摘要(yao):目的将(jiang)氫氣摻(chān)入天然(rán)氣管道(dào)中會改(gǎi)變管道(dào)内🚩氣體(ti)的性質(zhì)和流動(dòng)狀态，可(ke)能會影(ying)響 标準(zhǔn)孔闆流(liu)量計 計(ji)量精度(dù),采用ANSYSYFluent對(dui)混氫天(tiān)然氣管(guan)道标準(zhǔn)孔闆流(liú)量計 進(jìn)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(duì)流出系(xi)數、可膨(péng)脹系數(shù)、相對密(mì)度系數(shù)、超壓縮(suō)系數、流(liu)速及差(cha)壓的影(yǐng)響。結果(guǒ)在303.15K.3MPa,混氫(qing)量爲0%~30%的(de)條件📐下(xia),随着混(hùn)氫量❓的(de)增加,會(huì)導緻差(cha)壓上升(shēng);導緻相(xiàng)對密度(dù)系數、可(kě)膨脹系(xi)數和超(chao)壓👣縮系(xì)數下降(jiàng);導緻流(liu)速上升(sheng),使測量(liàng)流量增(zēng)加。結論(lùn)由于氫(qing)氣的發(fa)熱量低(dī)于天然(rán)氣,因此(cǐ)，針對混(hùn)氫天然(rán)氣，建議(yi)采用✨能(néng)量計量(liang)。混氫天(tiān)然氣不(bú)會對标(biao)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(liao)，被認爲(wei)是最有(yǒu)🛀🏻前途🌂的(de)化石燃(ran)料替代(dài)品之一(yī)口。目前(qian)，利用可(kě)✌️再生能(neng)源電解(jiě)制氫💃,然(rán)後将氫(qīng)氣按照(zhao)一定比(bǐ)例摻🌈人(rén)天然氣(qì)管道中(zhōng)進行輸(shū)送是利(lì)用和😄運(yun)輸氫能(néng)的有效(xiào)途徑⁉️[5。如(ru)IEAGHGR&.D項目摻(chan)人天然(rán)氣管網(wang)中的氫(qīng)氣摩爾(ěr)分數高(gāo)達25%叫🌏;AMeland項(xiàng)目摻人(ren)天然氣(qì)管網中(zhong)的氫氣(qi)摩爾分(fèn)數達到(dào)20%[1-8]。而摻⚽氫(qing)天然氣(qi)計量技(ji)術是摻(chān)氫天然(ran)氣産規(guī)模化和(hé)市場化(huà)的重🔴要(yao)基礎。标(biāo)準孔闆(pan)流量計(jì)由于其(qí)設計簡(jiǎn)單、成本(běn)低,仍然(rán)是石油(yóu)與天然(ran)氣行業(yè)中使用(yòng)廣泛的(de)流量計(jì)。
　　由于氫(qing)氣和甲(jia)烷物性(xìng)差異巨(jù)大，在标(biao)況下其(qí)密度♊相(xiàng)差8倍以(yǐ)上[1],而密(mì)度是影(yǐng)響标準(zhun)孔闆流(liú)量計結(jie)果的重(zhong)‼️要因素(sù)[18]。當天然(ran)氣中摻(chan)混氫氣(qì)後，會導(dǎo)緻其密(mi)度、黏度(du)、比熱容(róng)參數改(gai)變,進而(er)影響标(biāo)準孔闆(pan)流量計(ji)計量精(jing)度。Dong等利(li)用Fluent分析(xī)不同📐傾(qīng)角孔闆(pan)在測量(liàng)天然氣(qi)流量時(shi)對測量(liàng)精度的(de)影響;Jin等(děng)利用Fluent分(fèn)析得到(dao)在測量(liang)液氫時(shi)不同孔(kǒng)闆結構(gòu)對流出(chu)系數和(he)壓力損(sun)失系數(shu)的影響(xiang)📱;通過數(shu)👌值模拟(ni)技🚶‍♀️術得(dé)到在測(cè)量🐇天然(ran)氣流量(liàng)時,流體(ti)㊙️相對密(mi)度變化(hua)值對測(cè)量值有(yǒu)較大的(de)影響。
　　盡(jìn)管前人(ren)已經做(zuò)了很多(duō)研究,但(dàn)目前對(duì)影響測(ce)量精度(dù)的研究(jiū)主要集(ji)中在孔(kong)闆結構(gou)的變化(hua)上,這将(jiang)會增加(jiā)流量計(ji)結構的(de)複雜性(xing)，而且在(zai)實際的(de)天然氣(qì)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(guan)于其他(ta)計量所(suo)需參數(shù),如可膨(peng)脹系數(shù)、超壓縮(suo)系❄️數、相(xiang)對密度(du)系數的(de)影響很(hěn)少被研(yan)究。研究(jiū)的介質(zhi)主要是(shì)天然氣(qi)或者🔴液(yè)氫,關于(yú)混氫天(tian)然氣⁉️的(de)情況✌️很(hěn)少被研(yán)究。因此(cǐ),本研究(jiū)主✔️要分(fèn)析天然(rán)氣管🔅道(dào)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(zuò)原理
　　 标(biāo)準孔闆(pan)流量計(jì)以能量(liang)守恒定(dìng)律和流(liu)動連續(xu)性方🎯程(cheng)爲基礎(chǔ),通過測(cè)量孔闆(pan)前後産(chan)生的靜(jing)壓力差(cha)來衡量(liàng)天然氣(qì)流過節(jiē)流裝置(zhì)的流量(liàng)大小”。工(gōng)況條件(jiàn)下的體(tǐ)積流量(liang)一般用(yong)流量計(jì)測量,然(ran)後換算(suàn)成基本(běn)(标準)條(tiáo)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(kǒng)闆流量(liang)計測量(liàng)❌天然氣(qì)流量㊙️》以(yǐ)293.15K.101.325kPa爲條件(jian),得到标(biao)準條件(jian)下天然(ran)氣體積(ji)流量計(jì)算實用(yong)公式，如(rú)式(1)所示(shì):
 
