摘要(yào):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(zhi)和流動狀(zhuang)态，可能會(hui)影響 标準(zhǔn)孔闆流量(liang)計 計量精(jing)度,采用ANSYSYFluent對(dui)混氫天然(ran)氣管道标(biāo)準孔闆流(liú)量計 進行(hang)适應性研(yán)究。方法比(bi)較了不同(tong)混氫量的(de)天然氣對(duì)流出✏️系✂️數(shù)、可膨脹系(xi)數、相對密(mi)度系數、超(chao)壓縮系數(shù)、流速🈚及差(chà)🧡壓的影響(xiang)。結果在303.15K.3MPa,混(hun)氫量爲0%~30%的(de)條件下,随(sui)着混氫量(liang)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(he)超壓縮系(xì)數下降;導(dǎo)緻流速上(shang)升,使測量(liang)流量增加(jiā)。結論由于(yu)氫氣的發(fā)熱量♈低于(yú)天然氣,因(yin)此，針對混(hun)氫天然氣(qì)，建議采用(yong)能量計量(liang)。混氫天然(rán)氣不會對(duì)标準孔闆(pan)㊙️流量計精(jīng)度産生較(jiào)大影響。
氫(qīng)能是一-種(zhǒng)綠色、低污(wū)染、可再生(shēng)的燃料，被(bèi)認爲是☂️最(zuì)有前🐆途的(de)🥵化石燃料(liào)替代品之(zhī)一口。目前(qián)，利用可再(zai)生能源⁉️電(diàn)解制氫,然(ran)後将氫氣(qì)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(shū)氫能的有(yǒu)效途徑[5。如(rú)IEAGHGR&.D項目摻人(rén)天然氣管(guǎn)網中的氫(qīng)氣摩爾🌍分(fèn)數高達25%叫(jiào);AMeland項目摻人(ren)天然氣管(guan)網中的氫(qing)氣摩爾分(fen)數達到20%[1-8]。而(er)摻氫天然(ran)氣計量技(jì)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(pǎn)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(liang)計。
　　由于氫(qīng)氣和甲烷(wán)物性差異(yì)巨大，在标(biāo)況下其密(mi)度相差8倍(bei)以上😘[1],而密(mì)度是影響(xiang)标準孔闆(pǎn)流量計結(jié)果🈚的重🐅要(yao)因素[18]。當天(tiān)然氣中🚶‍♀️摻(chān)混氫氣後(hou)，會導緻其(qi)密度、黏度(du)、比熱容參(can)數改變,進(jìn)而影響标(biāo)準孔闆流(liú)量計計量(liang)精度。Dong等利(lì)用Fluent分析不(bu)同傾角孔(kong)闆在測量(liàng)天然氣流(liu)量時對測(ce)量精度🐅的(de)影響;Jin等利(lì)用Fluent分析得(dé)到在測量(liàng)液氫時不(bu)同孔闆結(jié)構🈲對流出(chu)系數和壓(yā)力損失系(xì)數的影響(xiang);通過數值(zhi)模拟技📞術(shu)得到在測(ce)量☔天然氣(qi)流量時,流(liú)體‼️相對密(mi)度變化值(zhí)對測量值(zhí)有較大的(de)影響。
　　盡管(guǎn)前人已經(jīng)做了很多(duō)研究,但目(mu)前對影響(xiang)測量精度(dù)的研究😘主(zhu)要集中在(zài)孔闆結構(gou)的變化上(shàng),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(guan)道中不易(yi)🔱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(ke)膨脹系數(shu)、超壓縮系(xì)♋數、相對密(mi)度系數的(de)影響很少(shǎo)被研究。研(yan)究的介質(zhì)主要是天(tian)然氣或者(zhe)液氫,關于(yu)混氫天然(ran)氣的情況(kuang)很少被研(yan)究。因此,本(ben)研究🔴主要(yào)分析天然(ran)氣管🛀道中(zhōng)混人氫氣(qì)後對标準(zhun)孔闆流量(liàng)計測量精(jīng)度的影響(xiǎng)。
1标準孔闆(pan)流量計工(gōng)作原理
　　 标(biao)準孔闆流(liu)量計以能(neng)量守恒定(dìng)律和流動(dòng)連續性方(fāng)程🔆爲✌️基礎(chu),通過測量(liang)孔闆前後(hou)産生的靜(jing)壓力差來(lái)衡量天然(rán)氣流過節(jie)流🥰裝置的(de)流量大小(xiǎo)”。工況條件(jiàn)下的體積(jī)流量一般(ban)用流量計(jì)測量,然後(hou)換算成基(ji)本(标準)條(tiáo)件下的體(ti)積作爲天(tian)然氣貿易(yi)交接過程(chéng)中的流量(liang)8]。GB/T21446-2008《用标準孔(kong)闆流量計(ji)測量天然(ran)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(liu)量計算♌實(shi)用公式，如(rú)式(1)所示:
 
