天然氣管道摻氫裝置及混合特性

摘要：天然氣摻氫是實現(xiàn)氫氣大規(guī)模、長距離運輸?shù)闹匾夹g手段，有必要開展基于天然氣摻氫技術的混合裝置及混合效果研究。為了優(yōu)選混合裝置并探究其混合效果，選用氫氣和甲烷兩種工質，構建T型管（主管與支管夾角為30°、60°和90°）混合器、單切向混合器及文丘里混合器模型，并基于Fluent對所構建模型進行數(shù)值模擬，對不同模型的混合效果進行對比分析。結果表明：在采用控制變量法的情況下，隨著速度、摻氫比分別增大，混合效果越差；速度比（甲烷/氫氣）對混合性能影響很大，速度比越大，混合效果越好；在已設定的幾種條件下，單切向混合器的混合效果最佳，T型管（90°）混合器的混合效果最差。

關鍵詞：天然氣摻氫； ANSYS Fluent； 數(shù)值模擬； 混合特性

中圖分類號：TE 832 """"文獻標志碼：A

引用格式：楊東海，孫雅倩，田磊，等.天然氣管道摻氫裝置及混合特性［J］.中國石油大學學報（自然科學版），2025，49（1）：178-184.

YANG Donghai， SUN Yaqian， TIAN Lei， et al. Investigation on hydrogen blending devices and mixing characteristics of" natural gas pipeline［J］. Journal of China University of Petroleum （Edition of Natural Science），2025，49（1）：178-184.

Investigation on hydrogen blending devices and mixing characteristics of" natural gas pipeline

YANG Donghai1， SUN Yaqian1， TIAN Lei2， FANG Kun3， GUO Kai4， LI Mofan1

（1.College of Pipeline and Civil Engineering， China University of Petroleum （East China）， Qingdao 266580， China;

2.Energy Research Institute， Academy of Macroeconomic Research， Beijing 100032， China;

3.China Petroleum Engineering amp; Construction Company Limited， Beijing 100085， China;

4.College of Petroleum and Chemical Engineering， Lanzhou University of Technology， Lanzhou 730050， China）

Abstract：Natural gas-hydrogen blending is a technical means to achieve large-scale and long-distance transportation of hydrogen. It is necessary to investigate the blending device and mixing effect characteristics based on the natural gas hydrogen blending technology. To select the best blending device and investigate its mixing characteristics， two types of work gases， hydrogen and methane， were used in this work. The T-tube （30°，60° and 90°） mixer， the single tangential mixer and Venturi mixer models were constructed， and the numerical simulation of the constructed models was performed based on Fluent. The study shows that with the increase of the velocity and hydrogen blending ratio， the mixing effect will be worse when using the control variable method. The velocity ratio （methane/hydrogen） greatly affects the mixing performance， and the larger the velocity ratio， the better the mixing effect. Under the several conditions that have been set， the single tangential mixer has the best mixing effect， and the T-tube （90°） mixer is the worst.

Keywords： hydrogen blending of natural gas; ANSYS Fluent; numerical simulation; mixing characteristics

收稿日期：2024-03-08

基金項目：國家社科基金重大項目（19ZDA084）;中國經(jīng)濟改革促進與能力加強項目（TCC6-2019-A31）

第一作者及通信作者：楊東海（1984-），男，教授，博士，研究方向為多相分離技術、天然氣管道摻氫輸送工藝技術。E-mail：yangdonghai@upc.edu.cn。

