摘要(yao):目的将(jiang)氫氣摻(chan)入天然(rán)氣管道(dào)中會改(gai)變管道(dao)内氣♊體(ti)的性質(zhì)和流動(dòng)狀态，可(kě)能會影(ying)響 标準(zhun)孔闆流(liu)量計 計(jì)量精度(dù),采用ANSYSYFluent對(duì)混氫天(tiān)然氣管(guǎn)道标準(zhun)孔闆流(liú)量計 進(jin)行适應(yīng)性研究(jiu)。方法比(bǐ)較了不(bú)同混氫(qīng)量的天(tiān)然🔞氣對(dui)流出🔅系(xi)數、可膨(péng)脹系數(shù)、相對密(mi)度系數(shu)、超壓縮(suo)系數、流(liu)速及差(cha)壓的影(yǐng)響。結果(guo)在303.15K.3MPa,混氫(qīng)量爲0%~30%的(de)條件下(xià),随着混(hun)氫量的(de)增加💋,會(hui)導緻差(cha)壓上🧑🏽‍🤝‍🧑🏻升(sheng);導緻相(xiang)對密度(du)系數、可(ke)膨脹系(xi)❄️數和超(chao)壓縮系(xi)數下降(jiang);導緻流(liú)✂️速上升(sheng),使測量(liang)流量增(zēng)加☂️。結論(lun)由于氫(qīng)氣的發(fa)熱量低(dī)于天然(ran)氣,因此(cǐ)，針對混(hun)氫天然(rán)氣，建議(yi)采用能(néng)量計量(liang)。混氫🔞天(tian)然氣不(bu)會對标(biāo)準孔闆(pǎn)🌈流量計(jì)精度産(chǎn)生較大(da)影響。
氫(qīng)能是一(yī)-種綠色(se)、低污染(rǎn)、可再生(shēng)的燃料(liào)，被認爲(wei)是最有(you)前途的(de)化石燃(rán)料替代(dai)品之一(yī)口。目前(qián)，利用可(ke)再生能(néng)源電解(jie)制氫,然(rán)後将氫(qīng)氣按照(zhào)一定比(bi)例摻人(ren)天然氣(qi)管道中(zhōng)進行輸(shū)送是利(li)用和運(yùn)輸氫能(neng)的有效(xiào)途徑[5。如(rú)IEAGHGR&.D項目摻(chan)人天然(rán)氣管網(wang)中的氫(qīng)氣摩爾(er)分數高(gao)達25%叫;AMeland項(xiang)目摻人(rén)天然氣(qì)管網中(zhōng)的氫氣(qì)摩爾分(fèn)數達到(dao)20%[1-8]。而摻氫(qīng)天然氣(qi)計量技(ji)術是摻(chan)氫天然(ran)氣産規(gui)模化✨和(hé)市場化(huà)的重要(yào)基礎。标(biāo)準孔闆(pan)流量計(jì)由于其(qi)設計簡(jiǎn)單、成💃本(běn)低,仍然(rán)是石油(you)與天然(rán)氣行業(yè)中使用(yong)廣泛的(de)流量計(ji)。
