混氫天然氣對(duì)流量計(jì)安裝條件的適應(yīng)性分析

張?chǎng)┣倮铋L(zhǎng)俊,2賈文龍,2王國(guó)云

1.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院 2.西南石油大學(xué)油氣儲(chǔ)運(yùn)專業(yè)CNPC重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

氫氣具有能量密度高、可獲得性廣、綠色低污染等優(yōu)點(diǎn),是未來(lái)能源載體最有前途的清潔能源[1-2],但高昂的純氫管網(wǎng)建設(shè)費(fèi)用在一定程度上阻礙了氫能的普及利用,目前考慮向已有的天然氣管網(wǎng)中摻入一定比例的氫氣,以混氫天然氣的形式實(shí)現(xiàn)氫能的輸送和利用[3-6]。而流量計(jì)量是混氫天然氣輸送管道中的重要環(huán)節(jié),準(zhǔn)確的計(jì)量是對(duì)賣方和買方經(jīng)濟(jì)利益的重要保障。孔板流量計(jì)作為一種差壓式流量計(jì),具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、計(jì)量穩(wěn)定、操作方便、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)[7]。超聲流量計(jì)作為一種速度式流量計(jì),具有準(zhǔn)確度高、壓損小、耐腐蝕、無(wú)節(jié)流元件等優(yōu)點(diǎn)[8],二者是石油與天然氣行業(yè)中使用最廣泛的流量計(jì)。

由于甲烷和氫氣的物性存在很大差異,將氫氣混入天然氣后會(huì)改變流體的性質(zhì)和流動(dòng)狀態(tài),從而影響流量計(jì)的計(jì)量準(zhǔn)確度[9-11]。而現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的流量計(jì)安裝條件僅適用于一般天然氣,無(wú)法滿足混氫天然氣的計(jì)量準(zhǔn)確度要求。林棋[12]利用CFX軟件模擬了某站內(nèi)超聲計(jì)量支路管段速度分布,發(fā)現(xiàn)氣體由進(jìn)氣管流入集氣匯管時(shí)形成強(qiáng)烈渦流,在進(jìn)入支管時(shí)存在嚴(yán)重的偏流現(xiàn)象,影響計(jì)量準(zhǔn)確度,故需在支管上安裝整流器且整流器與檢測(cè)管段的距離在5～10D(D為管道直徑)以上,以保證流體流經(jīng)整流器到達(dá)下游流量計(jì)時(shí)流速恢復(fù)對(duì)稱分布。Dong[7]在傳統(tǒng)不銹鋼孔板流量計(jì)開(kāi)口處嵌入硬質(zhì)合金,發(fā)現(xiàn)其計(jì)量準(zhǔn)確度顯著提高且更加穩(wěn)定;陳家慶[13]利用Fluent軟件分析了在不同流量、不同直徑比、不同孔板軸向厚度和不同流動(dòng)介質(zhì)條件下對(duì)孔板流出系數(shù)的影響;印小娜[14]利用Fluent軟件研究了氫氣和天然氣的混合規(guī)律,通過(guò)計(jì)算誤差分析了混氫天然氣對(duì)超聲流量計(jì)計(jì)量準(zhǔn)確度的影響。

業(yè)界有大量的研究案例是針對(duì)一般管輸天然氣的計(jì)量,研究了管輸天然氣計(jì)量系統(tǒng)中阻流件布置對(duì)氣流流態(tài)、流量計(jì)量的影響,少有對(duì)混氫天然氣計(jì)量準(zhǔn)確度的研究。因此,混氫天然氣對(duì)現(xiàn)行流量計(jì)安裝標(biāo)準(zhǔn)的適應(yīng)性有待考證。在實(shí)際站場(chǎng)中,計(jì)量裝置上游的彎頭、匯管、三通等阻流件導(dǎo)致氣流產(chǎn)生速度畸變,其中,彎頭的數(shù)量最多。因此,本研究以現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的流量計(jì)安裝要求為參考,研究彎頭下游混氫天然氣的速度分布,分析混氫天然氣對(duì)現(xiàn)行流量計(jì)安裝條件的適應(yīng)性。

1 流量計(jì)安裝條件現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)

天然氣在流經(jīng)彎頭這一阻流件后,會(huì)使下游流場(chǎng)產(chǎn)生強(qiáng)二次流、旋渦流,導(dǎo)致非對(duì)稱速度分布現(xiàn)象,從而影響流量計(jì)量的準(zhǔn)確度,因此,需要將流量計(jì)安裝在速度恢復(fù)到對(duì)稱分布的位置,相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)阻流件后孔板流量計(jì)和氣體超聲流量計(jì)安裝位置的前直管段長(zhǎng)度作出了規(guī)定(見(jiàn)表1)[15-16]。