文章編號：1673-5005（2025）01-0178-07""" doi：10.3969/j.issn.1673-5005.2025.01.019

氫能是替代化石能源實現(xiàn)碳中和的重要選擇。碳減排目標下，來源于可再生能源制取的綠氫應用前景廣闊，在能源化工、鋼鐵冶煉、建筑材料、航空運輸?shù)确矫婢哂休^大需求。中國中西部地區(qū)難以完全消納和利用其擁有的豐富水能、風能、太陽能等資源，導致“棄風棄光”現(xiàn)象［1-2］。若利用此部分資源電解水制氫，不但可緩解中西部地區(qū)的“棄風棄光”現(xiàn)象，未來還可作為氫能產(chǎn)業(yè)成熟后的重要氫氣來源［3］。氫能大規(guī)模輸運問題已成為當前研究熱點，混氫天然氣（HCNG）被認為是可能解決的方案之一。該技術將氫氣加入到現(xiàn)有天然氣管道或管網(wǎng)中，能大幅度降低氫氣輸送費用，實現(xiàn)氫能安全高效、長距離、低成本輸送，這對于推動中國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有十分重要的意義［4］。天然氣摻氫混合可通過3種方式實現(xiàn)：①在天然氣管網(wǎng)上游，將生產(chǎn)的氫氣與開采出的天然氣混合并注入；②在天然氣管網(wǎng)上游，直接生產(chǎn)氫氣甲烷的混合氣并注入；③在天然氣管網(wǎng)覆蓋地區(qū)，基于可再生能源生產(chǎn)氫氣并通入天然氣管網(wǎng)進行混合［3，5］。這種方法可最大限度地提高能源效率，并整合不同的可再生能源［6］。在終端，氫氣與天然氣混合輸送后可用于天然氣內(nèi)燃機或作為日常燃料直接使用，也可提氫后分別單獨使用，這將大幅度提升氫能的使用規(guī)模與效率，推動中國氫能產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展［7］。工業(yè)生產(chǎn)過程中氣體混合方式主要有：擴散、攪拌、射流、撞擊流等，其原理都是通過主體擴散、湍流擴散和分子擴散來實現(xiàn)混合的，主要的流體混合器包括撞擊射流混合器、管道混合器、文丘里混合器、擴散孔板混合器等［8-9］。袁會勇等［10］對密封容器內(nèi)混合氣體的充入方式進行了試驗研究。戰(zhàn)永平等［11］設計了一種同心管側向對流式氣液混合器，該混合器結構簡單、穩(wěn)定性好、無氣體射流錐，不影響段塞流的模擬；楊俊［12］對文丘里混合器的流場特性進行了計算分析和改進，使得其混合均勻程度有了較大提升。陳俊文等［13］結合工程實際情況開展了天然氣摻氫關鍵參數(shù)和關鍵工藝的研究，結果表明天然氣摻氫后混合介質的最小點火能、爆炸下限等降低，泄漏趨勢升高，摻氫天然氣泄漏后熱輻射范圍隨摻氫比升高而降低；羅子萱等［14］對摻氫天然氣在家用燃氣具上的燃燒安全性進行了探究；Dieguez等［15］評估了天然氣摻氫管道泄漏可能造成的危害。另外，在天然氣摻氫影響因素方面，馬勤勇等［16］研究了摻氫比為0～100%時燃氣輪機的運行特性；Irfan［17］對歐洲P2G項目進行了歸納總結，并指出不同管網(wǎng)設備對摻氫比的接受程度存在差異；Hafsi等［18］對環(huán)形管網(wǎng)內(nèi)的節(jié)點周向應力隨時間變化的瞬態(tài)模型進行了研究，結果表明天然氣管道中摻氫比為30%時較為合理；Molnarne等［19］對溫度、壓力以及摻氫比進行分析研究。對多介質混合器及摻氫比影響研究較多，但對天然氣摻氫混合裝置及混合效果缺乏研究，而該方面研究對于摻氫工藝選擇至關重要。因此筆者構建5種混合器模型，并基于Fluent進行天然氣摻氫數(shù)值模擬研究，研究不同速度、摻氫比、速度比（甲烷/氫氣）的影響，并基于無量綱參數(shù)（混合穩(wěn)定所需長度/甲烷進口管徑）對比研究不同情況下的混合效果。

1" 模型構建與數(shù)值模擬

1.1" 數(shù)學模型

1.1.1" 流體力學控制方程

天然氣和氫氣在摻混過程及在管道流動中的連續(xù)性方程：

ρt+·（ρ

v）=0.（1）

式中，ρ為氣體密度，kg/m3；v為氣體流速，m/s；t為流動時間，s。

摻混過程及在管道流動中的動量方程：

（ρu）t+ρu·u=-p+·（τ）+ρg+F.（2）

式中，F(xiàn)為除重力外的外部體積力，N/m3；p為靜壓，Pa；g為重力加速度，m/s2；τ為黏性剪切應力張量，Pa;u為氣體流速，m/s。

能量方程：

·［u（ρE+p）］=·［keT+（τe·u）］.（3）

式中，E為能量，J/kg；T為流體溫度，K；ke為有效傳熱系數(shù)，W/（m2·K）；τe為有效黏性剪切應力張量，Pa。

1.1.2" 湍流模型

湍流模型采用標準k-ε模型，表示為

（ρk）t+（ρkui）xi=xjμ+μtσkkxj+Gk+Gb-ρε-YM. （4）

（ρε）t+（ρεui）xi=xjμ+μtσεεxj+C1εεk（Gk+C3εGb）-C2ερε2k .（5）

其中

μt=ρCμk2ε" .

