摘要(yao):目的将氫(qīng)氣摻入天(tian)然氣管道(dào)中會改變(bian)管道内氣(qi)體的性質(zhì)和流動狀(zhuang)态，可能會(huì)影響 标準(zhun)孔闆流量(liàng)計 計量精(jīng)度,采用ANSYSYFluent對(duì)混氫天然(ran)氣管道标(biao)準孔闆流(liu)量計 進行(hang)适應性研(yán)究。方法比(bǐ)較了不同(tóng)混氫量的(de)天然🍓氣對(duì)流出㊙️系❗數(shù)、可膨脹系(xì)數、相對密(mi)度系數、超(chāo)壓縮系數(shu)♋、流速及差(cha)壓的影響(xiang)。結果在303.15K.3MPa,混(hun)氫量爲0%~30%的(de)條件💜下,随(suí)着混氫量(liang)的增加,會(huì)導緻差壓(ya)上🔴升;導緻(zhi)相對❗密度(dù)系數、可膨(peng)脹系數和(he)超壓縮系(xì)數下🌈降;導(dao)緻流速上(shàng)升,使測量(liàng)流量增加(jia)。結論由于(yu)氫氣的發(fa)熱量低于(yu)天然氣,因(yīn)此，針對混(hùn)氫天然氣(qi)，建議采用(yong)能量🎯計量(liàng)。混氫天然(rán)氣不會對(dui)标準孔闆(pan)流量計精(jīng)度産生較(jiào)大影響。
氫(qing)能是一-種(zhong)綠色、低污(wu)染、可再生(shēng)的燃料，被(bèi)認爲是最(zui)有前途的(de)化石燃料(liao)替代品之(zhi)一口。目前(qian)，利用可再(zài)生能源電(dian)解制氫,然(rán)後将氫氣(qi)按照一定(dìng)比例摻人(ren)天然氣管(guǎn)道中進行(hang)輸送是利(li)用和運輸(shu)氫能的有(yǒu)效途徑👈[5。如(rú)IEAGHGR&.D項目摻人(ren)天然氣管(guan)網中的氫(qīng)氣摩爾分(fen)數高達25%叫(jiao)⚽;AMeland項目摻人(ren)天然氣管(guǎn)網中🐉的氫(qing)氣摩爾分(fen)數達到20%[1-8]。而(er)摻氫天然(rán)氣計量技(ji)術是摻氫(qing)天✌️然氣産(chan)規模化和(he)市場化的(de)重要基礎(chǔ)。标準孔闆(pan)流量計由(yóu)于其設計(ji)簡單、成本(běn)低,仍然是(shi)石油與天(tian)然氣行💯業(ye)中使用廣(guǎng)泛的流量(liàng)計。
　　由于氫(qīng)氣和甲烷(wan)物性差異(yi)巨大，在标(biāo)況下其密(mi)度相♉差8倍(bèi)以上🧑🏽‍🤝‍🧑🏻[1],而密(mì)度是影響(xiǎng)标準孔闆(pan)流量計結(jié)果的重要(yào)因素[18]。當💞天(tian)然氣中摻(chān)混氫氣後(hòu)，會導緻其(qi)密度、黏度(du)📐、比熱容參(cān)數改變,進(jìn)而🈲影響标(biao)準孔闆流(liu)量計計量(liang)精度。Dong等利(lì)用Fluent分析不(bú)同傾角孔(kong)闆在測量(liàng)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(bú)同孔闆結(jie)構對流出(chū)系數和壓(ya)力損失系(xi)數的影響(xiang);通過數值(zhí)模拟技術(shù)得到在測(cè)量💁天然氣(qì)流量時,流(liu)體相對密(mi)度變化值(zhi)對🤩測量值(zhí)有📧較大的(de)影響。
　　盡管(guan)前人已經(jing)做了很多(duō)研究,但目(mù)前對影響(xiǎng)測量精度(dù)的研究主(zhu)要集中在(zai)孔闆結構(gòu)的變化上(shang),這将會增(zeng)加流量計(ji)結構的複(fú)雜性，而且(qie)在實際的(de)天然氣管(guǎn)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(yā)等的影響(xiang),關于其他(ta)計量😘所需(xū)參數,如可(kě)膨脹系數(shu)、超壓縮系(xi)數、相對密(mì)度系數的(de)影響很少(shǎo)被研究。研(yán)究的介質(zhì)主要是天(tiān)然氣或者(zhe)液氫,關于(yu)混氫天然(ran)氣的情況(kuàng)很少被研(yán)究。因此,本(ben)研究主👉要(yào)分析天然(ran)氣管道中(zhōng)混人氫氣(qi)後❓對标準(zhǔn)孔闆流量(liang)計測💘量精(jing)度的影響(xiang)。
1标準孔闆(pan)流量計工(gong)作原理
　　 标(biao)準孔闆流(liu)量計以能(neng)量守恒定(ding)律和流動(dong)連續性方(fang)程爲基礎(chǔ),通過測量(liàng)孔闆前後(hòu)産生的靜(jìng)壓力差✏️來(lái)衡量天然(rán)氣流過節(jiē)流🧑🏽‍🤝‍🧑🏻裝置的(de)流量大小(xiao)”。工況條件(jian)下的🌍體積(ji)流量一般(ban)🏃🏻‍♂️用流量計(jì)測量,然後(hou)換算成基(jī)本(标準)條(tiáo)件下的體(tǐ)積作爲天(tiān)然氣貿易(yì)交接過程(chéng)中的流量(liàng)8]。GB/T21446-2008《用标準孔(kǒng)闆流量計(jì)測量天然(rán)氣流量👣》以(yǐ)293.15K.101.325kPa爲條件,得(dé)到🐪标準條(tiáo)件下天然(ran)氣體積流(liú)量計算實(shi)用公式🧑🏾‍🤝‍🧑🏼，如(rú)式(1)所示:
 
