混氫天然氣對流量計安裝條件的適應性分析

張雯琴李長俊,2賈文龍,2王國云

1.西南石油大學石油與天然氣工程學院 2.西南石油大學油氣儲運專業CNPC重點實驗室

氫氣具有能量密度高、可獲得性廣、綠色低污染等優點,是未來能源載體最有前途的清潔能源[1-2],但高昂的純氫管網建設費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中摻入一定比例的氫氣,以混氫天然氣的形式實現氫能的輸送和利用[3-6]。而流量計量是混氫天然氣輸送管道中的重要環節,準確的計量是對賣方和買方經濟利益的重要保障?？装辶髁坑嬜鳛橐环N差壓式流量計,具有結構簡單、計量穩定、操作方便、價格便宜等優點[7]。超聲流量計作為一種速度式流量計,具有準確度高、壓損小、耐腐蝕、無節流元件等優點[8],二者是石油與天然氣行業中使用最廣泛的流量計。

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改變流體的性質和流動狀態,從而影響流量計的計量準確度[9-11]。而現行標準中規定的流量計安裝條件僅適用于一般天然氣,無法滿足混氫天然氣的計量準確度要求。林棋[12]利用CFX軟件模擬了某站內超聲計量支路管段速度分布,發現氣體由進氣管流入集氣匯管時形成強烈渦流,在進入支管時存在嚴重的偏流現象,影響計量準確度,故需在支管上安裝整流器且整流器與檢測管段的距離在5～10D(D為管道直徑)以上,以保證流體流經整流器到達下游流量計時流速恢復對稱分布。Dong[7]在傳統不銹鋼孔板流量計開口處嵌入硬質合金,發現其計量準確度顯著提高且更加穩定;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介質條件下對孔板流出系數的影響;印小娜[14]利用Fluent軟件研究了氫氣和天然氣的混合規律,通過計算誤差分析了混氫天然氣對超聲流量計計量準確度的影響。

業界有大量的研究案例是針對一般管輸天然氣的計量,研究了管輸天然氣計量系統中阻流件布置對氣流流態、流量計量的影響,少有對混氫天然氣計量準確度的研究。因此,混氫天然氣對現行流量計安裝標準的適應性有待考證。在實際站場中,計量裝置上游的彎頭、匯管、三通等阻流件導致氣流產生速度畸變,其中,彎頭的數量最多。因此,本研究以現行標準的流量計安裝要求為參考,研究彎頭下游混氫天然氣的速度分布,分析混氫天然氣對現行流量計安裝條件的適應性。

1 流量計安裝條件現行標準

天然氣在流經彎頭這一阻流件后,會使下游流場產生強二次流、旋渦流,導致非對稱速度分布現象,從而影響流量計量的準確度,因此,需要將流量計安裝在速度恢復到對稱分布的位置,相關標準對阻流件后孔板流量計和氣體超聲流量計安裝位置的前直管段長度作出了規定(見表1)[15-16]。

表1 現行標準規定的流量計上游直管段長度上游直管段長度孔板流量計超聲流量計孔徑比單90°彎頭雙90°彎頭未知流量計上、下游直管段長度要求或用戶無法提供預期安裝條件0.4016D10D0.5022D18D0.6042D30D0.7544D44D50D

然而,當天然氣中混入氫氣后導致其組分發生變化,會使其相對密度、壓縮因子等物性參數發生改變,從而對流量計量結果產生直接的影響[17]?；鞖涮烊粴庀鄬τ跇藴侍烊粴?其速度場發生改變,因此,現行標準GB/T 21446-2008《用標準孔板流量計測量天然氣流量》和GB/T 18604-2014《用氣體超聲流量計測量天然氣流量》規定的安裝條件無法滿足混氫天然氣的計量準確度要求。本研究以標準中所描述的任一平面單90°彎頭和兩彎頭距離10D