式中，k為湍動能，J/kg；ε為湍流動能耗散率，m2/s3；μt為湍流黏度，Pa·s；Gk為隨速度變化的湍動能，J/kg；Gb為浮力變化帶來的湍動能，J/kg；YM為在可壓縮湍流中擴散產(chǎn)生的波動，m2/s3。

其中σk=1.0，σε=1.3， C1ε=1.44，C2ε=1.92，Cμ=0.09。

1.2" 混合器模型

采用了5種混合器，分別是T型管（30°、60°和90°）混合器、單切向混合器以及文丘里混合器，其中T型管中所設角為主管與支管的夾角。

1.2.1" T型管混合器

T型管混合器是一種使兩股流體混合均勻的最簡單的混合器之一，被廣泛應用于過程工業(yè)，主要用于廢水處理、加入添加劑、液相物料混合以及湍流反應［20-21］。圖1為T型管（30°）、T型管（60°）和T型管（90°）混合器。

1.2.2" 單切向混合器

單切向混合器是對現(xiàn)有物料的輸送管路進行改造，其中輸送管路設有氫氣輸入口以及用于將氫氣與天然氣進行摻混的摻混裝置，能夠保證氫氣的輸送過程便捷穩(wěn)定。單切向混合器的工作原理為氫氣通過與主管相切的角度進入主管中，并與主管中的天然氣進行混合［22］。圖2為單切向混合器。

1.2.3" 文丘里混合器

文丘里混合器是一種在工程實踐中被廣泛使用的氣液或液液混合設備。主要是利用L型旁路管體將氫氣引入主管體，并由高速噴嘴噴出，最終實現(xiàn)與主管體內(nèi)天然氣的混合。文丘里混合器對管道內(nèi)壁產(chǎn)生的沖擊力較小，不易損壞管道，并且容易與主流的液體或氣體進行混合［23］。圖3為文丘里混合器。

1.3" 模型網(wǎng)格劃分

氫氣和甲烷混合仿真時，F(xiàn)luent的計算精度取決于網(wǎng)格密度。對5種混合器模型進行網(wǎng)格劃分時，管體部分采用正四面體網(wǎng)格劃分，設置其單元尺寸為5 mm，打開自適應尺寸，在混合器入口表面處設置邊界層，邊界層總厚度為3 mm，設置3層。圖4為T型管（90°）混合器網(wǎng)格劃分示意圖。

對模型進行網(wǎng)格無關性驗證，分別采用3、5和8 mm三種網(wǎng)格進行數(shù)值模擬，如表1所示。

由表1可以看出，網(wǎng)格1、2之間出口氫氣質量分數(shù)的波動量為2.5%，網(wǎng)格2、3之間出口氫氣質量分數(shù)的波動量為2%。同時考慮若網(wǎng)格太密，則占據(jù)的計算資源較大，因此最終采用5 mm的網(wǎng)格進數(shù)值模擬。通過計算出口氫氣質量分數(shù)的波動量，進而排除了網(wǎng)格尺寸對模擬結果的影響，網(wǎng)格無關性也得到了驗證。

1.4" 邊界條件設置

在Fluent中進行邊界條件設置及仿真計算，將環(huán)境溫度設為298 K，甲烷來流、氫氣來流均采用速度入口邊界條件（velocity-inlet），流速均分別設置為0.5、1、2 m/s，出口采用自由出流邊界條件。重力沿y軸負方向為9.8 m/s2，采用瞬態(tài)仿真，壁面函數(shù)設置為標準壁面函數(shù)，混合器主管路入口氣體為純天然氣，摻混管路入口氣體為純氫氣。初始化選擇混合初始化，從速度入口開始計算，將初始內(nèi)部工質設為100%天然氣。本模擬均在理想氣體條件下進行。

2" 氫氣與甲烷混合特性

2.1" 天然氣摻混氫氣的理論分析

氫氣的高位熱值僅為12.7 MJ/m3，因此隨著摻氫比增加，摻氫天然氣的高位熱值降低，按照GB/T13611-2018《城鎮(zhèn)燃氣分類和基本特征》［24］規(guī)定，天然氣管網(wǎng)終端設備的高位熱值為

31.97～43.57 MJ/m3，因此天然氣摻氫比小于27%較為合理［25］。

確定一個無量綱參數(shù)L*=L/D（混合穩(wěn)定所需長度/甲烷進口管徑）來判定不同工況下的混合程度?；旌戏€(wěn)定所需長度即混合器橫截面上氫氣含量幾乎不變時對應混合器的位置。混合穩(wěn)定所需長度越短，對應L*越小，混合效果越好。