　　式(shì)中:qV。爲标準(zhun)條件下天(tiān)然氣體積(ji)流量,m³/s;Avn爲體(ti)積流量系(xì)數，Avn。=3.1795X10-6;C爲流🈚出(chu)系數;E爲漸(jian)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(jìng),mm;D爲測量管(guǎn)内徑,mm;Fc爲相(xiàng)對密度系(xi)數;ε爲可🧡膨(péng)脹系數;Fz爲(wèi)超🔞壓縮系(xi)數;Fr爲流動(dòng)溫度系數(shù);p1爲孔闆上(shang)遊取壓🐕孔(kong)實測絕對(duì)壓力,MPa;△p爲🔞孔(kǒng)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(wèi)雷諾數;L1爲(wèi)孔闆上遊(you)端面到取(qu)壓孔軸線(xian)⛱️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(duān)面到取壓(ya)孔軸線的(de)距離除以(yǐ)測量管内(nèi)徑得出的(de)商;M2爲變量(liàng);A爲變量。
 
2數(shù)值仿真模(mo)型建立及(ji)驗證
2.1孔闆(pǎn)結構
　　孔闆(pan)結構示意(yì)圖如圖1所(suo)示。針對3種(zhong)孔徑比進(jìn)行研💰究,孔(kong)闆幾何形(xíng)狀:孔闆厚(hòu)度爲3.8mm,孔闆(pan)開孔厚度(dù)爲0.8mm,上遊管(guǎn)徑爲150mm,孔闆(pan)✂️孔徑🌈分别(bié)爲57mm、75mm、87mm,孔徑比(bǐ)分别爲0.38、0.50、0.58。本(běn)研究選擇(zé)孔闆上遊(yóu)直管段145D,下(xià)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(li)了标準孔(kong)闆流量計(jì)的三維模(mó)型,利用六(liù)面體網格(gé)💞對網格進(jìn)行劃分。在(zai)模拟中,整(zhěng)個幾何形(xíng)狀被分爲(wei)3個區域:上(shang)遊、中心區(qū)域、下遊。上(shàng)遊和下遊(you)區域使用(yong)較粗❓網格(gé),中心區域(yu)采用更🌂密(mi)的.網格,以(yǐ)獲得壓力(li)梯度。牆附(fù)近的網格(ge)🔆被細化,以(yi)♻️滿足标準(zhǔn)牆功能的(de)要求。管道(dào)模拟網格(ge)如圖2所示(shi)。進行了網(wǎng)格尺寸獨(du)立♍性測試(shi)，用來數值(zhi)模拟結果(guǒ)與網格尺(chi)🔞寸和網格(ge)質量無關(guān)。以3MPa下氫氣(qì)摩爾🌈分數(shù)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(ge)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(jīng)💋很小了。考(kǎo)慮網格的(de)無關性和(hé)計算效率(lǜ)，在以下模(mó)拟中采用(yòng)2637960個單元的(de)網格⭐。
 
