K.101.325kPa爲(wei)條件,得到标準條(tiao)件下天然氣體積(ji)流量⛱️計算實用公(gong)式，如式(1)所🤩示:
 
　　式中(zhōng):qV。爲标準條件下天(tiān)然氣體積流量,m³/s;Avn爲(wèi)體積流量系數，Avn。=3.1795X10-6;C爲(wèi)流出✏️系數;E爲漸進(jìn)速度系數,E=1/(1-β)0.5;β爲孔徑(jing)比,β=d/D;d爲孔闆開孔直(zhi)🎯徑,mm;D爲測量管内徑(jing),mm;Fc爲相對密度系數(shu);ε爲可膨脹系數;Fz爲(wèi)超壓縮系數;Fr爲流(liu)動溫度🏃系數;p1爲孔(kong)闆上遊取壓孔實(shí)測絕☁️對壓力,MPa;△p爲孔(kong)闆前後差壓,MPa。
流出(chu)系數C的計算公式(shi)如式(2)~式(4)所示。
 
　　式中(zhōng):ReD管徑爲雷諾數;L1爲(wèi)孔闆上遊端面到(dào)取壓孔軸線👈的🈲距(ju)離除✔️以測量管内(nèi)徑得出的商;L2爲孔(kong)闆下遊端面到取(qǔ)壓孔🎯軸線的距🌈離(lí)除以測量管内徑(jing)得出的商;M2爲變量(liang);A爲變量。
 
2數值仿真(zhen)模型建立及驗證(zhèng)
2.1孔闆結構
　　孔闆結(jié)構示意圖如圖1所(suǒ)示。針對3種孔徑比(bǐ)進行研究🔞,孔闆幾(jǐ)何形狀:孔闆厚度(du)爲3.8mm,孔闆開孔厚度(du)爲0.8mm,上遊管徑爲150mm,孔(kong)闆孔徑分别爲57mm、75mm、87mm,孔(kong)徑比分别爲0.38、0.50、0.58。本研(yan)究選擇孔闆上遊(you)🔞直管段✨145D,下遊直管(guǎn)段10D,以獲得準确的(de)😘模拟結果。
 
2.2計算網(wang)格劃分
　　采用ANSYS建立(li)了标準孔闆流量(liàng)計的三維模型,利(li)用六面體網格對(duì)網格進行劃分。在(zai)模拟中,整個幾何(hé)形狀被分爲3個區(qu)🏃🏻域:上遊、中心區域(yù)、下遊。上遊和下遊(you)區域使‼️用較粗網(wǎng)格,中心區域采用(yong)更密的.網格,以獲(huo)得壓力⛹🏻‍♀️梯度。牆附(fu)近的網格🍓被細化(huà),以滿足标準牆功(gong)能的要😍求。管道模(mo)拟網格如圖2所示(shì)。進行了網格尺寸(cun)獨立性測試，用來(lai)數值模拟結果與(yu)網格尺👈寸和網格(ge)質量無關。以3MPa下氫(qing)氣摩爾分數分别(bié)爲0.0、0.4的CH-H2混合物爲例(lì),采用1267153、1893462、2637960、3439231個單元進行(hang)測試。網格數量從(cong)1893462增💘加到3439231時，網格數(shu)量對孔⭐闆前後❄️的(de)壓力的影響已經(jīng)很小了。考慮網格(ge)☂️的無關🛀🏻性和計算(suàn)效率，在以下模🐅拟(nǐ)中采用2637960個單元的(de)網格。
 
2.3控制方程
　　假(jia)設:實際流體在管(guan)道中做定常流運(yun)動;氣質組分爲甲(jiǎ)📐烷🔴和🈲氫氣混合物(wu),且混合均勻;流體(tǐ)在管道内與外界(jiè)無熱量交換。因此(ci)🤩,除了滿足質量、動(dong)量和能量三大💯守(shou)恒方💋程外，還需滿(mǎn)足氣體狀态方程(chéng)。本研究使用SRK狀态(tài)方程[21],如式(6)所示。
 
　　式(shì)中:p爲壓力，MPa;R爲氣體(tǐ)常數，8.314J/(mol·K);T爲溫度,K;V爲摩(mo)爾體積,m³/mol;αe。爲臨界參(can)數,是臨界溫度和(hé)臨界壓力的函數(shu);α爲引力函數,是㊙️對(dui)比溫度和偏心因(yin)子的函數;b爲斥力(lì)函數。還需分析甲(jia)烷和氫氣在管道(dào)中♈氣體傳質規律(lǜ)，因此,開啓組分✌️輸(shū)運模型,如式(7)所示(shì):
 
