摘要:目的(de)将氫氣摻(chān)入天(tiān)然氣管道中會(huì)改變(biàn)管(guǎn)道内氣(qì)體的(de)性(xìng)質和流(liú)動狀态，可能會影(yǐng)響(xiǎng) 标準(zhǔn)孔闆(pǎn)流量計 計量精度,采(cǎi)用ansysyfluent對混氫(qīng)天然(rán)氣管道标(biāo)準孔(kǒng)闆流(liú)量計(jì) 進行适應性研究。方法(fǎ)比較了(le)不同混氫(qīng)量的(de)天然氣對(duì)流出(chū)系數、可膨(péng)脹系(xì)數、相(xiàng)對密度系(xì)數、超壓縮(suō)系數(shù)、流速及(jí)差壓的影響。結(jié)果在303.15k.3mpa,混(hùn)氫量爲0%~30%的條件(jiàn)下(xià),随着混氫量(liàng)的增加,會導緻(zhì)差壓上升;導緻(zhì)相對密(mì)度系數(shù)、可膨(péng)脹(zhàng)系數和(hé)超壓(yā)縮系(xì)數下(xià)降;導緻流速上升,使(shǐ)測量(liàng)流量(liàng)增加。結(jié)論由于(yú)氫氣(qì)的(de)發熱量(liàng)低于天(tiān)然氣,因(yīn)此，針對(duì)混(hùn)氫天(tiān)然氣(qì)，建議(yì)采用(yòng)能量計(jì)量。混氫天然(rán)氣不會對(duì)标準(zhǔn)孔闆流量(liàng)計精度産生(shēng)較(jiào)大影(yǐng)響(xiǎng)。
氫能是(shì)一-種綠色、低污染、可(kě)再(zài)生(shēng)的燃(rán)料，被認爲(wèi)是最有前途的化(huà)石(shí)燃料替代(dài)品之(zhī)一口。目前，利用(yòng)可再生能源電解(jiě)制氫,然後将(jiāng)氫氣按照一(yī)定比例(lì)摻人(rén)天然氣管道(dào)中進行(háng)輸送(sòng)是(shì)利用和(hé)運輸(shū)氫能的有(yǒu)效途(tú)徑[5。如ieaghgr&.d項目(mù)摻人(rén)天然(rán)氣管網中的氫氣摩爾分(fèn)數高達25%叫(jiào);ameland項目摻人天然(rán)氣管網(wǎng)中(zhōng)的氫氣摩爾分(fèn)數達到20%[1-8]。而摻氫天然(rán)氣計量技(jì)術是(shì)摻氫(qīng)天然氣産(chǎn)規模(mó)化(huà)和市(shì)場(chǎng)化的重要基礎(chǔ)。标準(zhǔn)孔闆(pǎn)流量(liàng)計由(yóu)于其設計簡單(dān)、成本低,仍(réng)然是石油與天然氣行業(yè)中使(shǐ)用廣泛(fàn)的流量(liàng)計。
　　由于(yú)氫氣和(hé)甲烷物性差異(yì)巨大(dà)，在标(biāo)況下(xià)其密(mì)度相(xiàng)差8倍(bèi)以上[1],而密度是影響标準(zhǔn)孔闆(pǎn)流量計結果的(de)重要因素[18]。當天(tiān)然氣(qì)中(zhōng)摻(chān)混氫(qīng)氣後，會(huì)導緻其(qí)密度、黏(nián)度、比熱(rè)容(róng)參數改變,進而影(yǐng)響(xiǎng)标準孔(kǒng)闆流量計(jì)計量(liàng)精度(dù)。dong等(děng)利用fluent分(fèn)析不(bú)同傾角孔(kǒng)闆在(zài)測量天然(rán)氣流量時對測量精(jīng)度(dù)的(de)影響;jin等利用fluent分(fèn)析得到在(zài)測量液氫(qīng)時(shí)不同孔闆結構對流(liú)出系數(shù)和壓力損(sǔn)失系數的影響;通過(guò)數值模拟技術(shù)得到在測量天(tiān)然氣(qì)流量時,流(liú)體相對(duì)密度變(biàn)化值對測量值(zhí)有較(jiào)大的(de)影響。
　　盡管前人已經(jīng)做了(le)很多研究,但目前對(duì)影響(xiǎng)測量精度的研究主要集(jí)中在孔闆結構(gòu)的變(biàn)化上,這将會(huì)增加流量計(jì)結構(gòu)的複雜(zá)性，而且在實(shí)際的(de)天然(rán)氣管道中不易(yì)使用。此外,所研(yán)究的結論(lùn)主要(yào)是對(duì)流(liú)出系數、差壓等的(de)影響,關于(yú)其他計量(liàng)所需參數(shù),如可(kě)膨脹系數、超壓(yā)縮系數、相(xiàng)對密(mì)度系(xì)數的影響(xiǎng)很少被研(yán)究。研究的(de)介(jiè)質主要(yào)是天然氣(qì)或者(zhě)液氫,關于混氫(qīng)天然氣的(de)情況很(hěn)少被研究。因(yīn)此,本研(yán)究主要(yào)分析(xī)天然(rán)氣管(guǎn)道中混人氫氣後對标準孔闆(pǎn)流量計測量精度的影(yǐng)響。
1标準(zhǔn)孔闆流量(liàng)計工(gōng)作原理(lǐ)
　　 标(biāo)準孔(kǒng)闆流量計以能量(liàng)守恒(héng)定律和(hé)流動連(lián)續(xù)性方程爲基礎,通過(guò)測量孔(kǒng)闆(pǎn)前後産生的靜壓力(lì)差來衡量(liàng)天然(rán)氣流(liú)過節流裝(zhuāng)置的流量大小”。工況(kuàng)條(tiáo)件下的(de)體積流量(liàng)一般用(yòng)流(liú)量(liàng)計測量(liàng),然後換算(suàn)成基本(标(biāo)準)條件下(xià)的體積作(zuò)爲天(tiān)然氣(qì)貿易(yì)交接(jiē)過(guò)程中的流量(liàng)8]。gb/t21446-2008《用标準孔闆流(liú)量計測量(liàng)天然(rán)氣流(liú)量》以293.15k.101.325kpa爲條(tiáo)件,得(dé)到标(biāo)準條(tiáo)件下天(tiān)然氣體(tǐ)積流量計(jì)算實(shí)用公(gōng)式，如式(1)所(suǒ)示:
 