　　式中:qV。爲(wèi)标準條(tiao)件下天(tian)然氣體(tǐ)積流量(liàng),m³/s;Avn爲體積(ji)流量系(xì)數，Avn。=3.1795X10-6;C爲流(liu)出系數(shù);E爲漸進(jin)速度系(xì)數,E=1/(1-β)0.5;β爲孔(kong)徑比,β=d/D;d爲(wèi)孔闆開(kāi)孔直徑(jìng),mm;D爲測量(liàng)♌管内👨‍❤️‍👨徑(jing),mm;Fc爲相對(duì)密度系(xì)數;ε爲可(ke)膨脹系(xì)數;Fz爲超(chao)壓縮系(xì)數;Fr爲流(liu)動溫度(dù)系數;p1爲(wèi)孔闆上(shang)遊取壓(ya)孔實測(cè)絕對壓(ya)力,MPa;△p爲孔(kong)闆前後(hou)⭐差壓,MPa。
流(liu)出系數(shu)C的計算(suàn)公式如(rú)式(2)~式(4)所(suo)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(qu)壓孔軸(zhou)✉️線的距(ju)離除以(yi)測量管(guan)内徑得(de)出的商(shang);L2爲孔闆(pan)下遊端(duan)面到取(qu)壓孔🌈軸(zhou)線的距(jù)離除以(yi)測量管(guǎn)内徑得(dé)出的商(shang);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(kong)闆結構(gòu)
　　孔闆結(jie)構示意(yi)圖如圖(tú)1所示。針(zhēn)對3種孔(kǒng)徑比進(jin)行研究(jiū),孔闆幾(ji)何形狀(zhuang):孔闆厚(hòu)度爲3.8mm,孔(kong)闆開孔(kong)厚度爲(wèi)0.8mm,上遊管(guǎn)徑爲150mm,孔(kǒng)闆⭕孔徑(jing)分别爲(wèi)57mm、75mm、87mm,孔徑比(bǐ)分别爲(wèi)0.38、0.50、0.58。本研究(jiū)選擇孔(kǒng)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(mo)拟結果(guǒ)。
 