　　式中:ρ爲密度,kg/m³;ci爲i組(zǔ)分的體積分數;t爲(wèi)時間,s;u爲速度,m/s;Di爲i組(zǔ)分的㊙️擴散系數,m²/s;Ri爲(wei)單位時間、體積下(xià)産生i組分的質量(liang)💋，kg/(m³.s)。
　　針對天然氣計量(liang),還需結合湍流方(fang)程。K-εRNG模型在湍流☁️模(mo)✍️拟✍️中得到👄了廣泛(fàn)的應用。與标準的(de)kε模型相比，K-εRNG模型在(zai)表征具有強流線(xian)曲率、渦旋方面都(dōu)有了顯著的改進(jìn)🈲15]。因此,本研究選擇(ze)kεRNG模型作爲湍流方(fang)程。
2.4邊界條件
　　選擇(zé)3MPa壓力邊界進行計(ji)算。模拟的邊界條(tiao)件爲:進口邊界條(tiao)⛷️件采用天然氣壓(yā)力,出口邊界條件(jian)采用天然氣出口(kǒu)♌流量。進口♋溫度設(she)置爲303.15K,流體介質采(cai)用甲烷和氫氣混(hun)合💃🏻物,并由💚軟件本(běn)身的數據庫确定(dìng)了其密度、黏度等(deng)參數♊。令x(CH4)和x(H2)分别爲(wèi)甲烷和氫氣摩爾(ěr)✏️分數,邊界條🔞件設(she)置見表㊙️1。
 
2.5有效性驗(yan)證
　　基于流體相似(si)原理,可利用Fluent計算(suan)在計量管内徑爲(wei)30mm,孔徑比爲0.42、0.59、0.65條件下(xia)水的流出系數，與(yǔ)實驗值進行對比(bi)，對本研究模🌈型有(you)效性進行驗證。驗(yàn)證結果如表2所列(lie)。
　　從表2可以看出,采(cǎi)用數值模拟方法(fa)計算出的流出系(xi)數與🛀🏻實驗值吻合(hé)較好,偏差不超過(guo)-3.50%。
 
3結果與讨論
3.1混氫(qing)量對差壓的影響(xiang)
　　以孔闆孔徑比爲(wei)0.38,x(H2)爲0.00、0.10、0.20、0.30爲例,Fluent仿真結果(guo)壓力雲圖見圖3。孔(kong)徑㊙️比爲0.38、0.50、0.58的标準孔(kong)闆的差壓随混氫(qīng)量的變化如圖4所(suo)示。
 
　　從圖4可以看出(chū),随着混氫量的增(zeng)加,流過标準孔闆(pan)的差壓🤟會逐步上(shang)升。從數值上看,孔(kǒng)徑比越小,差壓随(suí)混氫量的增加而(er)上升的幅度越明(ming)顯,這說明氫氣對(dui)孔闆的節⛹🏻‍♀️流效應(yīng)比較敏感
3.2混氫量(liang)對流速的影響
　　以(yǐ)孔闆孔徑比爲0.38,x(H2)爲(wèi)0.00、0.10、0.20和0.30爲例，Fluent仿真結果(guo)速度雲圖見圖🌈5。從(cong)🚶圖5可以👨‍❤️‍👨看出,随着(zhe)混氫量的增加,氣(qì)流流過孔闆後的(de)速度更大。圖6所示(shì)爲混氫量與輸送(sòng)速度的關系圖,從(cóng)圖中可看出,混氫(qing)量越高,流速越高(gao)。

　　因此,當天然氣管(guan)道中摻入氫氣後(hou)會導緻流量增㊙️大(da)。由于氫♻️氣🈲的發熱(rè)量小于甲烷,若仍(reng)然采用體積計量(liàng)進行貿易交接,這(zhè)将會對買方不利(li)。若采用質量計量(liàng)進行貿易交接,仍(réng)然不能合理🙇‍♀️體現(xian)摻氫天然氣的實(shi)用價值,對供方不(bu)利。因此,針對混氫(qing)天然‼️氣,建議采用(yòng)❗能量計量進行貿(mao)易交接。
 
3.3混氫量對(duì)流出系數的影響(xiang)
　　采用式(2)計算得到(dào)不同混氫量下的(de)流出系數,計算☂️結(jie)果見圖7。從圖7可以(yi)看出:孔徑比越大(da),流出系數越🔞大;在(zài)混氫量小于0.3時,混(hùn)氫量的變化幾乎(hu)不會對流出系數(shù)産生影響。
 