　　式(shi)中:qV。爲标準(zhun)條件下天(tiān)然氣體積(ji)流量,m³/s;Avn爲體(tǐ)積流量系(xi)數，Avn。=3.1795X10-6;C爲🏃流出(chū)系數;E爲漸(jiàn)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(pan)開孔直徑(jing),mm;D爲測量管(guǎn)内徑,mm;Fc爲相(xiang)對密度系(xì)數;ε爲可膨(peng)脹系數;Fz爲(wèi)超🙇‍♀️壓縮系(xi)數;Fr爲流動(dong)溫度系數(shu);p1爲孔闆上(shàng)遊取壓孔(kǒng)實測絕對(dui)壓力,MPa;△p爲孔(kǒng)闆前後差(chà)壓,MPa。
流出系(xi)數C的計算(suan)公式如式(shì)(2)~式(4)所示。
 
　　式(shì)中:ReD管徑爲(wèi)雷諾數;L1爲(wei)孔闆上遊(yóu)端面到取(qǔ)壓孔軸線(xian)的🥵距離除(chu)以測量管(guan)内徑得出(chu)的商;L2爲孔(kǒng)闆下遊端(duān)面到取壓(yā)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(mó)型建立及(ji)驗證
2.1孔闆(pǎn)結構
　　孔闆(pǎn)結構示意(yi)圖如圖1所(suo)示。針對3種(zhong)孔徑比進(jin)行研究,孔(kong)闆幾何形(xing)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(bie)爲57mm、75mm、87mm,孔徑比(bi)分别爲0.38、0.50、0.58。本(ben)研究選擇(zé)孔闆上遊(yóu)直管段145D,下(xia)遊直管段(duan)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(lì)了标準孔(kǒng)闆流量計(ji)的三維模(mó)型,利用六(liù)面體網格(gé)對網格進(jìn)行劃分。在(zài)模拟中,整(zhěng)個幾何形(xíng)🍓狀被分爲(wèi)3個區域:上(shàng)遊、中心區(qu)域、下遊。上(shang)遊和下遊(yóu)區域使用(yòng)較粗網格(ge),中心區域(yù)采用更密(mi)的.網格,以(yǐ)獲得壓力(li)梯度。牆附(fu)近的網格(ge)被細化,以(yi)滿足标準(zhǔn)牆功能的(de)要求。管道(dao)模拟網格(ge)如圖2所🔞示(shì)。進行了網(wang)格尺寸獨(du)立性🍓測試(shì)，用來數值(zhí)🐆模拟結果(guo)與網格尺(chi)寸和網格(ge)質量無關(guan)。以3MPa下氫氣(qi)摩爾🐇分數(shu)分别爲0.0、0.4的(de)CH-H2混合物爲(wèi)例,采用1267153、1893462、2637960、3439231個(gè)單元進行(háng)測試。網格(gé)數量從1893462增(zēng)加到3439231時，網(wǎng)格數量對(dui)孔闆前後(hòu)的壓力的(de)影響已經(jing)很小了。考(kao)慮網格的(de)無關性和(he)計算效率(lü)，在以下模(mó)😄拟中采用(yòng)2637960個⁉️單元的(de)網格。
 