　　式(shì)中(zhōng):qv。爲标準條件下(xià)天然氣(qì)體積流(liú)量,m³/s;avn爲體積流量系數，avn。=3.1795x10-6;c爲(wèi)流出系數;e爲漸進速度(dù)系(xì)數,e=1/(1-β)0.5;β爲(wèi)孔徑比,β=d/d;d爲(wèi)孔闆開孔(kǒng)直(zhí)徑,mm;d爲測(cè)量管内徑,mm;fc爲相對密度系(xì)數;ε爲可膨脹(zhàng)系數;fz爲超壓(yā)縮系數;fr爲(wèi)流動(dòng)溫度(dù)系數(shù);p1爲孔闆上遊取(qǔ)壓孔實測(cè)絕對(duì)壓力(lì),mpa;△p爲孔(kǒng)闆前後差(chà)壓,mpa。
流出系(xì)數c的(de)計算公式(shì)如式(2)~式(4)所(suǒ)示(shì)。
 
　　式(shì)中:red管徑爲(wèi)雷諾數;l1爲孔闆上遊(yóu)端面(miàn)到取壓孔(kǒng)軸(zhóu)線的距離除(chú)以測(cè)量管内徑得出的商(shāng);l2爲孔(kǒng)闆下(xià)遊(yóu)端面到(dào)取壓(yā)孔(kǒng)軸線的距離除(chú)以(yǐ)測量(liàng)管内徑得(dé)出的(de)商;m2爲變量(liàng);a爲變(biàn)量。
 
2數(shù)值(zhí)仿真模型建立及驗證(zhèng)
2.1孔闆結構
　　孔闆(pǎn)結構(gòu)示意圖(tú)如圖1所示。針對3種孔徑(jìng)比進行研(yán)究,孔(kǒng)闆幾(jǐ)何形(xíng)狀:孔(kǒng)闆厚度爲(wèi)3.8mm,孔闆開孔厚度(dù)爲0.8mm,上(shàng)遊管(guǎn)徑爲(wèi)150mm,孔闆(pǎn)孔(kǒng)徑分别(bié)爲57mm、75mm、87mm,孔徑比分别(bié)爲(wèi)0.38、0.50、0.58。本研究(jiū)選擇(zé)孔闆(pǎn)上遊直管段145d,下遊直管段10d,以獲得(dé)準确的模拟(nǐ)結果。
 