　　由于氫(qing)氣和甲(jia)烷物性(xìng)差異巨(jù)大，在标(biao)況下其(qi)密度相(xiàng)👅差8倍以(yi)上❄️[1],而密(mi)度是影(yǐng)響标準(zhǔn)孔闆流(liú)量計結(jie)果的重(zhong)要因素(sù)[18]。當天然(ran)氣中🔞摻(chān)混氫氣(qì)後，會導(dǎo)緻其密(mi)📞度、黏度(dù)、比熱容(róng)參數改(gǎi)變,進而(er)影響标(biao)😄準孔闆(pan)流量計(jì)計量精(jīng)度。Dong等利(lì)用Fluent分析(xī)不同傾(qing)角孔闆(pǎn)🚩在測量(liang)天然氣(qì)流量時(shí)對測量(liàng)精度的(de)影響;Jin等(deng)利用Fluent分(fen)析得到(dao)在測量(liàng)液氫💘時(shi)不同孔(kǒng)闆結構(gòu)對流出(chū)系數和(he)❄️壓力損(sǔn)失系數(shù)的影響(xiang);通過數(shu)值模拟(ni)技♈術得(de)到在測(ce)量❤️天然(ran)氣流量(liang)時,流體(tǐ)相對密(mì)度變化(hua)值對測(cè)量值有(you)較大的(de)影響。
　　盡(jin)管前人(rén)已經做(zuo)了很多(duō)研究,但(dan)目前對(dui)影響測(ce)量精度(dù)的研🛀🏻究(jiu)主要集(ji)中在孔(kong)闆結構(gou)的變化(huà)上,這将(jiāng)會增加(jiā)流😘量計(jì)🌐結構的(de)複雜性(xing)，而且在(zai)實際的(de)天然氣(qi)管道中(zhong)不易使(shǐ)用。此外(wài),所研究(jiu)的結論(lùn)主要是(shì)對流出(chū)系數、差(chà)壓等的(de)影響,關(guān)于其他(tā)計量🚶所(suǒ)需參數(shù),如可膨(péng)脹系❓數(shu)、超壓縮(suo)系數、相(xiang)對密度(dù)系數的(de)影響很(hen)少被研(yan)究。研究(jiu)的介質(zhi)主要是(shì)天然氣(qì)或者液(yè)氫,關于(yu)混氫天(tiān)然氣♈的(de)情況很(hen)少被研(yán)究。因此(cǐ),本研究(jiū)💘主要分(fen)析天然(rán)氣管🍓道(dao)中混人(rén)氫氣後(hòu)對标準(zhun)孔闆流(liu)量計測(cè)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼量精度(du)的影⛷️響(xiǎng)。
1标準孔(kong)闆流量(liang)計工作(zuo)原理
　　 标(biāo)準孔闆(pǎn)流量計(jì)以能量(liàng)守恒定(ding)律和流(liú)動連續(xù)性方程(chéng)爲♈基礎(chu),通過測(ce)量孔闆(pǎn)前後産(chǎn)生的靜(jing)壓力差(cha)來衡🔞量(liàng)天然氣(qì)流過🈲節(jiē)流裝置(zhi)的流量(liang)大小”。工(gong)況條件(jian)下的體(tǐ)積流量(liang)一般用(yong)流量計(ji)測量,然(rán)後換算(suan)成基本(ben)(标準)條(tiao)件下的(de)✔️體積作(zuò)爲天然(rán)氣貿🔞易(yì)交接過(guo)💛程中的(de)流量8]。GB/T21446-2008《用(yòng)标準孔(kong)闆流量(liàng)計測量(liang)天然氣(qi)流量》以(yi)293.15K.101.325kPa爲條件(jian),得到标(biāo)準條件(jiàn)下天然(ran)氣體積(ji)流量💯計(jì)算實用(yong)公式，如(ru)式(1)所🈲示(shi):
 
