摘要(yao):目的将氫氣摻(chan)入天然氣管道(dào)中會改變管道(dao)内氣體的🛀🏻性質(zhì)和流動狀态，可(ke)能會影響 标準(zhun)孔闆流量計 計(ji)量精度,采用ANSYSYFluent對(dui)混氫天然氣管(guǎn)道标準孔闆流(liú)量計 進行适應(yīng)性研究。方法比(bǐ)較了不同混氫(qing)量的天然⭐氣對(duì)流出🍉系數、可膨(peng)脹系數、相對密(mì)度系數、超壓縮(suo)系數、流速及差(chà)壓的影響。結果(guo)在303.15K.3MPa,混氫量爲0%~30%的(de)條件下,随着混(hùn)氫量🔴的增加,會(hui)導緻差壓上升(sheng);導緻相對密度(du)系數🧑🏽‍🤝‍🧑🏻、可膨脹系(xì)數和超壓㊙️縮系(xì)數下♍降;導緻流(liu)速上升,使測量(liang)流量增加。結論(lun)由于氫氣的發(fā)熱量低于天然(ran)氣,因此，針對混(hun)氫天然氣，建議(yi)采用能量計量(liang)。混氫天然氣不(bu)會對标準孔闆(pǎn)流量計精度産(chan)生較大影響。
氫(qing)能是一-種綠色(se)、低污染、可再生(sheng)的燃料，被認爲(wei)是最有前途的(de)化石燃料替代(dài)品之一口。目前(qián)，利用可再生能(neng)源電解制氫,然(ran)後将氫氣按照(zhào)一定比例摻人(ren)天然👨‍❤️‍👨氣管道中(zhong)進行輸送是利(lì)用和🤩運輸氫能(néng)的🔞有效途徑[5。如(rú)IEAGHGR&.D項目摻人天然(ran)氣管網中的氫(qīng)氣摩爾分數高(gāo)達25%叫🐇;AMeland項目摻人(rén)天🌏然氣管網中(zhong)的氫氣摩爾分(fèn)數達到20%[1-8]。而😄摻氫(qīng)天然氣計量技(ji)術是摻氫天然(rán)氣💁産規模化和(he)市場化的重要(yào)基礎。标準孔闆(pǎn)流量計由于其(qí)設計簡單、成本(ben)低,仍然是石油(yóu)與🔞天然氣行🈲業(yè)中使用廣泛的(de)流量🍉計。
　　由于氫(qing)氣和甲烷物性(xing)差異巨大，在标(biāo)況下其密度相(xiàng)差8倍🌈以上[1],而密(mì)度是影響标準(zhǔn)孔闆流量計結(jie)果的重👌要因素(sù)[18]。當天然氣中摻(chan)混氫氣後，會導(dǎo)緻其密♍度、黏度(dù)📱、比熱容🏃參數改(gǎi)變,進而影響标(biao)準孔闆流量🎯計(jì)計量精度。Dong等利(lì)用✂️Fluent分析不同傾(qing)角孔闆在測量(liàng)天然氣流量時(shi)對測量精度💯的(de)影響;Jin等利用Fluent分(fen)析得到在測量(liàng)液氫時🐇不同孔(kǒng)闆結構對流出(chū)系數和壓力損(sun)失系數🔞的影響(xiǎng);通過數值模拟(nǐ)技👅術得到在測(cè)量天然氣流量(liang)時,流體相對密(mì)度變化值對測(ce)量值有較大的(de)影響。
　　盡管前人(rén)已經做了很多(duo)研究,但目前對(duì)影響測量😄精度(du)的研究🔴主要集(ji)中在孔闆結構(gòu)的變化上,這将(jiang)會增💯加流🐕量計(ji)♊結構的複雜性(xìng)，而且在實際的(de)天然氣管道中(zhōng)不易使用。此外(wai),所研🏒究的結論(lùn)主要是對‼️流出(chū)系數、差壓等的(de)影響,關于其他(tā)計量所需參數(shu),如可膨脹系數(shù)、超壓縮系數、相(xiang)對密度系數的(de)影響❌很少被研(yan)究。研究的介質(zhi)主要是天然氣(qì)或者液氫🧡,關于(yú)混氫天然氣的(de)情況很少被研(yán)究。因此,本研究(jiū)主要分析天然(ran)氣管道中混人(ren)氫氣後對标準(zhǔn)孔闆流量計測(cè)量精度的影✔️響(xiǎng)。
1标準孔闆流量(liàng)計工作原理
　　 标(biao)準孔闆流量計(jì)以能量守恒定(dìng)律和流動連續(xu)性方❌程爲基礎(chǔ),通過測量孔闆(pan)前後産生的靜(jìng)壓力差來衡🙇🏻量(liàng)天然氣流過節(jiē)流裝置的流量(liàng)大小”。工況條件(jiàn)下的🆚體積流量(liàng)一般🌂用流量💃計(ji)測量🥰,然後換算(suàn)成基本(标準)條(tiáo)件下的體積作(zuò)爲天然氣貿易(yi)交接過程中的(de)流量8]。GB/T21446-2008《用标準孔(kǒng)闆流量計測量(liàng)天然氣流量🛀》以(yi)293.15K.101.325kPa爲條件,得到标(biao)準條件下天🚶然(ran)氣體積流量計(jì)算實用公式，如(ru)式(1)所示:
 