2.3控制(zhi)方程
　　假設(she):實際流體(tǐ)在管道中(zhong)做定常流(liú)運動;氣質(zhì)組分爲✉️甲(jiǎ)♉烷和氫氣(qi)混合物,且(qiě)混合均勻(yún);流體在管(guan)道内與外(wài)界無熱量(liàng)交換。因此(ci)🌈,除了滿足(zú)質量、動量(liang)和能量三(san)大守恒方(fang)程外，還需(xu)滿足氣體(tǐ)狀态方程(cheng)。本研究使(shi)用SRK狀态方(fāng)程[21],如式(6)所(suo)示。
 
　　式中:p爲(wei)壓力，MPa;R爲氣(qi)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(shu),是臨界溫(wēn)度和臨界(jiè)壓力的函(hán)數;α爲引力(li)函數,是🌐對(duì)比溫度🏃‍♀️和(he)偏心因子(zǐ)的函數;b爲(wèi)斥力函數(shu)。還需分析(xi)甲烷和氫(qīng)氣在管道(dào)中氣體傳(chuán)質規律，因(yīn)此🔞,開啓組(zu)分輸運模(mó)型🚩,如式(7)所(suo)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(shi)間,s;u爲速度(dù),m/s;Di爲i組分的(de)擴散系數(shu),m²/s;Ri爲單位時(shi)間、體積下(xia)産生i組分(fèn)的質量，kg/(m³.s)。
　　針(zhēn)對天然氣(qi)計量,還需(xu)結合湍流(liu)方程。K-εRNG模型(xíng)在湍流模(mó)拟中🧡得到(dào)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻了廣泛的(de)應用。與标(biāo)準的kε模型(xíng)相比，K-εRNG模型(xing)在表征💘具(ju)有強流線(xian)曲👌率、渦旋(xuan)方面都有(yǒu)了顯著的(de)改進💯15]。因此(ci),本♊研究選(xuan)❌擇kεRNG模型作(zuò)爲湍流方(fāng)程。
2.4邊界條(tiáo)件
　　選擇3MPa壓(ya)力邊界進(jin)行計算。模(mó)拟的邊界(jiè)條件爲:進(jìn)口邊界條(tiáo)件采㊙️用天(tiān)然氣壓力(li),出口邊界(jiè)條件采用(yòng)天然氣出(chu)口流量。進(jìn)口🌈溫度設(shè)置爲303.15K,流體(tǐ)介質采用(yong)甲烷和氫(qing)氣混合物(wù),并由🤩軟件(jian)本身的數(shù)據庫确定(dìng)了其密度(du)、黏度等參(can)數。令x(CH4)和x(H2)分(fèn)别爲甲烷(wán)和氫氣摩(mó)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(liàng)管内徑爲(wèi)30mm,孔徑比爲(wèi)0.42、0.59、0.65條件下水(shui)的流出系(xì)數，與實驗(yàn)值進行對(dui)比，對本研(yán)究模型有(you)效性進行(hang)驗證。驗證(zhèng)結果如表(biao)🚩2所列。
　　從表(biǎo)2可以看出(chu),采用數值(zhi)模拟方法(fa)計算出的(de)流出🍉系數(shu)與實驗值(zhi)吻合較好(hao),偏差不超(chao)過-3.50%。
 
3結果與(yǔ)讨論
3.1混氫(qing)量對差壓(ya)的影響
　　以(yi)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(jié)果壓力雲(yún)圖見圖3。孔(kǒng)😄徑比爲0.38、0.50、0.58的(de)标準孔闆(pǎn)的差壓随(suí)混氫量的(de)變化如✉️圖(tu)4所示。
 
　　從圖(tu)4可以看出(chū),随着混氫(qing)量的增加(jiā),流過标準(zhǔn)孔闆的差(cha)壓會☁️逐☔步(bù)上升。從數(shu)值上看,孔(kǒng)徑比越小(xiǎo),差壓随混(hùn)❄️氫量的增(zeng)加而‼️上升(sheng)的幅度越(yuè)明顯,這說(shuo)明氫氣對(duì)孔闆的節(jie)流效應比(bi)較敏感
3.2混(hùn)氫量對流(liú)速的影響(xiǎng)
　　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(pang)真結果速(sù)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(su)度更大。圖(tú)🤩6所示✔️爲混(hùn)氫量與輸(shu)送速度的(de)關系圖,從(cóng)圖中♋可看(kan)出,混氫量(liàng)越高,流速(sù)越高。