　　式中:qV。爲(wèi)标準條(tiáo)件下天(tiān)然氣體(ti)積流量(liàng),m³/s;Avn爲體積(jī)流量系(xì)數，Avn。=3.1795X10-6;C爲♊流(liú)出🥰系數(shù);E爲漸進(jìn)速度系(xì)數,E=1/(1-β)0.5;β爲孔(kong)徑比,β=d/D;d爲(wei)孔闆開(kāi)孔直徑(jìng),mm;D爲測量(liàng)管内徑(jìng),mm;Fc爲相對(dui)密度系(xi)數;ε爲可(ke)🏃膨脹系(xì)數;Fz爲超(chāo)壓縮系(xì)數;Fr爲流(liu)動溫度(du)系數;p1爲(wei)孔闆上(shàng)遊取壓(yā)🏃‍♀️孔實測(cè)絕對壓(ya)力,MPa;△p爲孔(kǒng)闆前後(hou)差壓,MPa。
流(liú)出系數(shù)C的計算(suàn)公式如(rú)式(2)~式(4)所(suǒ)示。
 
　　式中(zhōng):ReD管徑爲(wèi)雷諾數(shu);L1爲孔闆(pan)上遊端(duan)面到取(qǔ)壓孔軸(zhou)線❤️的距(jù)離除以(yǐ)測量管(guǎn)内徑得(de)出的商(shāng);L2爲孔闆(pǎn)下遊端(duān)面到取(qǔ)壓孔軸(zhou)線的距(jù)離除以(yǐ)測量管(guan)内徑得(dé)出的商(shāng);M2爲變量(liang);A爲變量(liang)。
 
2數值仿(páng)真模型(xíng)建立及(jí)驗證
2.1孔(kǒng)闆結構(gou)
　　孔闆結(jié)構示意(yi)圖如圖(tu)1所示。針(zhen)對3種孔(kǒng)徑比進(jìn)行研究(jiu)🌈,孔闆幾(jǐ)何形狀(zhuang):孔闆厚(hòu)度爲3.8mm,孔(kǒng)闆開孔(kǒng)厚度爲(wei)0.8mm,上遊管(guan)徑爲150mm,孔(kǒng)闆孔徑(jìng)分别爲(wei)57mm、75mm、87mm,孔徑比(bǐ)分别爲(wei)0.38、0.50、0.58。本研究(jiu)選擇孔(kong)闆上遊(yóu)直管段(duàn)145D,下遊直(zhí)🔅管段10D,以(yi)獲得準(zhǔn)确的模(mó)拟結果(guǒ)。
 
2.2計算網(wang)格劃分(fen)
　　采用ANSYS建(jiàn)立了标(biāo)準孔闆(pan)流量計(ji)的三維(wéi)模型,利(lì)用六面(miàn)♉體網格(gé)對網格(ge)進行劃(huà)分。在模(mo)拟中,整(zhěng)個幾何(he)形狀被(bèi)分爲3個(ge)區域:上(shàng)遊、中心(xīn)區域、下(xià)遊。上遊(yóu)和下遊(yóu)😘區域使(shǐ)用較粗(cū)網格,中(zhōng)心區域(yù)采用更(geng)密的.網(wǎng)格,以獲(huo)得壓力(lì)梯度。牆(qiáng)附近的(de)網格被(bèi)細化,以(yi)滿足标(biāo)準👣牆功(gōng)能的要(yào)求。管道(dao)模拟網(wang)格如圖(tu)2所示。進(jin)行了網(wǎng)格尺寸(cùn)獨立性(xing)測試，用(yong)來數值(zhí)模拟結(jié)果與網(wang)格尺💔寸(cùn)和網格(ge)質量無(wú)關。以3MPa下(xià)氫氣摩(mo)爾分數(shu)分别爲(wei)0.0、0.4的CH-H2混合(he)物爲例(lì),采用1267153、1893462、2637960、3439231個(ge)單元進(jin)行測試(shi)。網格⛷️數(shu)量從1893462增(zēng)😍加到3439231時(shí)，網格數(shù)量對孔(kong)闆前後(hòu)的壓力(lì)的影響(xiang)已經✌️很(hěn)小了。考(kao)慮網格(ge)的無關(guan)性和計(jì)算效率(lü)，在以下(xia)模拟中(zhong)采用2637960個(ge)單元的(de)網格。
 
2.3控(kong)制方程(cheng)
　　假設:實(shí)際流體(ti)在管道(dao)中做定(dìng)常流運(yùn)動;氣質(zhì)組分爲(wei)甲烷和(he)🈲氫氣混(hùn)合物,且(qiě)混合均(jun1)勻;流體(ti)在管道(dao)内與外(wài)界無熱(rè)量交換(huàn)。因此,除(chu)了滿足(zu)質量、動(dong)量和能(neng)量三大(dà)守恒方(fang)程外，還(hái)✊需滿足(zú)氣體狀(zhuàng)态方程(chéng)。本研究(jiu)使用SRK狀(zhuang)态方程(cheng)[21],如式(6)所(suǒ)示。
 