2.2計算網(wang)格劃分(fen)
　　采用ANSYS建(jian)立了标(biao)準孔闆(pan)流量計(ji)的三維(wei)模型,利(lì)用六面(mian)體網格(gé)對網格(gé)進行劃(hua)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(you)區域使(shi)用較粗(cū)網格,中(zhōng)心區域(yu)采用更(geng)密的.網(wǎng)格,以🌈獲(huò)得壓力(li)梯度。牆(qiang)附近的(de)網格被(bei)細化,以(yi)滿足标(biao)準💞牆功(gong)能的要(yào)求。管道(dao)模拟網(wǎng)格如圖(tú)2所💋示。進(jin)行了網(wang)格尺寸(cun)獨立性(xìng)測試，用(yong)來數值(zhi)模拟結(jie)果與網(wang)格尺😄寸(cun)和網格(gé)♉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(hé)物爲例(li),采用1267153、1893462、2637960、3439231個(ge)單元進(jin)行測試(shì)。網格數(shu)量從1893462增(zēng)加到3439231時(shí)，網格數(shù)量對孔(kǒng)闆前後(hou)🌏的壓力(li)的影響(xiǎng)🏃🏻已經🈲很(hěn)小了。考(kǎo)慮網格(gé)的無關(guan)性和計(ji)算效率(lü)📐，在以下(xià)模🙇🏻拟中(zhong)采用2637960個(gè)🤟單元的(de)網格。
 
2.3控(kòng)制方程(cheng)
　　假設:實(shí)際流體(ti)在管道(dào)中做定(ding)常流運(yun)動;氣質(zhi)組分爲(wèi)甲烷和(he)氫氣混(hùn)合物,且(qie)混合均(jun)勻;流體(tǐ)在管道(dao)内與外(wài)界無熱(rè)量交換(huan)。因此,除(chu)了滿足(zú)質量、動(dong)量和能(néng)量三大(dà)守恒方(fang)程外，還(hái)需滿足(zú)氣體狀(zhuàng)态方程(cheng)。本研🔅究(jiū)使用SRK狀(zhuàng)🔴态方程(chéng)[21],如式(6)所(suǒ)示。
 
　　式中(zhong):p爲壓力(li)，MPa;R爲氣體(tǐ)常數，8.314J/(mol·K);T爲(wei)溫度,K;V爲(wei)摩爾體(ti)積,m³/mol;αe。爲臨(lin)界參數(shu),是臨界(jie)溫度和(hé)臨界壓(ya)力的函(han)數;α爲引(yin)力函🐇數(shu),是對比(bi)🤞溫度和(he)偏心因(yin)子的函(han)數;b爲斥(chì)力函數(shù)。還需分(fèn)析甲烷(wán)和氫氣(qi)在管道(dao)中氣體(tǐ)傳質規(gui)律，因此(cǐ),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(fèn)數;t爲時(shí)間,s;u爲速(sù)度,m/s;Di爲🧑🏽‍🤝‍🧑🏻i組(zu)✂️分的擴(kuò)散系數(shu),m²/s;Ri爲單位(wei)時間、體(ti)積下産(chǎn)生i組分(fen)的質量(liang)，kg/(m³.s)。
　　針對天(tiān)然氣計(jì)量,還需(xu)結合湍(tuan)流方程(cheng)。K-εRNG模型在(zài)湍流模(mó)拟中得(de)🏃🏻到了廣(guang)泛的應(ying)用。與标(biao)準的kε模(mó)型相比(bi)，K-εRNG模型在(zai)💯表征具(ju)有強流(liu)線曲率(lǜ)、渦旋方(fāng)面都有(yǒu)了顯著(zhe)✏️的改進(jin)15]。因此,本(ben)研究選(xuan)擇kεRNG模型(xíng)作爲湍(tuan)流方程(chéng)。
2.4邊界條(tiao)件
　　選擇(zé)3MPa壓力邊(bian)界進行(hang)計算。模(mo)拟的邊(bian)界條件(jiàn)爲:進口(kou)🐅邊👨‍❤️‍👨界條(tiao)件采用(yong)天然氣(qì)壓力,出(chu)口邊界(jiè)條件采(cai)用天然(ran)氣出口(kou)流量✏️。進(jìn)口溫度(dù)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(bìng)由軟件(jian)本身的(de)數據庫(ku)确定了(le)其密度(du)、黏度等(deng)參數。令(ling)x(CH4)和x(H2)分别(bié)🌈爲甲烷(wan)和氫氣(qì)摩爾分(fèn)數,邊界(jie)條件設(shè)置見表(biǎo)1。
 
2.5有效性(xìng)驗證
　　基(ji)于流體(tǐ)相似原(yuan)理,可利(li)用Fluent計算(suàn)在計量(liàng)管内徑(jìng)爲30mm,孔徑(jìng)比爲♻️0.42、0.59、0.65條(tiáo)件下水(shuǐ)的流出(chū)系數，與(yu)實驗值(zhi)進行對(duì)比，對💃本(běn)研究模(mo)型有效(xiao)性進行(háng)驗證。驗(yàn)證結果(guǒ)如表2所(suǒ)列。
　　從表(biǎo)2可以看(kan)出,采用(yong)數值模(mo)拟方法(fǎ)計算出(chū)的流出(chū)系🛀🏻數與(yǔ)🌂實驗值(zhí)吻合較(jiao)好,偏差(cha)不超過(guò)-3.50%。
 