2.2" 速度變化對天然氣混氫特性影響

對5種混合器中氣體速度變化進行數(shù)值模擬。根據(jù)《煤氣規(guī)劃設計手冊》［26］中的相關標準，為了更好地觀察其混合效果，速度分別設定為0.5、1和2 m/s。圖5為速度0.5 m/s時單切向混合器的速度矢量分布。由圖5可以看出，氫氣和甲烷混合開始時速度會明顯增大，隨著混合進行，速度略微降低，最終達到穩(wěn)定狀態(tài)。圖6為速度0.5 m/s時混合器中氣體混合狀況變化趨勢。由圖6可以看出，隨著摻混距離增加，混合狀態(tài)逐漸穩(wěn)定，最終氫氣質量分數(shù)趨近于0.2。圖7為不同速度下5種混合器的混合效果對比。由圖7可以看出，當入口速度較小時，對應的L*也很小，混合效果較好，隨著速度增大，L*也隨之增大，最終導致混合穩(wěn)定所需距離增加，混合效果變差。因此，速度為0.5 m/s時效果最好。當速度為0.5 m/s時，T型管（30°）混合器、T型管（60°）混合器、T型管（90°）混合器、單切向混合器、文丘里混合器所對應的L*分別為8.125、10.625、12.5、5.625、6.25。因此，速度0.5 m/s條件下，單切向混合器的混合效果最佳，其次是文丘里混合器，T型管（90°）混合器的混合效果最差。

這是因為單切向混合器中的氫氣是以與主管相切的角度進入主管中，并與主管中的甲烷充分混合。而T型管混合器側管入口角決定了管內(nèi)流體是否撞擊所在管的管壁，從而影響混合區(qū)域相對位置。當主管與側管夾角為30°時，側管流體進入主管后與主管中流體在主管中心線處混合，并沒有與主管管壁發(fā)生碰撞；而主管與側管夾角為60°時，由于側管中流體會對主管產(chǎn)生一個撞擊力，能量損失較大；當主管與側管夾角為90°時，側管流體垂直進入主管，對主管壁面的撞擊最為強烈［27］。可以看出，改變側管入口角對主管內(nèi)部流體混合情況的影響非常明顯。就速度變化來說，T型管（30°）、T型管（60°）和T型管（90°）混合器達到完全混合對應的L*分別為8.125、10.625和12.5。文丘里混合器中主流氣體與引流氣體是垂直方向進行混合的，混合效率慢，旁路管體是呈L型設置的，引流氣體是平行方向進入主管體的，不易損壞管道，并且容易與主流氣體進行混合，因此文丘里混合器的混合效果優(yōu)于T型管混合器。

2.3" 摻氫比變化對天然氣混氫特性影響

對5種混合器的摻氫比變化進行數(shù)值模擬，摻氫比選用10%、20%、30%。圖8為摻氫比為10%時文丘里混合器氫氣質量分數(shù)云圖。由圖8可以看出，氫氣由L型旁路管體噴出，然后與主管體中的甲烷進行混合。圖9為摻氫比10%時T型管（30°）混合器流線。由圖9可以看出氫氣和甲烷在混合過程中速度變化趨勢，混合開始時，混合速度明顯增大。

2.4" 速度比變化對天然氣混氫特性影響

對5種混合器的速度比（甲烷/氫氣）變化進行數(shù)值模擬，速度比選用1∶1、1∶2、1∶3、1∶4。圖11為速度比為1∶1時T型管（90°）混合器氫氣體積分數(shù)云圖。由圖11可以看出，隨著摻混距離增大，混合逐漸均勻；由于氫氣密度小于甲烷，因此氫氣分布在上層。

3" 結" 論

（1）在速度比相同、摻氫比一定的情況下，隨著甲烷來流與氫氣來流速度同等程度增大，天然氣摻氫混合均勻的位置也隨之加長。

（2）速度比對混合性能影響很大，速度比越大，混合效果越好。

（3）T型管混合器側管入口角會影響混合區(qū)域相對位置，T型管（30°）混合器相較于T型管（60°）和T型管（90°）混合器，其達到完全混合所需的距離更短，混合效果也更好。

（4）對比T型管（30°）、T型管（60°）、T型管（90°）混合器、單切向混合器及文丘里混合器的混合狀況，單切向混合器的混合效果最優(yōu)，T型管（90°）混合器的混合效果最差。

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（編輯" 沈玉英）