表1 現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的流量計(jì)上游直管段長(zhǎng)度上游直管段長(zhǎng)度孔板流量計(jì)超聲流量計(jì)孔徑比單90°彎頭雙90°彎頭未知流量計(jì)上、下游直管段長(zhǎng)度要求或用戶無(wú)法提供預(yù)期安裝條件0.4016D10D0.5022D18D0.6042D30D0.7544D44D50D

然而,當(dāng)天然氣中混入氫氣后導(dǎo)致其組分發(fā)生變化,會(huì)使其相對(duì)密度、壓縮因子等物性參數(shù)發(fā)生改變,從而對(duì)流量計(jì)量結(jié)果產(chǎn)生直接的影響[17]。混氫天然氣相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)天然氣,其速度場(chǎng)發(fā)生改變,因此,現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21446-2008《用標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)測(cè)量天然氣流量》和GB/T 18604-2014《用氣體超聲流量計(jì)測(cè)量天然氣流量》規(guī)定的安裝條件無(wú)法滿足混氫天然氣的計(jì)量準(zhǔn)確度要求。本研究以標(biāo)準(zhǔn)中所描述的任一平面單90°彎頭和兩彎頭距離10D

2 數(shù)值仿真模型建立

2.1 彎管幾何模型建立

在天然氣輸送系統(tǒng)中,單90°彎頭和同平面雙90°彎頭是十分典型的兩種阻流件,其幾何結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。彎管由入口管段、90°彎頭、出口管段3部分組成,管道直徑均為100 mm,彎頭前的直管段長(zhǎng)度設(shè)置為10D,彎頭后的直管段長(zhǎng)度為50D。

2.2 網(wǎng)格劃分及無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

利用ANSYS建立彎頭的幾何模型后,采用六面體網(wǎng)格對(duì)幾何模型進(jìn)行計(jì)算網(wǎng)格的劃分。在模擬計(jì)算時(shí),彎管分為3個(gè)區(qū)域:上游入口管段、90°彎頭區(qū)域、下游出口管段。由于彎頭是造成下游流場(chǎng)流態(tài)畸變的主要部位,因此,彎頭區(qū)域需進(jìn)行網(wǎng)格加密,上游區(qū)域和下游區(qū)域的網(wǎng)格則較粗。雙90°彎頭的網(wǎng)格劃分如圖2所示。由于網(wǎng)格的質(zhì)量會(huì)對(duì)后續(xù)的數(shù)值模擬計(jì)算產(chǎn)生很大的影響,因此,進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證,以確保數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)果與網(wǎng)格的數(shù)量無(wú)關(guān),并使模擬計(jì)算準(zhǔn)確高效。這里以壓力為5 MPa、入口流速為15 m/s下?lián)綒淞?摩爾分?jǐn)?shù),下同)分別為0、30%的CH4-H2混合物在雙90°彎管內(nèi)流動(dòng)為例,采用網(wǎng)格單元數(shù)為1 875 642、2 420 737、3 057 231進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明,當(dāng)網(wǎng)格數(shù)從1 875 642增至3 057 231時(shí),網(wǎng)格數(shù)量對(duì)彎頭后下游直管段流體速度的影響已經(jīng)很小了,綜合考慮仿真的精度及計(jì)算效率,最終選擇網(wǎng)格數(shù)為2 120 737進(jìn)行后續(xù)仿真模擬。

2.3 控制方程

本研究的混氫天然氣管道流動(dòng)為典型的流體力學(xué)問(wèn)題,假設(shè)甲烷與氫氣混合均勻,并在管道內(nèi)做定常流動(dòng)。除了滿足質(zhì)量、動(dòng)量和能量三大守恒方程外,還需要滿足氣體狀態(tài)方程[18],如式(1)所示:

(1)

式中:p為壓力,MPa;R為氣體常數(shù),8.314 J/(mol·K);T為溫度,K;Vm為摩爾體積,m3/mol;ac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)。

為分析甲烷和氫氣在管道中的氣體傳質(zhì)規(guī)律,還需開(kāi)啟組分運(yùn)輸模型[19],如式(2)所示:

(2)

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)生的組分質(zhì)量,kg/(m3·s)。

本研究所模擬的混氫天然氣彎管流動(dòng)屬于湍流流動(dòng),需要選擇合適的湍流方程,與標(biāo)準(zhǔn)的模型相比,RNG模型在方程中增加了一項(xiàng),提高了高速流動(dòng)的準(zhǔn)確性,并在湍流計(jì)算中考慮了渦流的影響,提高了旋渦流動(dòng)的精度。RNG模型在更廣泛的流體計(jì)算中能夠獲得更高的精度和可信度。因此,本研究選擇RNG模型作為湍流方程。離散格式采用QUICK格式,用SIMPLEC算法計(jì)算求解。