2 數值仿真模型建立

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,其幾何結構模型如圖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,彎頭前的直管段長度設置為10D,彎頭后的直管段長度為50D。

2.2 網格劃分及無關性驗證

利用ANSYS建立彎頭的幾何模型后,采用六面體網格對幾何模型進行計算網格的劃分。在模擬計算時,彎管分為3個區域:上游入口管段、90°彎頭區域、下游出口管段。由于彎頭是造成下游流場流態畸變的主要部位,因此,彎頭區域需進行網格加密,上游區域和下游區域的網格則較粗。雙90°彎頭的網格劃分如圖2所示。由于網格的質量會對后續的數值模擬計算產生很大的影響,因此,進行網格無關性驗證,以確保數值模擬計算的結果與網格的數量無關,并使模擬計算準確高效。這里以壓力為5 MPa、入口流速為15 m/s下摻氫量(摩爾分數,下同)分別為0、30%的CH4-H2混合物在雙90°彎管內流動為例,采用網格單元數為1 875 642、2 420 737、3 057 231進行測試。結果表明,當網格數從1 875 642增至3 057 231時,網格數量對彎頭后下游直管段流體速度的影響已經很小了,綜合考慮仿真的精度及計算效率,最終選擇網格數為2 120 737進行后續仿真模擬。

2.3 控制方程

本研究的混氫天然氣管道流動為典型的流體力學問題,假設甲烷與氫氣混合均勻,并在管道內做定常流動。除了滿足質量、動量和能量三大守恒方程外,還需要滿足氣體狀態方程[18],如式(1)所示:

(1)

式中:p為壓力,MPa;R為氣體常數,8.314 J/(mol·K);T為溫度,K;Vm為摩爾體積,m3/mol;ac為臨界參數,是臨界溫度和臨界壓力的函數;α為引力函數,是對比溫度和偏心因子的函數;b為斥力函數。

為分析甲烷和氫氣在管道中的氣體傳質規律,還需開啟組分運輸模型[19],如式(2)所示:

(2)

式中:ρ為密度,kg/m3;ci為i組分的體積分數;t為時間,s;u為速度,m/s;Di為i組分的擴散系數,m2/s;Ri為單位時間、體積下產生的組分質量,kg/(m3·s)。

本研究所模擬的混氫天然氣彎管流動屬于湍流流動,需要選擇合適的湍流方程,與標準的模型相比,RNG模型在方程中增加了一項,提高了高速流動的準確性,并在湍流計算中考慮了渦流的影響,提高了旋渦流動的精度。RNG模型在更廣泛的流體計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算法計算求解。

2.4 邊界條件

操作條件設置為: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,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。無滑移固壁邊界條件。流體介質為天然氣和氫氣的混合物,其黏度、密度等參數由軟件本身確定。模擬了摻氫量分別為0、10%、20%、30%共4組CH4-H2流體介質。邊界條件設置見表2。

表2 邊界條件設置組數進口出口y(CH4)/%y(H2)/%溫度/K入口總壓/MPa質量流量/(kg·s-1)11000288.154.907 1444.0629010288.154.906 9973.6338020288.154.906 8893.2247030288.154.906 8102.84

3 結果與討論

3.1 單90°彎頭混氫天然氣對流量計安裝條件的影響

單90°彎管的直徑D為100 mm,彎頭前的直管段長度為10D,彎頭后的直管段長度為50D。摻氫量分別為0、10%、20%、30%。為分析混氫天然氣管道流量計安裝位置的前直管段長度要求,需重點關注彎頭后的流場情況。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為彎頭后直管段長度),圖5所示為不同摻氫量的混氫天然氣流經單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,流體剛流經單90°彎頭后,速度分布極不均勻,管道內側呈“倒U型”高速區,其原因是流體經過彎頭時,離心力會使流體向管道外側偏移,從而導致內側壓力較外側小,流速較大。從圖5可以看出,單90°彎頭對混氫天然氣流場的影響十分顯著,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定。且在20D后,摻氫量為0與摻氫量為10%、20%、30%時的管道中線氣體流速存在明顯差異,說明氫氣含量的變化對單90°彎頭后的速度場分布存在影響,從而影響流量計的安裝條件。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,但都沒達到對稱速度分布。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的速度分布已經恢復為對稱速度分布,而摻氫量為10%～30%的速度分布并未恢復為對稱速度分布。在50D截面處,摻氫量為10%～30%的流速還未恢復為對稱速度分布。