3.4混氫量(liang)對相對密度系數(shu)的影響
　　相對密度(du)系數變化與孔闆(pan)結構無關,僅與組(zu)分的變💛化有關🏃🏻,圖(tú)8所示爲相對密度(dù)系數随混氫量的(de)變化情況。從圖8可(ke)看出,混氫量的增(zeng)加會導緻相對密(mì)度系數👄上升,這♉是(shì)由于氫氣的㊙️摩爾(ěr)質量遠小于甲烷(wán),混氫量的增加會(huì)導緻其摩爾質量(liàng)下降,進而導緻相(xiang)對密度系數上升(shēng)。
 
3.5混氫量對可膨脹(zhàng)系數的影響
　　圖9所(suo)示爲可膨脹系數(shu)随混氫量的變化(hua)。從圖9可以看出,随(sui)着混氫量的增加(jiā)，會導緻可膨脹系(xì)數下降,在低☔孔徑(jìng)🐇比的情況下，其下(xià)降幅度要大于高(gao)孔徑比,但整體下(xià)降幅度較小
 
3.6混氫(qīng)量對超壓縮系數(shù)的影響
　　超壓縮系(xi)數是因天然氣特(te)性偏離理想氣體(ti)定律而🏒采用的修(xiū)正系數，其與孔闆(pan)結構無關。分析在(zai)303.15K,3MPa.5MPa和7MPa條件下的⁉️超壓(yā)⛱️縮系數随混氫量(liàng)的變化(見圖10)。從圖(tu)👄10可以看出，超壓縮(suo)系數随混氫🈲量的(de)增加而下降,壓力(li)越大,下降幅度越(yue)🔞大。
 
3.7混氫量對标準(zhǔn)孔闆流量計測量(liang)精度的影響
　　基于(yu)Fluent模拟結果,得到孔(kǒng)闆前後壓力、溫度(du)、黏度等參數,采用(yong)⁉️式(1)~式(5)計算得到的(de)流量作爲标準孔(kong)闆流量計測量流(liu)量,以邊界流量作(zuò)爲實際流量進行(háng)對比分析,分析結(jié)果見圖11。基于本研(yan)✨究建立的計算模(mó)型得到标準孔闆(pǎn)流量計的測量流(liu)量與管道截面的(de)📐實際流量之間的(de)測量誤差,其計算(suan)公式如式(8)所示。
 
　　式(shì)中:δ爲測量誤差,%;qbou爲(wei)實際流量,m³/s;qea爲測量(liang)流量(基于本🧑🏾‍🤝‍🧑🏼研究(jiū)建立的計算模型(xíng)通過Fluent模拟計算得(dé)到的标準孔闆流(liu)量🔞計流量),m2/s。
　　從圖11(a)可(ke)以看出随着混氫(qing)量的增加,标準孔(kǒng)闆流量計測量🤩流(liú)🐉量也會顯著增加(jiā)。從圖11(b)可以看出,标(biao)準孔闆流量計計(jì)量精度幾乎🐉不受(shou)混氫量變化的影(ying)響。
4結論
　　采用數值(zhi)模拟的方法,研究(jiu)了标準孔闆流量(liang)計應🤟用🌈于混氫天(tiān)然氣時的計量精(jing)度。研究了混氫量(liàng)對差壓、流速、流出(chu)系數、相對🔞密度系(xì)數、可膨脹系數和(he)超壓縮系數的影(ying)響,可得到以下結(jie)論。
 
(1)在壓力一定的(de)情況下,混氫量的(de)增加會導緻體積(jī)📞流🏃量測量🌈的流量(liang)值增大。因此,針對(dui)混氫天然氣,建議(yi)采❄️用能量計量進(jìn)行貿易交接。
(2)在壓(ya)力一定的情況下(xià),混氫量的增加會(hui)導緻差壓上升♌,導(dao)緻相對密度系數(shù)、可膨脹系數和超(chāo)壓縮系數下降,而(ér)流出💋系數幾乎不(bu)受氫氣含量變化(hua)的影響。
(3)将氫氣摻(chān)人天然氣管網,在(zài)氫氣摩爾分數小(xiǎo)于30%的情況下,氫✔️含(hán)量的變化不會對(dui)标準孔闆流量計(ji)精度産生明顯的(de)影響。

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