摘要:目的將氫氣摻入天然氣管道中會(huì)改變管道內(nèi)氣體的性質(zhì)和流動(dòng)狀態(tài)，可能會(huì)影響標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)計(jì)量精度,采用ANSYSYFluent對(duì)混氫天然氣管道標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)進(jìn)行適應(yīng)性研究。方法比較了不同混氫量的天然氣對(duì)流出系數(shù)、可膨脹系數(shù)、相對(duì)密度系數(shù)、超壓縮系數(shù)、流速及差壓的影響。結(jié)果在303.15K.3MPa,混氫量為0%~30%的條件下,隨著混氫量的增加,會(huì)導(dǎo)致差壓上升;導(dǎo)致相對(duì)密度系數(shù)、可膨脹系數(shù)和超壓縮系數(shù)下降;導(dǎo)致流速上升,使測(cè)量流量增加。結(jié)論由于氫氣的發(fā)熱量低于天然氣,因此，針對(duì)混氫天然氣，建議采用能量計(jì)量。混氫天然氣不會(huì)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)精度產(chǎn)生較大影響。
氫能是一-種綠色、低污染、可再生的燃料，被認(rèn)為是最有前途的化石燃料替代品之一口。目前，利用可再生能源電解制氫,然后將氫氣按照一定比例摻人天然氣管道中進(jìn)行輸送是利用和運(yùn)輸氫能的有效途徑[5。如IEAGHGR&.D項(xiàng)目摻人天然氣管網(wǎng)中的氫氣摩爾分?jǐn)?shù)高達(dá)25%叫;AMeland項(xiàng)目摻人天然氣管網(wǎng)中的氫氣摩爾分?jǐn)?shù)達(dá)到20%[1-8]。而摻氫天然氣計(jì)量技術(shù)是摻氫天然氣產(chǎn)規(guī)�；褪袌�(chǎng)化的重要基礎(chǔ)。標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)由于其設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、成本低,仍然是石油與天然氣行業(yè)中使用廣泛的流量計(jì)。
由于氫氣和甲烷物性差異巨大，在標(biāo)況下其密度相差8倍以上[1],而密度是影響標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)結(jié)果的重要因素[18]。當(dāng)天然氣中摻混氫氣后，會(huì)導(dǎo)致其密度、黏度、比熱容參數(shù)改變,進(jìn)而影響標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)計(jì)量精度。Dong等利用Fluent分析不同傾角孔板在測(cè)量天然氣流量時(shí)對(duì)測(cè)量精度的影響;Jin等利用Fluent分析得到在測(cè)量液氫時(shí)不同孔板結(jié)構(gòu)對(duì)流出系數(shù)和壓力損失系數(shù)的影響;通過(guò)數(shù)值模擬技術(shù)得到在測(cè)量天然氣流量時(shí),流體相對(duì)密度變化值對(duì)測(cè)量值有較大的影響。
盡管前人已經(jīng)做了很多研究,但目前對(duì)影響測(cè)量精度的研究主要集中在孔板結(jié)構(gòu)的變化上,這將會(huì)增加流量計(jì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，而且在實(shí)際的天然氣管道中不易使用。此外,所研究的結(jié)論主要是對(duì)流出系數(shù)、差壓等的影響,關(guān)于其他計(jì)量所需參數(shù),如可膨脹系數(shù)、超壓縮系數(shù)、相對(duì)密度系數(shù)的影響很少被研究。研究的介質(zhì)主要是天然氣或者液氫,關(guān)于混氫天然氣的情況很少被研究。因此,本研究主要分析天然氣管道中混人氫氣后對(duì)標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)測(cè)量精度的影響。
1標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)工作原理