　　式中(zhong):p爲壓力(lì)，MPa;R爲氣體(ti)常數，8.314J/(mol·K);T爲(wèi)溫度,K;V爲(wèi)摩爾體(tǐ)積,m³/mol;αe。爲臨(lin)🏃🏻‍♂️界參數(shù),是臨🔞界(jiè)溫度和(he)臨界壓(yā)力的函(han)數;α爲引(yin)力函數(shu),是對比(bi)溫度和(hé)偏心因(yin)子的函(han)數;b爲斥(chì)力函數(shù)。還需分(fen)析甲烷(wan)和氫氣(qì)在管道(dào)中氣體(ti)傳質規(guī)律，因此(ci),開啓組(zu)分輸運(yun)模型,如(ru)式(7)所示(shì):
 
　　式中:ρ爲(wèi)密度,kg/m³;ci爲(wei)i組分的(de)體積分(fen)數;t爲時(shí)間,s;u爲速(sù)度,m/s;Di爲i組(zǔ)分的擴(kuo)❗散❌系數(shù),m²/s;Ri爲單位(wei)時間、體(ti)積下産(chan)生i組分(fen)的👣質量(liàng)，kg/(m³.s)。
　　針對天(tiān)然氣計(jì)量,還需(xu)結合湍(tuan)流方程(chéng)。K-εRNG模型在(zai)湍流模(mo)🌂拟中得(de)到了廣(guang)泛的應(yīng)用。與标(biao)準的kε模(mó)型相比(bi)，K-εRNG模型在(zài)表征具(jù)有強流(liu)線曲率(lü)、渦旋方(fāng)面都有(you)了顯著(zhe)❓的改進(jìn)㊙️15]。因此,本(ben)研究選(xuan)✊擇kεRNG模型(xing)作爲湍(tuan)流方程(chéng)。
2.4邊界條(tiao)件
　　選擇(ze)3MPa壓力邊(biān)界進行(háng)計算。模(mo)拟的邊(biān)界條件(jiàn)爲:進口(kǒu)邊界條(tiáo)件采用(yòng)天然氣(qi)壓力,出(chū)口邊界(jie)條件采(cai)用天然(ran)氣出口(kǒu)流量⭕。進(jin)口✔️溫度(du)設置爲(wèi)303.15K,流體介(jie)質采用(yòng)甲❌烷和(hé)氫氣混(hùn)合物,并(bing)由軟件(jiàn)本🐅身的(de)數據庫(ku)确定了(le)其密度(du)、黏度等(děng)參數。令(lìng)x(CH4)和x(H2)分别(bié)✂️爲甲烷(wán)和氫氣(qì)摩爾分(fèn)數,邊界(jiè)條件設(she)置見表(biǎo)1。
 
2.5有效性(xing)驗證
　　基(ji)于流體(ti)相似原(yuan)理,可利(lì)用Fluent計算(suàn)在計量(liang)管内徑(jing)爲30mm,孔徑(jing)比爲0.42、0.59、0.65條(tiao)㊙️件下水(shui)的流出(chu)系數，與(yǔ)實驗值(zhi)進行對(dui)比，對本(ben)研究模(mo)型有🔞效(xiào)性進行(hang)驗證。驗(yàn)證結果(guo)如表2所(suǒ)列。
　　從表(biao)2可以看(kàn)出,采用(yòng)數值模(mo)拟方法(fǎ)計算出(chu)的流出(chū)系數與(yu)實驗值(zhí)吻合較(jiao)好,偏差(cha)不超過(guo)-3.50%。
 
3結果與(yu)讨論
3.1混(hun)氫量對(duì)差壓的(de)影響
　　以(yǐ)孔闆孔(kǒng)徑比爲(wèi)0.38,x(H2)爲0.00、0.10、0.20、0.30爲例(li),Fluent仿真結(jie)果壓力(lì)雲圖見(jian)圖3。孔🌏徑(jìng)比爲💚0.38、0.50、0.58的(de)标準孔(kong)闆的差(cha)壓随混(hun)氫量的(de)變化如(ru)圖4所示(shì)。
 