3結果與(yu)讨論
3.1混(hun)氫量對(dui)差壓的(de)影響
　　以(yi)孔闆孔(kong)徑比爲(wèi)0.38,x(H2)爲0.00、0.10、0.20、0.30爲例(lì),Fluent仿真結(jié)果壓力(li)雲圖見(jiàn)圖3。孔徑(jìng)🌈比爲0.38、0.50、0.58的(de)标準孔(kǒng)闆的差(chà)壓随混(hun)氫量的(de)變化如(ru)✔️圖4所示(shì)。
 
　　從圖4可(ke)以看出(chū),随着混(hun)氫量的(de)增加,流(liú)過标準(zhǔn)孔闆📱的(de)差壓會(hui)逐步上(shàng)升。從數(shù)值上看(kàn),孔徑比(bǐ)越小,差(chà)壓随混(hùn)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(jie)🈲流效應(yīng)比較敏(min)感
3.2混氫(qīng)量對流(liu)速的影(yǐng)響
　　以孔(kong)闆孔徑(jìng)比爲0.38,x(H2)爲(wei)0.00、0.10、0.20和0.30爲例(li)，Fluent仿真結(jié)果速度(dù)雲圖見(jiàn)圖5。從圖(tu)5可以看(kàn)出,随着(zhe)混氫量(liang)的增加(jia),氣流流(liú)過孔闆(pan)後♌的速(sù)度更大(da)。圖🌐6所示(shì)爲混氫(qing)量與輸(shū)送速度(dù)的🌐關系(xi)圖,從圖(tú)中可看(kàn)出,混氫(qīng)量越高(gao),流速越(yuè)高。

　　因此(ci),當天然(rán)氣管道(dao)中摻入(rù)氫氣後(hou)會導緻(zhì)流量增(zeng)✂️大。由于(yú)氫氣的(de)發熱量(liang)小于甲(jiǎ)烷,若仍(reng)然采用(yong)體積計(jì)量進行(háng)貿易交(jiāo)接,這将(jiāng)會對買(mai)方不利(lì)。若采用(yòng)質量計(jì)量進行(hang)貿易交(jiāo)接,仍然(ran)不能合(hé)理體現(xiàn)摻氫天(tiān)然氣的(de)實🙇‍♀️用價(jia)值,對供(gòng)方不利(lì)。因此,針(zhēn)對混氫(qīng)天然氣(qì),建議采(cai)用♋能量(liàng)計量進(jìn)行貿易(yi)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(suan)得到不(bu)同混氫(qīng)量下的(de)流出系(xì)數,計算(suan)結果見(jian)圖7。從㊙️圖(tu)7可以看(kàn)出:孔徑(jìng)比越大(dà),流出系(xi)數越大(da);在混氫(qing)🏃‍♂️量小于(yu)0.3時,混氫(qing)量的變(bian)化幾乎(hū)不會對(duì)流出系(xi)數産生(shēng)影響。
 
3.4混(hùn)氫量對(dui)相對密(mì)度系數(shù)的影響(xiǎng)
　　相對密(mì)度系數(shù)變化與(yǔ)孔闆結(jié)構無關(guan),僅與組(zu)分的變(bian)化有關(guān)💋,圖8所示(shi)爲相對(duì)密度系(xi)數随混(hùn)氫量的(de)變化情(qíng)況。從圖(tu)8可💯看出(chu),混氫量(liàng)的增加(jia)會導緻(zhi)相對密(mì)度系數(shu)上升,這(zhe)✉️是由于(yu)氫氣的(de)摩爾質(zhi)量遠小(xiǎo)于甲🔴烷(wan),混氫量(liang)的增加(jiā)會導緻(zhi)其摩爾(er)質量下(xia)🔞降,進而(er)導㊙️緻相(xiàng)對密度(du)☁️系數上(shang)升。
 
3.5混氫(qīng)量對可(kě)膨脹系(xì)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(zài)低孔徑(jìng)🏒比的情(qing)況下，其(qi)🍓下降幅(fu)度要大(da)于高孔(kong)徑比,但(dan)整體下(xia)降幅度(dù)較小
 