標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)以能量守恒定律和流動(dòng)連續(xù)性方程為基礎(chǔ),通過(guò)測(cè)量孔板前后產(chǎn)生的靜壓力差來(lái)衡量天然氣流過(guò)節(jié)流裝置的流量大小”。工況條件下的體積流量一般用流量計(jì)測(cè)量,然后換算成基本(標(biāo)準(zhǔn))條件下的體積作為天然氣貿(mào)易交接過(guò)程中的流量8]。GB/T21446-2008《用標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)測(cè)量天然氣流量》以293.15K.101.325kPa為條件,得到標(biāo)準(zhǔn)條件下天然氣體積流量計(jì)算實(shí)用公式，如式(1)所示:
式中:qV。為標(biāo)準(zhǔn)條件下天然氣體積流量,m³/s;Avn為體積流量系數(shù)，Avn。=3.1795X10-6;C為流出系數(shù);E為漸進(jìn)速度系數(shù),E=1/(1-β)0.5;β為孔徑比,β=d/D;d為孔板開(kāi)孔直徑,mm;D為測(cè)量管內(nèi)徑,mm;Fc為相對(duì)密度系數(shù);ε為可膨脹系數(shù);Fz為超壓縮系數(shù);Fr為流動(dòng)溫度系數(shù);p1為孔板上游取壓孔實(shí)測(cè)絕對(duì)壓力,MPa;△p為孔板前后差壓,MPa。
流出系數(shù)C的計(jì)算公式如式(2)~式(4)所示。
式中:ReD管徑為雷諾數(shù);L1為孔板上游端面到取壓孔軸線的距離除以測(cè)量管內(nèi)徑得出的商;L2為孔板下游端面到取壓孔軸線的距離除以測(cè)量管內(nèi)徑得出的商;M2為變量;A為變量。
2數(shù)值仿真模型建立及驗(yàn)證
2.1孔板結(jié)構(gòu)
孔板結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。針對(duì)3種孔徑比進(jìn)行研究,孔板幾何形狀:孔板厚度為3.8mm,孔板開(kāi)孔厚度為0.8mm,上游管徑為150mm,孔板孔徑分別為57mm、75mm、87mm,孔徑比分別為0.38、0.50、0.58。本研究選擇孔板上游直管段145D,下游直管段10D,以獲得準(zhǔn)確的模擬結(jié)果。
2.2計(jì)算網(wǎng)格劃分
采用ANSYS建立了標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)的三維模型,利用六面體網(wǎng)格對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行劃分。在模擬中,整個(gè)幾何形狀被分為3個(gè)區(qū)域:上游、中心區(qū)域、下游。上游和下游區(qū)域使用較粗網(wǎng)格,中心區(qū)域采用更密的.網(wǎng)格,以獲得壓力梯度。墻附近的網(wǎng)格被細(xì)化,以滿足標(biāo)準(zhǔn)墻功能的要求。管道模擬網(wǎng)格如圖2所示。進(jìn)行了網(wǎng)格尺寸獨(dú)立性測(cè)試，用來(lái)數(shù)值模擬結(jié)果與網(wǎng)格尺寸和網(wǎng)格質(zhì)量無(wú)關(guān)。以3MPa下氫氣摩爾分?jǐn)?shù)分別為0.0、0.4的CH-H2混合物為例,采用1267153、1893462、2637960、3439231個(gè)單元進(jìn)行測(cè)試。網(wǎng)格數(shù)量從1893462增加到3439231時(shí)，網(wǎng)格數(shù)量對(duì)孔板前后的壓力的影響已經(jīng)很小了�？紤]網(wǎng)格的無(wú)關(guān)性和計(jì)算效率，在以下模擬中采用2637960個(gè)單元的網(wǎng)格。
2.3控制方程
假設(shè):實(shí)際流體在管道中做定常流運(yùn)動(dòng);氣質(zhì)組分為甲烷和氫氣混合物,且混合均勻;流體在管道內(nèi)與外界無(wú)熱量交換。因此,除了滿足質(zhì)量、動(dòng)量和能量三大守恒方程外，還需滿足氣體狀態(tài)方程。本研究使用SRK狀態(tài)方程[21],如式(6)所示。