2.3控制(zhì)方程
　　假設(shè):實際流體(ti)在管道中(zhong)做定常流(liu)運動;氣質(zhì)組分爲甲(jiǎ)烷和氫✂️氣(qì)混合物,且(qie)混合均勻(yun);流體在管(guǎn)道内與外(wài)界無熱量(liang)交換。因此(cǐ),除了滿足(zú)質量、動量(liang)和能量三(san)大守恒方(fāng)程外，還需(xū)滿足氣體(ti)狀🍓态方程(cheng)。本研究使(shǐ)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(qì)體常數，8.314J/(mol·K);T爲(wei)溫度,K;V爲摩(mo)爾體積,m³/mol;αe。爲(wèi)臨界參數(shù),是臨界溫(wēn)度和臨界(jie)壓力的函(han)數;α爲引力(lì)函🐉數,是對(duì)比溫度和(hé)偏心因子(zǐ)的函數;b爲(wei)斥力函數(shù)。還需分析(xi)甲烷和氫(qīng)氣在管道(dào)中氣體傳(chuan)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(wèi)密度,kg/m³;ci爲i組(zu)分的體積(jī)分數;t爲時(shí)間,s;u爲速度(dù),m/s;Di爲👄i組分的(de)🙇‍♀️擴散系數(shù),m²/s;Ri爲單位時(shi)間、體積下(xià)産生i組分(fen)的質量，kg/(m³.s)。
　　針(zhen)對天然氣(qi)計量,還需(xū)結合湍流(liu)方程。K-εRNG模型(xing)在湍流模(mó)拟✉️中得到(dao)了廣泛的(de)應用。與标(biāo)準的kε模型(xing)相比，K-εRNG模型(xing)在表征具(jù)有強流線(xiàn)曲⭕率、渦旋(xuan)方面都有(yǒu)了顯著的(de)改進15]。因此(cǐ),本研究選(xuǎn)擇kεRNG模型🚶‍♀️作(zuò)爲湍流方(fang)程。
2.4邊界條(tiao)件
　　選擇3MPa壓(ya)力邊界進(jìn)行計算。模(mo)拟的邊界(jie)條件爲:進(jin)口邊界條(tiáo)💛件采用天(tian)然氣壓力(lì),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(yòng)甲烷和氫(qing)氣混合物(wù),并由軟件(jian)本身的數(shù)🚩據庫确定(ding)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(liang)管内徑爲(wèi)🔞30mm,孔✏️徑比爲(wei)0.42、0.59、0.65條件下水(shuǐ)的流出系(xi)數，與實驗(yan)值進行對(duì)比，對本研(yán)究模型有(yǒu)🈲效性進行(háng)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(zhí)模拟方法(fa)計算出的(de)流出系☀️數(shù)與實驗值(zhi)吻合較好(hao),偏差不超(chao)過-3.50%。
 
3結果與(yu)讨論
3.1混氫(qīng)量對差壓(ya)的影響
　　以(yǐ)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(pan)的差壓随(suí)混氫量的(de)變化如圖(tú)4所示。
 
　　從圖(tu)4可以看出(chū),随着混氫(qīng)量的增加(jiā),流過标準(zhǔn)孔闆的差(cha)壓會逐步(bu)上升。從數(shu)值上看,孔(kong)徑比越小(xiǎo),差壓随混(hun)氫量的增(zeng)加而上升(shēng)👨‍❤️‍👨的幅度越(yue)明顯,這說(shuo)明氫氣對(duì)孔闆的節(jiē)♈流效應比(bi)較敏感
3.2混(hun)氫量對流(liu)速的影響(xiang)
　　以孔闆孔(kǒng)徑比爲0.38,x(H2)爲(wei)0.00、0.10、0.20和0.30爲例，Fluent仿(pang)真結果速(su)度雲圖見(jian)🔞圖5。從圖💋5可(kě)以看出,随(sui)着混氫量(liang)的增加,氣(qì)流流過孔(kǒng)闆後的速(su)度更大。圖(tu)6所示爲混(hun)氫量與輸(shu)送速度的(de)關系圖,從(cong)圖中可看(kàn)出,混氫量(liàng)越高,流速(sù)越高。

　　因此(cǐ),當天然氣(qi)管道中摻(chān)入氫氣後(hòu)會導緻流(liú)量增大🐕。由(yóu)于氫氣的(de)發熱量小(xiǎo)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(cǎi)用質量計(jì)量進行貿(mao)📐易交接💛,仍(réng)然不🌐能合(hé)理體現摻(chan)氫天然氣(qi)的實用價(jia)值,對供方(fang)不利。因此(ci),針對🔴混氫(qīng)天然氣,建(jiàn)議采用能(néng)量計量進(jìn)行貿易交(jiao)接。
 
3.3混氫量(liàng)對流出系(xi)數的影響(xiǎng)
　　采用式(2)計(ji)算得到不(bú)同混氫量(liàng)下的流出(chu)系數,計算(suan)結❗果見圖(tú)7。從🍓圖7可以(yǐ)看出:孔徑(jing)比越大,流(liu)出系數越(yue)大;在混氫(qīng)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(chǎn)生影響。
 