　　式中:qV。爲(wei)标準條件下天(tiān)然氣體積流量(liang),m³/s;Avn爲體積流量系(xì)數♈，Avn。=3.1795X10-6;C爲流出系數(shu);E爲漸進速度系(xì)數,E=1/(1-β)0.5;β爲孔徑比,β=d/D;d爲(wei)孔闆開💃孔直💛徑(jing),mm;D爲測量管内徑(jing),mm;Fc爲相對密度系(xì)數;ε爲可膨脹系(xi)數;Fz爲超👅壓縮系(xì)數;Fr爲流動溫度(dù)系數;p1爲孔闆🌂上(shàng)遊取壓孔實測(cè)絕✂️對壓力,MPa;△p爲孔(kong)闆前後♉差壓,MPa。
流(liú)出系數C的計算(suan)公式如式(2)~式(4)所(suǒ)示。
 
　　式中:ReD管徑爲(wèi)雷諾數;L1爲孔闆(pan)上遊端面到取(qǔ)壓孔軸線的距(jù)離除以測量管(guǎn)内徑得出的商(shang);L2爲孔闆下遊🙇‍♀️端(duan)面🚶到取壓孔軸(zhóu)線🤟的距離除以(yǐ)測量管内徑得(de)出㊙️的商;M2爲變量(liang);A爲變量。
 
2數值仿(pang)真模型建立及(jí)驗證
2.1孔闆結構(gou)
　　孔闆結構示意(yì)圖如圖1所示。針(zhēn)對3種孔徑比進(jìn)行研究,孔闆幾(ji)何形狀:孔闆厚(hòu)度爲3.8mm,孔闆開孔(kǒng)厚度爲0.8mm,上遊管(guan)徑爲150mm,孔闆孔徑(jing)分别爲57mm、75mm、87mm,孔徑比(bǐ)分别爲0.38、0.50、0.58。本研究(jiū)選擇孔闆上遊(you)直管段145D,下遊直(zhí)管段10D,以獲得準(zhun)确的模拟結果(guo)。
 
2.2計算網格劃分(fèn)
　　采用ANSYS建立了标(biāo)準孔闆流量計(jì)的三維模型,利(li)用六面體網🏃‍♂️格(ge)對♉網格進行劃(huà)分。在模拟中,整(zhěng)個幾何形狀被(bei)❤️分爲3個區域:上(shàng)遊、中心區域、下(xia)遊。上遊和下遊(yóu)區域使用較粗(cū)網格,中心區域(yù)采用更密的.網(wǎng)格,以獲得壓力(li)梯度。牆附🧑🏾‍🤝‍🧑🏼近的(de)網格🚩被細化,以(yi)❄️滿足标準牆功(gōng)能的要求。管道(dào)模拟網格如圖(tú)2所示。進行了網(wang)格尺寸獨立性(xìng)測試，用來數值(zhi)模拟結果與網(wǎng)格尺寸和網格(ge)質量無關。以3MPa下(xià)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻氫氣摩爾👨‍❤️‍👨分數(shu)分别爲0.0、0.4的CH-H2混合(hé)物爲例,采用1267153、1893462、2637960、3439231個(ge)單元進行測試(shì)。網格數量從1893462增(zeng)加到3439231時，網格數(shu)量對孔闆前後(hòu)的壓力的影響(xiǎng)已經🏃很小了。考(kǎo)慮網格的無關(guān)性和計算效率(lü)，在以下模🈲拟中(zhōng)采用2637960個單元的(de)網格。
 
2.3控制方程(cheng)
　　假設:實際流體(tǐ)在管道中做定(dìng)常流運動;氣質(zhi)組分爲甲烷和(he)氫氣混合物,且(qiě)混合均勻;流體(ti)在管道内🛀與外(wài)界無🥵熱量交換(huàn)。因此,除了滿足(zú)質量、動量和能(néng)⭐量三大守恒方(fāng)程外，還✏️需滿足(zú)氣體狀态方程(chéng)。本研究使用SRK狀(zhuàng)态方程[21],如式(6)所(suo)示。
 