2.2計算(suàn)網格劃分
　　采用(yòng)ansys建立了(le)标準孔(kǒng)闆流(liú)量計的三維模型,利(lì)用六(liù)面體(tǐ)網格對網(wǎng)格進行劃(huà)分。在(zài)模拟中,整(zhěng)個幾何形(xíng)狀被分爲(wèi)3個區(qū)域:上遊、中(zhōng)心區(qū)域、下(xià)遊。上遊和下遊區域(yù)使用較(jiào)粗(cū)網格,中心區域采用(yòng)更密的.網格,以獲得壓力梯度(dù)。牆附近的(de)網格(gé)被細(xì)化,以滿(mǎn)足(zú)标準牆功(gōng)能的要求。管道模拟(nǐ)網格如(rú)圖(tú)2所示。進行了網格尺(chǐ)寸獨立性測試，用來(lái)數值(zhí)模拟(nǐ)結果(guǒ)與網格尺寸和網格質量(liàng)無關。以(yǐ)3mpa下(xià)氫氣(qì)摩爾分數(shù)分别(bié)爲0.0、0.4的(de)ch-h2混合(hé)物爲(wèi)例,采(cǎi)用(yòng)1267153、1893462、2637960、3439231個單元進行測試(shì)。網格(gé)數量從1893462增加到(dào)3439231時，網(wǎng)格(gé)數量對孔闆前後(hòu)的壓(yā)力的影響(xiǎng)已經很小(xiǎo)了。考慮網(wǎng)格的無關(guān)性和(hé)計算效(xiào)率，在以(yǐ)下模拟中(zhōng)采用(yòng)2637960個單元的網格(gé)。
 
2.3控制方程
　　假設(shè):實(shí)際流(liú)體(tǐ)在管(guǎn)道中做定常流(liú)運動(dòng);氣質(zhì)組分(fèn)爲甲烷和(hé)氫氣混合(hé)物(wù),且混合(hé)均勻(yún);流體(tǐ)在管(guǎn)道内與外界無(wú)熱量交換。因此(cǐ),除了滿(mǎn)足質量(liàng)、動量(liàng)和能量三(sān)大守(shǒu)恒方程外(wài)，還需滿(mǎn)足(zú)氣體狀态(tài)方(fāng)程。本研(yán)究使用srk狀态方程[21],如式(6)所(suǒ)示。
 
　　式(shì)中:p爲壓力，mpa;r爲氣(qì)體常數，8.314j/(mol·k);t爲(wèi)溫度(dù),k;v爲摩爾體(tǐ)積,m³/mol;αe。爲臨界(jiè)參數,是臨(lín)界溫度和臨界壓力(lì)的函數;α爲(wèi)引力函數,是(shì)對(duì)比溫(wēn)度和(hé)偏心因子的函數;b爲斥力(lì)函數。還需(xū)分析甲烷(wán)和氫(qīng)氣在(zài)管(guǎn)道中氣(qì)體傳質規(guī)律，因(yīn)此,開啓組(zǔ)分輸(shū)運模型,如式(7)所示:
 
　　式中:ρ爲密度(dù),kg/m³;ci爲i組分的體積分數;t爲(wèi)時(shí)間,s;u爲(wèi)速度,m/s;di爲(wèi)i組(zǔ)分的擴散(sàn)系數,m²/s;ri爲單(dān)位時(shí)間、體(tǐ)積下産生i組分的質(zhì)量，kg/(m³.s)。
　　針(zhēn)對天(tiān)然氣(qì)計量,還需結合(hé)湍流(liú)方程。k-εrng模型在湍流模拟中(zhōng)得到了廣泛的(de)應用。與(yǔ)标準的(de)kε模型相比(bǐ)，k-εrng模型在表征具有強(qiáng)流線曲率(lǜ)、渦旋(xuán)方面都有了顯(xiǎn)著的改進15]。因此,本研(yán)究(jiū)選擇kεrng模型作(zuò)爲湍(tuān)流方(fāng)程。
2.4邊(biān)界條(tiáo)件
　　選(xuǎn)擇3mpa壓力邊(biān)界(jiè)進行計算。模拟的(de)邊界條(tiáo)件(jiàn)爲:進(jìn)口邊(biān)界條(tiáo)件采用天然氣壓力(lì),出口(kǒu)邊界條件(jiàn)采用天然(rán)氣出口流(liú)量。進(jìn)口溫(wēn)度設置爲(wèi)303.15k,流體(tǐ)介質(zhì)采用甲烷(wán)和氫氣混(hùn)合物(wù),并由軟件本身(shēn)的數據庫(kù)确定(dìng)了其密(mì)度、黏度等參數(shù)。令(lìng)x(ch4)和x(h2)分(fèn)别爲(wèi)甲烷和氫(qīng)氣摩爾分數,邊(biān)界條(tiáo)件(jiàn)設置見表1。
 