　　因此(ci),當天然氣(qi)管道中摻(chan)入氫氣後(hou)會導緻流(liú)量增大。由(you)于氫氣🌏的(de)發熱量小(xiao)于甲烷,若(ruò)仍然采用(yòng)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(mao)易交接,仍(reng)然不👈能合(hé)理🔞體現摻(chan)氫天🤩然氣(qì)的實用價(jià)值,對👨‍❤️‍👨供方(fāng)不利。因此(ci),針對混氫(qīng)天然氣,建(jiàn)議采用能(neng)量計量進(jìn)🔴行貿易交(jiāo)接。
 
3.3混氫量(liàng)對流出系(xì)數的影響(xiang)
　　采用式(2)計(jì)算得到不(bu)同混氫量(liang)下的流出(chu)系數,計算(suan)結果見圖(tú)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(qing)量小🎯于0.3時(shí),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(hùn)氫量對相(xiàng)對密度系(xi)數的影響(xiang)
　　相對密度(dù)系數變化(huà)與孔闆結(jié)構無關,僅(jǐn)與組分的(de)變化有關(guān)♈,圖8所示爲(wèi)相對密度(du)系數随混(hun)氫量的變(bian)化情況。從(cóng)圖8可看出(chū),混氫量的(de)增加會導(dǎo)緻相對密(mi)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼度系數上(shang)升,這是由(you)于氫氣的(de)摩爾質🐕量(liang)遠小于甲(jiǎ)烷,混氫量(liàng)的增加會(hui)導緻其摩(mo)爾質量下(xia)降,進而導(dao)📧緻相對密(mì)度系數上(shang)升。
 
3.5混氫量(liang)對可膨脹(zhang)系數的影(ying)響
　　圖9所示(shì)爲可膨脹(zhang)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(liàng)的增加，會(hui)導緻可膨(peng)脹系數下(xià)降,在低🚩孔(kǒng)徑比的情(qíng)況下，其下(xia)降幅度要(yào)大于高孔(kong)徑比,但整(zhěng)✌️體下降🈲幅(fu)度較小
 
3.6混(hun)氫量對超(chao)壓縮系數(shu)的影響
　　超(chao)壓縮系數(shu)是因天然(ran)氣特性偏(pian)離理想氣(qì)體定律而(ér)采用的修(xiu)正系數，其(qí)與孔闆結(jié)構無關。分(fen)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(ke)以看🏃出，超(chāo)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(yú)Fluent模拟結果(guǒ),得到孔闆(pǎn)前後壓力(lì)、溫度、黏度(dù)等參數,采(cǎi)用式🐆(1)~式(5)計(jì)算得到的(de)流量作爲(wei)标準孔闆(pǎn)流量計測(cè)量流量,以(yǐ)邊界流量(liang)作爲實際(jì)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(jian)立🍉的計算(suan)模型得到(dào)标準孔闆(pan)流量計的(de)測量流量(liàng)與管道截(jie)面的實際(ji)流量之💛間(jiān)的測量誤(wù)差,其計算(suàn)公式如式(shì)(8)所示🈲。
 
　　式中(zhong):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(jì)算模型通(tong)過Fluent模拟計(ji)算得到的(de)标準孔闆(pǎn)流量計流(liu)量),m2/s。
　　從圖11(a)可(ke)以看出随(sui)着混氫量(liàng)的增加,标(biao)準孔闆流(liu)量計測量(liàng)流量也會(huì)顯著增加(jiā)。從圖11(b)可以(yi)看出,标準(zhun)孔闆流量(liang)計計量精(jīng)度幾乎❗不(bu)受混氫量(liàng)變化的影(yǐng)響。
4結論
　　采(cai)用數值模(mó)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(chà)壓、流速、流(liu)出系數、相(xiang)對密度系(xì)數、可膨脹(zhàng)系數和超(chao)壓縮系數(shù)的影響,可(ke)得到以下(xia)結論。
 
(1)在(zai)壓力一定(dìng)的情況下(xia),混氫量的(de)增加會導(dao)緻體積流(liu)🈲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(liàng)計量進行(háng)貿易交接(jiē)。
(2)在壓力一(yi)定的情況(kuàng)下,混氫量(liàng)的增加會(hui)導緻差壓(yā)上升,導緻(zhi)相對密度(du)系數、可膨(peng)脹系數和(hé)超壓縮系(xì)數下降,而(ér)💁流出系數(shù)幾乎不受(shou)氫氣含量(liàng)變化的影(ying)💯響。
(3)将氫氣(qì)摻人天然(ran)氣管網,在(zài)氫氣摩爾(er)分數小于(yú)30%的情❌況🐅下(xià),氫含🈲量的(de)變化不會(huì)對标準孔(kong)闆流量計(jì)精度産🐉生(shēng)明💔顯的影(yǐng)響。

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