2.4 邊界條件

操作條件設(shè)置為:壓力5 MPa、溫度15 ℃、入口流速15 m/s。由于氫氣和天然氣的密度差異巨大,對(duì)于混氫天然氣,不能忽略其密度的變化,須將其看作可壓縮流動(dòng),因此,采用壓力入口邊界條件,將入口流速15 m/s換算成入口總壓。出口邊界條件則采用天然氣出口流量。無(wú)滑移固壁邊界條件。流體介質(zhì)為天然氣和氫氣的混合物,其黏度、密度等參數(shù)由軟件本身確定。模擬了摻氫量分別為0、10%、20%、30%共4組CH4-H2流體介質(zhì)。邊界條件設(shè)置見(jiàn)表2。

表2 邊界條件設(shè)置組數(shù)進(jìn)口出口y(CH4)/%y(H2)/%溫度/K入口總壓/MPa質(zhì)量流量/(kg·s-1)11000288.154.907 1444.0629010288.154.906 9973.6338020288.154.906 8893.2247030288.154.906 8102.84

3 結(jié)果與討論

3.1 單90°彎頭混氫天然氣對(duì)流量計(jì)安裝條件的影響

單90°彎管的直徑D為100 mm,彎頭前的直管段長(zhǎng)度為10D,彎頭后的直管段長(zhǎng)度為50D。摻氫量分別為0、10%、20%、30%。為分析混氫天然氣管道流量計(jì)安裝位置的前直管段長(zhǎng)度要求,需重點(diǎn)關(guān)注彎頭后的流場(chǎng)情況。圖3和圖4所示為彎頭后摻氫量分別為0和30%的某些截面速度分布云圖(L為彎頭后直管段長(zhǎng)度),圖5所示為不同摻氫量的混氫天然氣流經(jīng)單90°彎頭后管道中線上的速度變化,圖6所示為混氫天然氣在單90°彎頭后的16D、22D、44D、50D截面中線上的速度分布。

從圖3和圖4可以看出,流體剛流經(jīng)單90°彎頭后,速度分布極不均勻,管道內(nèi)側(cè)呈“倒U型”高速區(qū),其原因是流體經(jīng)過(guò)彎頭時(shí),離心力會(huì)使流體向管道外側(cè)偏移,從而導(dǎo)致內(nèi)側(cè)壓力較外側(cè)小,流速較大。從圖5可以看出,單90°彎頭對(duì)混氫天然氣流場(chǎng)的影響十分顯著,彎頭后管道中線上的速度先快速減小后又緩慢上升至趨于穩(wěn)定。且在20D后,摻氫量為0與摻氫量為10%、20%、30%時(shí)的管道中線氣體流速存在明顯差異,說(shuō)明氫氣含量的變化對(duì)單90°彎頭后的速度場(chǎng)分布存在影響,從而影響流量計(jì)的安裝條件。從圖6可以看出,在16D和22D截面處,摻氫量為0的截面中線速度分布與摻氫量為10%、20%、30%的差異雖不顯著,但都沒(méi)達(dá)到對(duì)稱速度分布。而在44D和50D截面處,摻氫量為0的速度分布與摻氫量為10%、20%、30%的差異較為明顯,并且可以看到,在44D截面處,摻氫量為0的速度分布已經(jīng)恢復(fù)為對(duì)稱速度分布,而摻氫量為10%～30%的速度分布并未恢復(fù)為對(duì)稱速度分布。在50D截面處,摻氫量為10%～30%的流速還未恢復(fù)為對(duì)稱速度分布。

現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的孔板流量計(jì)安裝位置的前直管段長(zhǎng)度最長(zhǎng)為44D,超聲流量計(jì)安裝位置前直管段長(zhǎng)度要求為50D。這說(shuō)明摻氫量為10%～30%時(shí),標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的流量計(jì)安裝位置前直管段長(zhǎng)度不再符合要求。因此,針對(duì)于混氫天然氣,應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)單90°彎頭后孔板流量計(jì)和超聲流量計(jì)安裝位置前直管段長(zhǎng)度,從而使流量計(jì)安裝在速度能恢復(fù)到對(duì)稱分布的位置,以提高流量計(jì)的計(jì)量準(zhǔn)確度。

3.2 雙90°彎頭混氫天然氣對(duì)流量計(jì)安裝條件的影響

對(duì)于雙90°彎管同樣需重點(diǎn)關(guān)注彎頭后的流場(chǎng)情況,圖7和圖8所示為雙彎頭后摻氫量分別為0和30%的某些截面速度分布云圖(L為彎頭后直管段長(zhǎng)度),圖9所示為不同摻氫量的混氫天然氣流經(jīng)雙90°彎頭后管道中線上的速度變化,圖10所示為混氫天然氣在雙90°彎頭后的10D、22D、30D、44D、50D截面中線上的速度分布。