　　從圖4可(kě)以看出(chu),随着混(hùn)氫量的(de)增加,流(liu)過标準(zhǔn)孔闆的(de)差壓會(huì)逐步上(shàng)升。從數(shu)值上看(kan),孔徑比(bi)越小,差(cha)壓随混(hun)🌐氫量的(de)增加而(ér)上升的(de)幅度越(yuè)明顯,這(zhe)說明氫(qīng)氣對孔(kong)闆的節(jiē)流效應(yīng)比較敏(mǐn)感
3.2混氫(qing)量對流(liú)速的影(ying)響
　　以孔(kong)闆孔徑(jìng)比爲0.38,x(H2)爲(wèi)0.00、0.10、0.20和0.30爲例(lì)，Fluent仿真結(jié)果速度(dù)雲圖見(jian)💰圖👅5。從圖(tú)5可以看(kàn)出,随着(zhe)混氫量(liàng)的增加(jiā),氣流流(liú)過孔闆(pan)後的速(su)度更大(dà)。圖6所示(shì)爲混氫(qīng)量與輸(shu)送速度(du)的關系(xi)圖❤️,從圖(tu)中可看(kàn)出,混氫(qing)量越高(gao),流速越(yuè)高。

　　因此(ci),當天然(ran)氣管道(dao)中摻入(rù)氫氣後(hòu)會導緻(zhi)流量增(zeng)大。由于(yú)氫氣的(de)發熱量(liàng)小于甲(jia)烷,若仍(reng)然采用(yong)體積計(ji)量進行(hang)貿易交(jiāo)接,這将(jiāng)會對買(mai)方不利(li)。若采用(yong)質💋量計(jì)量進行(háng)貿易交(jiāo)接,仍然(rán)不能合(he)理體現(xian)摻氫天(tian)⚽然氣的(de)實用價(jia)值,對供(gòng)方不利(li)。因此,針(zhēn)對混氫(qīng)天然✊氣(qì),建議采(cai)用㊙️能量(liang)計量進(jin)行貿易(yì)交接。
 
3.3混(hun)氫量對(dui)流出系(xi)數的影(ying)響
　　采用(yòng)式(2)計算(suàn)得到不(bú)同混氫(qīng)量下的(de)流出系(xì)數,計算(suàn)✌️結果見(jian)圖7。從圖(tu)7可以看(kàn)出:孔徑(jìng)比越大(da),流出系(xi)數越大(da);在混氫(qīng)量小🌈于(yú)0.3時,混氫(qīng)量的變(biàn)化幾乎(hū)不會對(dui)流出系(xì)數産生(sheng)影響。
 
3.4混(hun)氫量對(duì)相對密(mi)度系數(shu)的影響(xiǎng)
　　相對密(mì)度系數(shù)變化與(yu)孔闆結(jie)構無關(guān),僅與組(zǔ)分的變(bian)化有關(guān),圖🌍8所示(shi)爲相對(dui)密度系(xi)數随混(hun)氫量的(de)變化情(qing)況。從圖(tú)8可看出(chu),混氫量(liang)的增加(jiā)會導緻(zhi)相對密(mi)度系數(shù)上升,這(zhè)是由于(yu)氫氣的(de)🛀摩爾質(zhi)❓量遠小(xiǎo)于甲烷(wán),混氫量(liàng)的增加(jia)會導緻(zhi)其摩爾(er)質量下(xia)降,進而(ér)導緻相(xiang)對密度(dù)系數上(shang)升。
 
3.5混氫(qīng)量對可(ke)膨脹系(xi)數的影(ying)響
　　圖9所(suǒ)示爲可(kě)膨脹系(xì)數随混(hun)氫量的(de)變化。從(cong)圖9可以(yi)看出🧑🏽‍🤝‍🧑🏻,随(sui)着混氫(qing)量的增(zēng)加，會導(dao)緻可膨(péng)脹系數(shù)下降,在(zai)低孔徑(jìng)比的情(qing)況下，其(qí)下降幅(fu)度要大(da)于高孔(kong)徑比,但(dan)整🤞體下(xia)降幅度(du)較小
 