　　式中:p爲壓力(li)，MPa;R爲氣體常數，8.314J/(mol·K);T爲(wèi)溫度,K;V爲摩爾體(ti)積,m³/mol;αe。爲臨界參🛀數(shù),是臨界溫度和(hé)臨界壓力的函(han)數;α爲引力函㊙️數(shù),是對比溫度和(hé)偏心因子的函(han)數;b爲斥力函數(shu)。還需分析⛷️甲烷(wan)和氫氣在管道(dào)中氣體傳質規(guī)律，因此,開啓組(zu)分♈輸運模型,如(rú)式(7)所示:
 
　　式中:ρ爲(wei)密度,kg/m³;ci爲i組分的(de)體積分數;t爲時(shi)間,s;u爲速度,m/s;Di爲i組(zǔ)分的⚽擴散系數(shù),m²/s;Ri爲單位時間、體(ti)積下産生i組分(fèn)的㊙️質量，kg/(m³.s)。
　　針對天(tian)然氣計量,還需(xū)結合湍流方程(chéng)。K-εRNG模型在湍流模(mó)拟中得到了廣(guang)泛的應用。與标(biāo)準的kε模型相比(bi)，K-εRNG模型在表征具(jù)有強流🍓線曲率(lü)、渦旋方面都有(you)了顯著的改進(jin)🏃15]。因此,本研究選(xuan)💞擇kεRNG模型作爲湍(tuān)流方程。
2.4邊界條(tiao)件
　　選擇3MPa壓力邊(biān)界進行計算。模(mo)拟的邊界條件(jiàn)爲:進口邊界條(tiao)件采用天然氣(qì)壓力,出口邊界(jiè)條件采用天然(rán)氣出口流量。進(jin)口溫度設置爲(wei)303.15K,流體介質采用(yong)甲烷和氫㊙️氣混(hùn)合物,并由軟件(jiàn)本身的數據庫(ku)确定了其密度(du)、黏👌度等參數。令(lìng)x(CH4)和x(H2)分别🔴爲甲烷(wán)和💛氫氣摩爾分(fen)數,邊界條件設(she)置見表1。
 
2.5有效性(xing)驗證
　　基于流體(ti)相似原理,可利(lì)用Fluent計算在計量(liàng)管内徑爲30mm,孔徑(jing)比♍爲0.42、0.59、0.65條件下水(shui)的流出系數，與(yǔ)實驗值進行對(duì)🏃🏻‍♂️比，對☔本研究模(mo)型有效性進行(háng)驗證。驗證結果(guo)如表2所列。
　　從表(biao)2可以看出,采用(yòng)數值模拟方法(fǎ)計算出的流出(chu)❓系數與🏃實驗值(zhi)吻合較好,偏差(chà)不超過-3.50%。
 
3結果與(yu)讨論
3.1混氫量對(duì)差壓的影響
　　以(yǐ)孔闆孔徑比爲(wèi)0.38,x(H2)爲0.00、0.10、0.20、0.30爲例,Fluent仿真結(jie)果壓力雲圖見(jian)圖3。孔徑🙇‍♀️比爲0.38、0.50、0.58的(de)标準孔闆的差(chà)壓随混氫量的(de)變化如圖4所示(shi)。
 
　　從圖4可以看出(chu),随着混氫量的(de)增加,流過标準(zhun)孔闆的差⭕壓會(huì)逐步上升。從數(shù)值上看,孔徑比(bi)越小,差壓随混(hun)氫量🧑🏾‍🤝‍🧑🏼的增🌈加而(ér)上升的幅度越(yue)明顯,這說明氫(qīng)氣對孔闆的節(jie)流效應比較敏(min)感
3.2混氫量對流(liu)速的影響
　　以孔(kong)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(jié)果速度雲圖見(jiàn)❓圖5。從圖5可以💜看(kan)出,随着混氫量(liàng)的增加,氣流流(liú)過孔闆後的速(sù)度更大。圖6所示(shi)爲混氫量與輸(shū)送速度的關系(xi)圖,從圖中可看(kan)出,混氫量越高(gāo),流速越高。

　　因此(cǐ),當天然氣管道(dao)中摻入氫氣後(hou)會導緻流量增(zeng)大。由🔞于氫氣💃🏻的(de)發熱量小于甲(jiǎ)烷,若仍然采用(yòng)體積🈲計量進行(háng)貿易交接,這将(jiāng)會對買方不利(lì)。若采用質量計(ji)量進行貿易交(jiao)接,仍然不能合(hé)理🧑🏾‍🤝‍🧑🏼體現摻氫天(tian)然氣的實用價(jià)值,對供方不利(lì)。因此,針對混氫(qing)天然氣,建議采(cǎi)用😄能量計量進(jin)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼行貿易交接。
 