式中:p為壓力，MPa;R為氣體常數(shù)，8.314J/(mol·K);T為溫度,K;V為摩爾體積,m³/mol;αe。為臨界參數(shù),是臨界溫度和臨界壓力的函數(shù);α為引力函數(shù),是對(duì)比溫度和偏心因子的函數(shù);b為斥力函數(shù)。還需分析甲烷和氫氣在管道中氣體傳質(zhì)規(guī)律，因此,開(kāi)啟組分輸運(yùn)模型,如式(7)所示:
式中:ρ為密度,kg/m³;ci為i組分的體積分?jǐn)?shù);t為時(shí)間,s;u為速度,m/s;Di為i組分的擴(kuò)散系數(shù),m²/s;Ri為單位時(shí)間、體積下產(chǎn)生i組分的質(zhì)量，kg/(m³.s)。
針對(duì)天然氣計(jì)量,還需結(jié)合湍流方程。K-εRNG模型在湍流模擬中得到了廣泛的應(yīng)用。與標(biāo)準(zhǔn)的kε模型相比，K-εRNG模型在表征具有強(qiáng)流線曲率、渦旋方面都有了顯著的改進(jìn)15]。因此,本研究選擇kεRNG模型作為湍流方程。
2.4邊界條件
選擇3MPa壓力邊界進(jìn)行計(jì)算。模擬的邊界條件為:進(jìn)口邊界條件采用天然氣壓力,出口邊界條件采用天然氣出口流量。進(jìn)口溫度設(shè)置為303.15K,流體介質(zhì)采用甲烷和氫氣混合物,并由軟件本身的數(shù)據(jù)庫(kù)確定了其密度、黏度等參數(shù)。令x(CH4)和x(H2)分別為甲烷和氫氣摩爾分?jǐn)?shù),邊界條件設(shè)置見(jiàn)表1。
2.5有效性驗(yàn)證
基于流體相似原理,可利用Fluent計(jì)算在計(jì)量管內(nèi)徑為30mm,孔徑比為0.42、0.59、0.65條件下水的流出系數(shù)，與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，對(duì)本研究模型有效性進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果如表2所列。
從表2可以看出,采用數(shù)值模擬方法計(jì)算出的流出系數(shù)與實(shí)驗(yàn)值吻合較好,偏差不超過(guò)-3.50%。
3結(jié)果與討論
3.1混氫量對(duì)差壓的影響
以孔板孔徑比為0.38,x(H2)為0.00、0.10、0.20、0.30為例,Fluent仿真結(jié)果壓力云圖見(jiàn)圖3�？讖奖葹�0.38、0.50、0.58的標(biāo)準(zhǔn)孔板的差壓隨混氫量的變化如圖4所示。
從圖4可以看出,隨著混氫量的增加,流過(guò)標(biāo)準(zhǔn)孔板的差壓會(huì)逐步上升。從數(shù)值上看,孔徑比越小,差壓隨混氫量的增加而上升的幅度越明顯,這說(shuō)明氫氣對(duì)孔板的節(jié)流效應(yīng)比較敏感
3.2混氫量對(duì)流速的影響
以孔板孔徑比為0.38,x(H2)為0.00、0.10、0.20和0.30為例，F(xiàn)luent仿真結(jié)果速度云圖見(jiàn)圖5。從圖5可以看出,隨著混氫量的增加,氣流流過(guò)孔板后的速度更大。圖6所示為混氫量與輸送速度的關(guān)系圖,從圖中可看出,混氫量越高,流速越高。
因此,當(dāng)天然氣管道中摻入氫氣后會(huì)導(dǎo)致流量增大。由于氫氣的發(fā)熱量小于甲烷,若仍然采用體積計(jì)量進(jìn)行貿(mào)易交接,這將會(huì)對(duì)買方不利。若采用質(zhì)量計(jì)量進(jìn)行貿(mào)易交接,仍然不能合理體現(xiàn)摻氫天然氣的實(shí)用價(jià)值,對(duì)供方不利。因此,針對(duì)混氫天然氣,建議采用能量計(jì)量進(jìn)行貿(mào)易交接。
3.3混氫量對(duì)流出系數(shù)的影響
采用式(2)計(jì)算得到不同混氫量下的流出系數(shù),計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖7。從圖7可以看出:孔徑比越大,流出系數(shù)越大;在混氫量小于0.3時(shí),混氫量的變化幾乎不會(huì)對(duì)流出系數(shù)產(chǎn)生影響。
3.4混氫量對(duì)相對(duì)密度系數(shù)的影響