現行標準中規定的孔板流量計安裝位置的前直管段長度最長為44D,超聲流量計安裝位置前直管段長度要求為50D。這說明摻氫量為10%～30%時,標準規定的流量計安裝位置前直管段長度不再符合要求。因此,針對于混氫天然氣,應適當延長單90°彎頭后孔板流量計和超聲流量計安裝位置前直管段長度,從而使流量計安裝在速度能恢復到對稱分布的位置,以提高流量計的計量準確度。

3.2 雙90°彎頭混氫天然氣對流量計安裝條件的影響

對于雙90°彎管同樣需重點關注彎頭后的流場情況,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為彎頭后直管段長度),圖9所示為不同摻氫量的混氫天然氣流經雙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,其高速區并未呈“倒U型”,但同樣是管道內側流速大,外側流速小。從圖9可以看出,雙90°彎頭對混氫天然氣流場的影響更為顯著,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穩定。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內不同摻氫量的截面中線速度分布存在顯著差異,說明氫氣含量的變化對雙90°彎頭后的速度場分布存在較大影響。在30D截面處摻氫量為0～30%的流體速度雖均未恢復到對稱狀態,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到對稱狀態。這說明摻氫量不大于10%時,現行標準規定的最長雙90°彎頭后孔板流量計(44D)與超聲流量計(50D)安裝位置前直管段長度基本符合要求;而對于摻氫量為20%～30%的天然氣來說,現行標準規定的最長流量計前直管段長度不符合要求,應適當延長前直管段長度。另外根據表1,如果孔板流量計的孔徑比減小,其規定的雙90°彎頭后流量計安裝位置前直管段長度將小于44D,而摻氫量為10%的天然氣在直管段長度小于44D的位置處,速度分布未恢復到對稱狀態。這時,對于摻氫量為10%的混氫天然氣來說,現行標準已不再符合要求,須適當延長以提高孔板流量計的計量準確度。

4 結論

本研究基于數值模擬,分析了單90°彎頭和雙90°彎頭后混氫天然氣的速度場分布,只有管道內的流速恢復為對稱速度分布,孔板流量計和超聲流量計的計量準確度才能得到保證。對于混氫天然氣管道的流量計安裝條件,得出如下結論:

(1) 在單90°彎頭后44D和50D截面處,摻氫量為10%～30%時的氣體流速還未恢復到對稱速度分布,須適當延長現行標準中孔板流量計和超聲流量計安裝位置的前直管段長度。

(2) 在雙90°彎頭后44D截面和50D截面處,摻氫量為10%時的氣體流速已恢復到對稱速度分布,摻氫量為20%～30%的流速未恢復到對稱速度分布,則摻氫量不大于10%時,現行標準規定的最長孔板流量計(44D)和超聲流量計(50D)前直管段長度基本符合要求;而摻氫量為20%～30%時,現行標準規定的流量計前直管段長度不符合要求,需適當延長。

(3) 在雙90°彎頭后30D截面處,摻氫量為10%時的氣體流速未恢復到對稱速度分布,對于孔徑比較小的孔板流量計,現行標準規定的前直管段長度已不符合要求,需適當延長。

本研究初步探索了混氫天然氣流量計量系統中的阻流件及測量管的布置需求,但無法估算其測量不確定度,有一定的局限性,建議進一步開展實驗研究,探索混氫天然氣的流態變化規律,以便更合理地布置混氫天然氣的流量計量系統。