3.4混(hùn)氫量對相(xiang)對密度系(xì)數的影響(xiang)
　　相對密度(dù)系數變化(hua)與孔闆結(jié)構無關,僅(jǐn)與組分的(de)㊙️變化有關(guan),圖8所示爲(wei)相對密度(dù)系數随混(hun)氫量的變(bian)🌍化情況。從(cong)圖8可♌看出(chu),混氫👄量的(de)增加會導(dao)緻相對密(mì)度系數上(shang)升,這是由(yóu)于氫氣的(de)摩爾質量(liang)遠小于甲(jia)烷,混氫量(liàng)的增加會(hui)⭐導緻其摩(mó)爾質量下(xia)降,進而導(dao)👅緻相對密(mi)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(liang)的增加，會(huì)導緻可膨(péng)脹系數下(xia)降🤩,在低✨孔(kong)徑比的情(qing)況下，其下(xià)降幅度要(yao)大于高孔(kǒng)徑比,但整(zhěng)體下降幅(fu)度較🔞小
 
3.6混(hùn)氫量對超(chao)壓縮系數(shu)的影響
　　超(chao)壓縮系數(shu)是因天然(rán)氣特性偏(piān)離理想氣(qì)體定律而(ér)采用的修(xiū)正系數，其(qí)與孔闆結(jie)構無關。分(fen)析在303.15K,3MPa.5MPa和7MPa條(tiao)件🙇🏻下的超(chāo)壓縮系數(shù)随混氫量(liang)的變化(見(jiàn)圖10)。從圖10可(kě)以看出，超(chao)壓縮系數(shu)随混氫量(liang)的增加而(ér)下降,壓🤟力(lì)越大,下降(jiàng)幅度越大(da)。
 
3.7混氫量對(dui)标準孔闆(pǎn)流量計測(ce)量精度的(de)影響
　　基于(yu)Fluent模拟結果(guo),得到孔闆(pǎn)前後壓力(li)、溫度、黏度(du)等參數💋,采(cai)用式(1)~式(5)計(ji)算得到的(de)流量作爲(wei)标準孔闆(pan)流量✔️計測(cè)量流🏃‍♂️量,以(yi)邊界流量(liàng)作爲實際(jì)流量進行(háng)對比🔴分析(xī),分析結果(guo)見圖11。基于(yu)本研究建(jiàn)立的計算(suàn)模型得到(dao)标準㊙️孔闆(pǎn)流量計的(de)測量流量(liàng)與管道截(jié)面的實際(jì)流量之間(jiān)的測量誤(wù)差,其計算(suan)公式如式(shì)(8)所示🔞。
 
　　式中(zhōng):δ爲測量誤(wu)差,%;qbou爲實際(jì)流量,m³/s;qea爲測(ce)量流量(基(jī)于本研究(jiū)㊙️建🎯立的計(ji)算模型通(tong)過Fluent模拟計(jì)算得到的(de)标準孔闆(pan)流量計流(liu)量),m2/s。
　　從圖11(a)可(kě)以看出随(sui)着混氫量(liàng)的增加,标(biao)準孔闆流(liú)量計🤞測量(liàng)流量也會(hui)顯著增加(jiā)。從圖11(b)可以(yi)看出,标準(zhǔn)孔闆流量(liàng)計🔞計量💃🏻精(jing)度幾乎🌈不(bú)受混氫量(liàng)變化的影(ying)響。
4結論
　　采(cai)用數值模(mó)拟的方法(fa),研究了标(biāo)準孔闆流(liu)量計應用(yòng)于混氫天(tiān)然氣時的(de)計量精度(dù)。研究了混(hun)氫量對差(chà)壓、流速、流(liú)出系數✍️、相(xiàng)對密度系(xì)數、可膨脹(zhang)系數和超(chāo)壓縮系數(shù)的☂️影響,可(ke)得到以下(xià)結論。
 
(1)在(zài)壓力一定(dìng)的情況下(xia),混氫量的(de)增加會導(dǎo)緻體積💞流(liu)量💋測量的(de)流量值增(zeng)大。因此,針(zhēn)對混氫天(tian)然氣,建💯議(yì)采用能量(liang)計量進行(hang)貿🔞易交接(jie)。
(2)在壓力一(yi)定的情況(kuàng)下,混氫量(liang)的增加會(hui)導緻差壓(ya)上升,導緻(zhi)相對密度(dù)系數、可膨(péng)脹系數和(he)超壓縮系(xì)數下⁉️降,而(er)流出系數(shu)幾乎不受(shòu)氫氣含量(liàng)變化的影(ying)響。
(3)将氫氣(qi)摻人天然(ran)氣管網,在(zai)氫氣摩爾(ěr)分數小于(yu)30%的情況下(xia),氫含量的(de)變化不會(hui)對标準孔(kǒng)闆流量計(ji)精度産生(shēng)明🏃顯的🍉影(ying)響。

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