3.6混(hun)氫量對(duì)超壓縮(suo)系數的(de)影響
　　超(chāo)壓縮系(xi)數是因(yīn)天然氣(qì)特性偏(piān)離理想(xiang)氣體定(ding)律💞而采(cai)用🔴的修(xiu)正系數(shù)，其與孔(kong)闆結構(gou)無關。分(fèn)析在303.15K,3MPa.5MPa和(he)7MPa條件❓下(xia)的超壓(yā)縮系數(shu)随混氫(qīng)量的變(bian)化(見圖(tú)10)。從圖10可(ke)以看出(chu)，超壓縮(suo)系數随(suí)混氫量(liàng)的增加(jiā)而下降(jiàng),壓力越(yuè)大,下降(jiàng)幅度越(yuè)大。
 
3.7混氫(qīng)量對标(biāo)準孔闆(pan)流量計(jì)測量精(jing)度的影(ying)響
　　基于(yu)Fluent模拟結(jié)果,得到(dào)孔闆前(qián)後壓力(lì)、溫度、黏(nián)度等參(can)數,采用(yong)式(1)~式(5)計(ji)算得到(dào)的流量(liàng)作爲标(biao)準孔闆(pǎn)流量計(jì)測量流(liu)量,以邊(bian)界流量(liàng)作爲實(shi)際流量(liàng)進行對(duì)比分析(xī),分析結(jie)果見圖(tú)11。基于本(běn)研究建(jiàn)立的計(ji)算模型(xíng)得到标(biāo)準🐇孔闆(pǎn)流量計(ji)的測量(liàng)流量與(yu)管道截(jie)面的實(shí)際流量(liang)之🌈間的(de)測量誤(wu)差,其計(ji)算公式(shì)如式(8)所(suo)示。
 
　　式中(zhong):δ爲測量(liang)誤差,%;qbou爲(wèi)實際流(liú)量,m³/s;qea爲測(ce)量流量(liang)(基于本(běn)研究建(jiàn)立的🔱計(jì)算模型(xing)通過Fluent模(mó)拟計算(suan)得到的(de)标準孔(kǒng)闆流量(liang)計流量(liàng)),m2/s。
　　從圖11(a)可(kě)以看出(chu)随着混(hun)氫量的(de)增加,标(biāo)準孔闆(pan)流量計(jì)測量流(liu)量也會(hui)顯著增(zeng)加。從圖(tu)11(b)可以看(kan)出,标準(zhǔn)孔闆流(liú)量計計(ji)量精度(dù)幾乎不(bu)受混氫(qing)量變化(hua)的影響(xiǎng)。
4結論
　　采(cai)用數值(zhí)模拟的(de)方法,研(yan)究了标(biao)準孔闆(pan)流量計(jì)應用于(yú)混氫💯天(tiān)然氣時(shí)的計量(liàng)精度。研(yan)究了混(hùn)氫量對(dui)差壓🚩、流(liu)速、流出(chū)🔱系數、相(xiàng)對密度(dù)系數、可(ke)膨脹系(xì)數和超(chāo)壓縮系(xì)數的影(ying)響,可得(dé)到以下(xià)結論🌈。
 
(1)在(zai)壓力一(yi)定的情(qing)況下,混(hun)氫量的(de)增加會(hui)導緻體(ti)積流量(liang)👌測量🛀🏻的(de)🔞流量值(zhí)增大。因(yīn)此,針對(duì)混氫天(tiān)然氣,建(jiàn)議采用(yong)能☂️量計(jì)♻️量進行(háng)貿易交(jiao)接。
(2)在壓(yā)力一定(dìng)的情況(kuang)下,混氫(qīng)量的增(zeng)加會導(dǎo)緻差壓(yā)上升,導(dǎo)緻相對(duì)密度系(xì)數、可膨(peng)脹系數(shu)和超壓(ya)縮系數(shù)下降,而(er)流出🌈系(xi)數幾乎(hū)不受氫(qing)氣含量(liàng)變化的(de)影❗響。
(3)将(jiang)氫氣摻(chān)人天然(rán)氣管網(wǎng),在氫氣(qi)摩爾分(fen)數小于(yú)30%的情況(kuàng)下,氫含(han)量的變(bian)化不會(hui)對标準(zhun)孔闆流(liú)量計精(jīng)度産生(shēng)明顯的(de)😍影響。

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