2.5有(yǒu)效性驗證
　　基于流體相似(sì)原理,可利(lì)用fluent計(jì)算在計量(liàng)管内徑爲30mm,孔(kǒng)徑比爲(wèi)0.42、0.59、0.65條件下水的流出系數，與(yǔ)實驗(yàn)值進行對比，對(duì)本研究模(mó)型有(yǒu)效性進行驗證(zhèng)。驗證結(jié)果如表2所列(liè)。
　　從表2可以(yǐ)看出(chū),采用數值(zhí)模拟方法計算(suàn)出的流(liú)出(chū)系數與實(shí)驗值吻合(hé)較好,偏差(chà)不超過-3.50%。
 
3結果與讨論(lùn)
3.1混氫(qīng)量對差壓(yā)的影響(xiǎng)
　　以孔闆(pǎn)孔徑比爲(wèi)0.38,x(h2)爲0.00、0.10、0.20、0.30爲(wèi)例,fluent仿真結果壓(yā)力雲(yún)圖(tú)見圖(tú)3。孔(kǒng)徑比爲0.38、0.50、0.58的标準(zhǔn)孔闆(pǎn)的差(chà)壓随(suí)混氫(qīng)量的變化(huà)如圖(tú)4所示。
 
　　從圖(tú)4可以(yǐ)看出,随着(zhe)混氫(qīng)量的(de)增加(jiā),流過标(biāo)準孔闆(pǎn)的差(chà)壓會逐步上升(shēng)。從數值上(shàng)看,孔徑比越小,差壓(yā)随混氫量(liàng)的增加(jiā)而(ér)上升的幅度越明顯(xiǎn),這說明(míng)氫氣對(duì)孔闆的節流效應比較(jiào)敏(mǐn)感
3.2混(hùn)氫量對流(liú)速的(de)影響
　　以孔(kǒng)闆孔(kǒng)徑比(bǐ)爲0.38,x(h2)爲0.00、0.10、0.20和0.30爲(wèi)例，fluent仿真結果速度雲圖見圖5。從(cóng)圖5可以看出,随(suí)着混氫(qīng)量的增(zēng)加(jiā),氣(qì)流流(liú)過孔(kǒng)闆後的速度更(gèng)大。圖6所(suǒ)示(shì)爲混(hùn)氫量(liàng)與(yǔ)輸送速(sù)度的(de)關系圖,從圖(tú)中(zhōng)可看出,混(hùn)氫量越高(gāo),流速(sù)越高。

　　因此,當天然氣管道中摻入氫(qīng)氣後會導(dǎo)緻流量增大。由(yóu)于氫(qīng)氣的發熱(rè)量小(xiǎo)于(yú)甲烷,若(ruò)仍然采用(yòng)體積(jī)計量(liàng)進行貿易交接(jiē),這将會對(duì)買方(fāng)不利。若采用質(zhì)量計(jì)量進行貿易交(jiāo)接,仍(réng)然不(bú)能(néng)合理體(tǐ)現摻氫(qīng)天然氣(qì)的實用價值,對(duì)供方(fāng)不利。因此(cǐ),針對混氫(qīng)天然氣,建議采用能(néng)量(liàng)計量進(jìn)行貿(mào)易交接。
 
3.3混氫量(liàng)對流出系(xì)數的影響
　　采(cǎi)用式(2)計算得到不(bú)同混氫量下的(de)流出(chū)系數,計算結果(guǒ)見圖7。從圖7可以(yǐ)看出(chū):孔(kǒng)徑比越(yuè)大,流出(chū)系(xì)數越(yuè)大;在(zài)混氫量小(xiǎo)于0.3時,混氫(qīng)量的變化(huà)幾(jǐ)乎(hū)不會(huì)對流出系數産(chǎn)生影(yǐng)響。
 
3.4混氫量(liàng)對相(xiàng)對(duì)密度系數的(de)影響
　　相對密度系數變化(huà)與孔(kǒng)闆結構無關,僅(jǐn)與組(zǔ)分的變化(huà)有關,圖8所(suǒ)示爲相對(duì)密度(dù)系數(shù)随混氫量(liàng)的變(biàn)化(huà)情況。從(cóng)圖8可看出,混氫(qīng)量的增加(jiā)會導緻相(xiàng)對密度系(xì)數上升,這(zhè)是由(yóu)于氫(qīng)氣(qì)的摩爾(ěr)質量遠小于甲烷(wán),混氫量的增(zēng)加會導緻(zhì)其摩(mó)爾質量下(xià)降,進(jìn)而導緻相對密(mì)度系(xì)數上升。
 