3.3混(hun)氫量對流出系(xi)數的影響
　　采用(yong)式(2)計算得到不(bu)同混氫量下的(de)流出系數,計算(suàn)結💃果見👨‍❤️‍👨圖㊙️7。從圖(tu)7可以看出:孔徑(jìng)比越大,流出系(xì)數越🎯大;在混氫(qing)量小于0.3時,混氫(qīng)量的變化幾乎(hū)不會對流出系(xì)數産生影響。
 
3.4混(hùn)氫量對相對密(mi)度系數的影響(xiang)
　　相對密度系數(shù)變化與孔闆結(jie)構無關,僅與組(zu)分的變化有關(guān),圖👈8所示爲相對(dui)密度系數随混(hun)氫量的變化情(qíng)況。從圖8可看出(chū),混氫🐕量的增加(jiā)會導緻相對密(mi)⛷️度系數上升,這(zhe)是由于氫氣的(de)摩爾質🏒量遠小(xiao)于甲烷,混氫量(liang)的增加會導緻(zhi)其摩爾質量下(xià)降,進而導緻相(xiang)對密度系數上(shàng)升。
 
3.5混氫量對可(ke)膨脹系數的影(ying)響
　　圖9所示爲可(ke)膨脹系數随混(hùn)氫量的變化。從(cong)圖9可以㊙️看出,随(sui)着混氫量的增(zeng)加，會導緻可膨(peng)脹系數下降🧑🏽‍🤝‍🧑🏻,在(zai)低孔徑比的情(qíng)況下，其下降幅(fu)度要大于高孔(kǒng)徑比,但整體下(xia)降幅度較小
 
3.6混(hun)氫量對超壓縮(suo)系數的影響
　　超(chao)壓縮系數是因(yīn)天然氣特性偏(pian)離理想氣體定(dìng)律而采用的⛹🏻‍♀️修(xiu)正系數，其與孔(kong)闆結構無關。分(fèn)析在303.15K,3MPa.5MPa和7MPa條件下(xia)的超壓縮系數(shù)随混氫量的變(biàn)化(見圖10)。從圖🤞10可(ke)以看出，超壓縮(suō)系數💞随混氫量(liàng)的增加而下降(jiang),壓🐅力越大,下降(jiàng)幅度越大。
 
3.7混氫(qīng)量對标準孔闆(pan)流量計測量精(jing)度的影響
　　基于(yu)Fluent模拟結果,得到(dao)孔闆前後壓力(li)、溫度、黏度等參(cān)數,采用🔆式(1)~式(5)計(jì)算得到的流量(liang)作爲标準孔闆(pan)流量計測量流(liu)量,以邊界流量(liang)🔆作爲實際流量(liàng)進行對比分析(xi),分析結果見圖(tu)11。基💰于本研究建(jiàn)立的計算模型(xíng)得到标準孔闆(pan)流量計的測量(liàng)流量與管道截(jié)面的🍓實際流量(liàng)之間的測量誤(wu)差,其計算公式(shi)如式(8)所示。
 
　　式中(zhōng):δ爲測量誤差,%;qbou爲(wei)實際流量,m³/s;qea爲測(cè)量流量(基于本(ben)研究建立的☀️計(jì)算模型通過Fluent模(mó)拟計算得到的(de)标準孔闆⚽流量(liang)計流量),m2/s。
　　從圖11(a)可(ke)以看出随着混(hun)氫量的增加,标(biao)準孔闆流量計(ji)測🧡量流量也會(huì)顯著增加。從圖(tú)11(b)可以看出,标準(zhǔn)孔闆流量計計(jì)量精度幾乎不(bú)受混氫量變化(hua)的影響。
4結論
　　采(cǎi)用數值模拟的(de)方法,研究了标(biao)準孔闆流量計(jì)應用于㊙️混氫天(tian)❗然氣時的計量(liàng)精度。研究了混(hun)氫量對差壓、流(liu)速、流出系數、相(xiang)對密度系數、可(kě)膨脹系數和超(chao)壓縮系數的影(ying)響,可♍得到以下(xià)結論。
 
(1)在(zài)壓力一定的情(qing)況下,混氫量的(de)增加會導緻體(ti)積流♋量測量的(de)流量值增大。因(yin)此,針對混氫天(tiān)然氣,建✔️議采用(yòng)能量計☂️量進行(hang)貿易交接。
(2)在壓(yā)力一定的情況(kuàng)下,混氫量的增(zeng)加會導緻差壓(ya)上🐉升🥵,導緻✔️相對(duì)密度系數、可膨(péng)脹系數和超壓(yā)縮系數下降,而(ér)❄️流出系數⭕幾乎(hu)💋不受氫氣含量(liàng)變化的影響。
(3)将(jiang)氫氣摻人天然(ran)氣管網,在氫氣(qi)摩爾分數小于(yú)30%的情況下,氫含(hán)🤟量的變化不會(hui)對标準孔闆流(liu)量計精度産生(shēng)明♊顯的🚶‍♀️影響⭕。

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