3.6混(hun)氫量對(dui)超壓縮(suō)系數的(de)影響
　　超(chāo)壓縮系(xi)數是因(yin)天然氣(qì)特性偏(piān)離理想(xiǎng)氣體定(dìng)律而☁️采(cǎi)用的修(xiū)正系數(shu)，其與孔(kong)闆結構(gòu)無關。分(fèn)析在303.15K,3MPa.5MPa和(he)7MPa條件♋下(xià)的超壓(ya)💔縮系🌈數(shu)随混氫(qīng)量的變(bian)化(見圖(tu)10)。從圖10可(kě)以看出(chū)，超壓縮(suō)系數随(suí)混氫量(liàng)的增加(jiā)而下降(jiàng),壓力越(yue)大,下降(jiang)幅度越(yue)大。
 
3.7混氫(qīng)量對标(biāo)準孔闆(pan)流量計(ji)測量精(jīng)度的影(ying)響
　　基于(yu)Fluent模拟結(jié)果,得到(dào)孔闆前(qian)後壓力(li)、溫度、黏(nián)度等參(can)數,采用(yong)式👅(1)~式(5)計(ji)算得到(dao)的流量(liang)作爲标(biao)準孔闆(pan)流量計(ji)測量流(liú)🏃🏻‍♂️量,以邊(biān)界流量(liang)作爲實(shi)際流量(liang)進行對(duì)比分析(xī),分析結(jie)果見圖(tú)11。基于本(běn)研究建(jian)立🏃🏻‍♂️的計(jì)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(liàng)之間的(de)測量誤(wù)差,其計(jì)算公式(shì)如式(8)所(suo)示。
 
　　式中(zhong):δ爲測量(liàng)誤差,%;qbou爲(wèi)實際流(liu)量,m³/s;qea爲測(ce)量流量(liang)(基于本(běn)研☀️究⛹🏻‍♀️建(jiàn)立的計(ji)算模型(xing)通過Fluent模(mo)拟計算(suan)得到的(de)标準孔(kong)闆流量(liang)計流量(liang)),m2/s。
　　從圖11(a)可(ke)以看出(chū)随着混(hùn)氫量的(de)增加,标(biao)準孔闆(pan)流量計(ji)測💁量流(liú)😍量也會(huì)顯著增(zēng)加。從圖(tu)11(b)可以看(kàn)出,标準(zhun)孔📧闆流(liú)量計計(ji)量♉精度(dù)♊幾乎不(bú)受混氫(qīng)量變化(hua)的影響(xiang)。
4結論
　　采(cǎi)用數值(zhi)模拟的(de)方法,研(yan)究了标(biao)準孔闆(pǎn)流量計(jì)應用♻️于(yú)混氫天(tian)然氣時(shí)的計量(liàng)精度。研(yan)究了混(hùn)氫量對(dui)差壓、流(liú)速、流出(chu)系數、相(xiàng)對密度(dù)系數、可(kě)膨脹系(xi)數和🌂超(chao)壓縮系(xì)數的影(yǐng)響,可得(de)到以下(xià)結論。
 
(1)在(zai)壓力一(yī)定的情(qíng)況下,混(hun)氫量的(de)增加會(hui)導緻體(ti)積🧑🏾‍🤝‍🧑🏼流量(liàng)🌈測量的(de)🌈流量值(zhi)增大。因(yin)此,針對(dui)混氫天(tiān)然氣,建(jiàn)議采用(yòng)能量計(jì)量進行(hang)貿✊易交(jiao)接。
(2)在壓(ya)力一定(ding)的情況(kuàng)下,混氫(qīng)量的增(zeng)加會導(dao)緻差壓(yā)上升,導(dǎo)緻相🌈對(duì)密度系(xì)數、可膨(péng)脹系數(shu)和超壓(yā)縮系數(shù)下降,而(er)☁️流出系(xì)數💋幾乎(hu)🈲不受氫(qīng)氣含量(liang)變化的(de)影響。
(3)将(jiang)氫氣摻(chān)人天然(ran)氣管網(wǎng),在氫氣(qi)摩爾分(fèn)數小于(yu)30%的情況(kuang)下🏃🏻,氫含(hán)量的變(bian)化不會(huì)對标準(zhǔn)孔闆流(liu)量計精(jīng)度産生(sheng)明☁️顯的(de)影響。

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