3.5混(hùn)氫量(liàng)對(duì)可(kě)膨脹系數的影響
　　圖(tú)9所示爲可膨脹(zhàng)系數(shù)随混氫量的變化。從圖9可以看(kàn)出,随着混(hùn)氫量的(de)增(zēng)加(jiā)，會導緻(zhì)可膨(péng)脹系數下降(jiàng),在低孔徑比的情況下(xià)，其下(xià)降幅度要(yào)大于高孔徑比(bǐ),但整體(tǐ)下降幅度較(jiào)小
 
3.6混氫量(liàng)對超壓縮系數的影(yǐng)響
　　超壓縮(suō)系數是因天(tiān)然(rán)氣特(tè)性偏離理想氣體定律而(ér)采用(yòng)的修正系數，其與(yǔ)孔闆結(jié)構無關。分析在(zài)303.15k,3mpa.5mpa和7mpa條件下(xià)的超(chāo)壓縮系(xì)數(shù)随混(hùn)氫量的變(biàn)化(見圖10)。從圖(tú)10可以看(kàn)出，超壓縮系數(shù)随混氫量的增(zēng)加而(ér)下降,壓力(lì)越大(dà),下降幅度越大。
 
3.7混(hùn)氫量對(duì)标準(zhǔn)孔闆流量(liàng)計測量精(jīng)度的影響
　　基(jī)于fluent模拟(nǐ)結果,得到孔闆前後壓(yā)力、溫度(dù)、黏度等參數,采用式(shì)(1)~式(5)計算得(dé)到的流(liú)量作爲标準孔闆流量(liàng)計測量流量,以(yǐ)邊界流量作(zuò)爲(wèi)實際(jì)流量(liàng)進行(háng)對比分析(xī),分析(xī)結果見圖(tú)11。基于(yú)本(běn)研究(jiū)建立的(de)計算模型得到标準孔闆流量(liàng)計的測(cè)量流量與管(guǎn)道(dào)截面的實際流量之間(jiān)的測(cè)量誤(wù)差,其(qí)計算公(gōng)式(shì)如式(shì)(8)所示。
 
　　式(shì)中:δ爲測(cè)量誤(wù)差(chà),%;qbou爲(wèi)實際(jì)流量,m³/s;qea爲(wèi)測量流(liú)量(基于本研究(jiū)建立(lì)的計算模(mó)型通過fluent模拟計(jì)算得到的标準(zhǔn)孔闆流量(liàng)計流(liú)量),m2/s。
　　從圖11(a)可以看(kàn)出随(suí)着混(hùn)氫量的增加(jiā),标準孔(kǒng)闆流(liú)量(liàng)計測量(liàng)流量也會顯著(zhe)增加。從圖11(b)可以(yǐ)看出,标準(zhǔn)孔闆流量計計量精度幾(jǐ)乎不受混氫(qīng)量變化的影(yǐng)響。
4結論
　　采用數值模拟的(de)方法(fǎ),研究了(le)标(biāo)準孔(kǒng)闆流(liú)量計(jì)應用于混(hùn)氫天然氣(qì)時的計量(liàng)精度。研究了混(hùn)氫量(liàng)對差壓、流(liú)速、流出系數、相(xiàng)對密度系數、可(kě)膨脹(zhàng)系數和(hé)超(chāo)壓縮系數的影(yǐng)響,可(kě)得到以下結論(lùn)。
 
(1)在(zài)壓力(lì)一定(dìng)的(de)情況下,混氫量的增加(jiā)會(huì)導緻(zhì)體(tǐ)積流(liú)量測(cè)量的流量(liàng)值增大。因此,針(zhēn)對混(hùn)氫(qīng)天然氣,建議(yì)采用(yòng)能量計量進行貿易(yì)交接。
(2)在(zài)壓(yā)力一(yī)定的情況(kuàng)下,混(hùn)氫量的(de)增加會導緻差壓上升(shēng),導緻相對(duì)密度(dù)系數、可膨脹系(xì)數和(hé)超壓縮系數下降,而流出(chū)系數幾乎(hū)不受(shòu)氫氣(qì)含量變化(huà)的影響(xiǎng)。
(3)将(jiāng)氫(qīng)氣摻人天然氣管(guǎn)網,在氫氣摩爾(ěr)分數(shù)小于30%的情(qíng)況下,氫含(hán)量的(de)變化不會對标(biāo)準孔闆流量計(jì)精度産生明顯(xiǎn)的影(yǐng)響。

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