相對(duì)密度系數(shù)變化與孔板結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān),僅與組分的變化有關(guān),圖8所示為相對(duì)密度系數(shù)隨混氫量的變化情況。從圖8可看出,混氫量的增加會(huì)導(dǎo)致相對(duì)密度系數(shù)上升,這是由于氫氣的摩爾質(zhì)量遠(yuǎn)小于甲烷,混氫量的增加會(huì)導(dǎo)致其摩爾質(zhì)量下降,進(jìn)而導(dǎo)致相對(duì)密度系數(shù)上升。
3.5混氫量對(duì)可膨脹系數(shù)的影響
圖9所示為可膨脹系數(shù)隨混氫量的變化。從圖9可以看出,隨著混氫量的增加，會(huì)導(dǎo)致可膨脹系數(shù)下降,在低孔徑比的情況下，其下降幅度要大于高孔徑比,但整體下降幅度較小
3.6混氫量對(duì)超壓縮系數(shù)的影響
超壓縮系數(shù)是因天然氣特性偏離理想氣體定律而采用的修正系數(shù)，其與孔板結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)。分析在303.15K,3MPa.5MPa和7MPa條件下的超壓縮系數(shù)隨混氫量的變化(見(jiàn)圖10)。從圖10可以看出，超壓縮系數(shù)隨混氫量的增加而下降,壓力越大,下降幅度越大。
3.7混氫量對(duì)標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)測(cè)量精度的影響
基于Fluent模擬結(jié)果,得到孔板前后壓力、溫度、黏度等參數(shù),采用式(1)~式(5)計(jì)算得到的流量作為標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)測(cè)量流量,以邊界流量作為實(shí)際流量進(jìn)行對(duì)比分析,分析結(jié)果見(jiàn)圖11�；诒狙芯拷⒌挠�(jì)算模型得到標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)的測(cè)量流量與管道截面的實(shí)際流量之間的測(cè)量誤差,其計(jì)算公式如式(8)所示。
式中:δ為測(cè)量誤差,%;qbou為實(shí)際流量,m³/s;qea為測(cè)量流量(基于本研究建立的計(jì)算模型通過(guò)Fluent模擬計(jì)算得到的標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)流量),m2/s。
從圖11(a)可以看出隨著混氫量的增加,標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)測(cè)量流量也會(huì)顯著增加。從圖11(b)可以看出,標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)計(jì)量精度幾乎不受混氫量變化的影響。
4結(jié)論
采用數(shù)值模擬的方法,研究了標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)應(yīng)用于混氫天然氣時(shí)的計(jì)量精度。研究了混氫量對(duì)差壓、流速、流出系數(shù)、相對(duì)密度系數(shù)、可膨脹系數(shù)和超壓縮系數(shù)的影響,可得到以下結(jié)論。
(1)在壓力一定的情況下,混氫量的增加會(huì)導(dǎo)致體積流量測(cè)量的流量值增大。因此,針對(duì)混氫天然氣,建議采用能量計(jì)量進(jìn)行貿(mào)易交接。
(2)在壓力一定的情況下,混氫量的增加會(huì)導(dǎo)致差壓上升,導(dǎo)致相對(duì)密度系數(shù)、可膨脹系數(shù)和超壓縮系數(shù)下降,而流出系數(shù)幾乎不受氫氣含量變化的影響。
(3)將氫氣摻人天然氣管網(wǎng),在氫氣摩爾分?jǐn)?shù)小于30%的情況下,氫含量的變化不會(huì)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)精度產(chǎn)生明顯的影響。
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