從圖7和圖8可以看出,流體剛流經(jīng)雙90°彎頭后,速度分布同樣極不均勻,與單彎頭不同的是,其高速區(qū)并未呈“倒U型”,但同樣是管道內(nèi)側(cè)流速大,外側(cè)流速小。從圖9可以看出,雙90°彎頭對(duì)混氫天然氣流場(chǎng)的影響更為顯著,彎頭后管道中線上的速度先急劇減小后上升,而后又減小至逐漸恢復(fù)穩(wěn)定。且不同的摻氫量也使得雙90°彎頭后的速度分布存在差異,其中摻氫量為0和10%與摻氫量為20%和30%的管道中線速度存在明顯差異。從圖10可以看出,在22D內(nèi)不同摻氫量的截面中線速度分布存在顯著差異,說(shuō)明氫氣含量的變化對(duì)雙90°彎頭后的速度場(chǎng)分布存在較大影響。在30D截面處摻氫量為0～30%的流體速度雖均未恢復(fù)到對(duì)稱狀態(tài),但摻氫量為0和10%的天然氣較摻氫量為20%和30%其截面中線速度更趨于對(duì)稱分布,在44D和50D截面處這種差異雖然有所減弱,但摻氫量為20%和30%的天然氣其截面中線速度分布并未完全達(dá)到對(duì)稱狀態(tài)。這說(shuō)明摻氫量不大于10%時(shí),現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最長(zhǎng)雙90°彎頭后孔板流量計(jì)(44D)與超聲流量計(jì)(50D)安裝位置前直管段長(zhǎng)度基本符合要求;而對(duì)于摻氫量為20%～30%的天然氣來(lái)說(shuō),現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最長(zhǎng)流量計(jì)前直管段長(zhǎng)度不符合要求,應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)前直管段長(zhǎng)度。另外根據(jù)表1,如果孔板流量計(jì)的孔徑比減小,其規(guī)定的雙90°彎頭后流量計(jì)安裝位置前直管段長(zhǎng)度將小于44D,而摻氫量為10%的天然氣在直管段長(zhǎng)度小于44D的位置處,速度分布未恢復(fù)到對(duì)稱狀態(tài)。這時(shí),對(duì)于摻氫量為10%的混氫天然氣來(lái)說(shuō),現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)已不再符合要求,須適當(dāng)延長(zhǎng)以提高孔板流量計(jì)的計(jì)量準(zhǔn)確度。

4 結(jié)論

本研究基于數(shù)值模擬,分析了單90°彎頭和雙90°彎頭后混氫天然氣的速度場(chǎng)分布,只有管道內(nèi)的流速恢復(fù)為對(duì)稱速度分布,孔板流量計(jì)和超聲流量計(jì)的計(jì)量準(zhǔn)確度才能得到保證。對(duì)于混氫天然氣管道的流量計(jì)安裝條件,得出如下結(jié)論:

(1) 在單90°彎頭后44D和50D截面處,摻氫量為10%～30%時(shí)的氣體流速還未恢復(fù)到對(duì)稱速度分布,須適當(dāng)延長(zhǎng)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中孔板流量計(jì)和超聲流量計(jì)安裝位置的前直管段長(zhǎng)度。

(2) 在雙90°彎頭后44D截面和50D截面處,摻氫量為10%時(shí)的氣體流速已恢復(fù)到對(duì)稱速度分布,摻氫量為20%～30%的流速未恢復(fù)到對(duì)稱速度分布,則摻氫量不大于10%時(shí),現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最長(zhǎng)孔板流量計(jì)(44D)和超聲流量計(jì)(50D)前直管段長(zhǎng)度基本符合要求;而摻氫量為20%～30%時(shí),現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的流量計(jì)前直管段長(zhǎng)度不符合要求,需適當(dāng)延長(zhǎng)。

(3) 在雙90°彎頭后30D截面處,摻氫量為10%時(shí)的氣體流速未恢復(fù)到對(duì)稱速度分布,對(duì)于孔徑比較小的孔板流量計(jì),現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的前直管段長(zhǎng)度已不符合要求,需適當(dāng)延長(zhǎng)。

本研究初步探索了混氫天然氣流量計(jì)量系統(tǒng)中的阻流件及測(cè)量管的布置需求,但無(wú)法估算其測(cè)量不確定度,有一定的局限性,建議進(jìn)一步開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究,探索混氫天然氣的流態(tài)變化規(guī)律,以便更合理地布置混氫天然氣的流量計(jì)量系統(tǒng)。