王 帥，楊成功，周 海，牛蓓媛，李建寧，羅婷婷

（1.延安大學(xué) 石油工程與環(huán)境工程學(xué)院；2.延安市油氣高效管輸與流動(dòng)保障工程技術(shù)研究中心，陜西 延安 716000）

氫能作為一種清潔高效且適用范圍廣泛的能源媒介，是連接傳統(tǒng)化石能源與可再生能源的重要紐帶，在當(dāng)前能源產(chǎn)業(yè)的進(jìn)展中具備關(guān)鍵性地位［1-3］。然而氫氣的輸送一直是制約氫能產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展的難題。將氫氣與天然氣摻混，利用在役天然氣管道及其輸配管網(wǎng)進(jìn)行輸送，是目前可實(shí)現(xiàn)安全、高效、大規(guī)模和長距離輸氫至終端用戶的最佳潛在方式。但我國現(xiàn)役長輸管道以鋼管為主，尤其是中高壓管道，氫氣的摻入將使之更容易發(fā)生氫損傷［4］。且由于天然氣與氫氣在物理化學(xué)性質(zhì)方面存在著差異，向天然氣中摻氫輸送將對(duì)輸氣系統(tǒng)管道水力熱力特性和管道安全等方面造成極大影響［5-6］。

目前，國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于天然氣摻氫輸送進(jìn)行了一系列研究，李敬法等［7］采用文獻(xiàn)調(diào)研，回顧與分析了近年來國內(nèi)外摻氫天然氣管道輸送的主要方向研究進(jìn)展；周慧等［8］采用數(shù)值模擬的方法研究了純氫與摻氫天然氣的節(jié)流特性，并建立了三段式節(jié)流系數(shù)預(yù)測(cè)新方法；周軍等［9］采用沃泊熱值指數(shù)、A.G.A指數(shù)、韋弗指數(shù)3種判定方法分析了氫氣和天然氣的互換性，明確了滿足天然氣互換性要求的最大摻氫比例；劉嘯奔等［10］針對(duì)摻氫天然氣管道，研究了氫與管材、焊縫和非金屬材料相容性等3個(gè)管道完整性評(píng)價(jià)關(guān)鍵問題；胡瑋鵬等［11］通過Fluent軟件建立了三維埋地純氫/摻氫天然氣管道泄漏模型，分析了多種因素對(duì)其泄露的影響；陳珂等［12］研究了天然氣管道摻氫輸送對(duì)離心壓縮機(jī)氣動(dòng)性能和穩(wěn)定工作范圍的影響；張佩穎［13］和于子龍等［14］研究了天然氣組成分析標(biāo)準(zhǔn)和物性計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)在摻氫條件下的適應(yīng)性。以上文獻(xiàn)多集中于天然氣摻氫過程摻混熱值、摻混比例及輸送安全方面的研究。

然而，氫氣和天然氣密度差異可引起流動(dòng)分層，使氫氣在管道中濃度分布不均，在局部形成氫氣的聚集，影響摻氫管道流動(dòng)狀態(tài)的復(fù)雜性與輸送的安全性。劉翠偉等［15］建立了摻氫天然氣混合模型，研究管道停輸和管道流動(dòng)工況的氫氣摩爾分?jǐn)?shù)變化，得出摻氫天然氣摩爾分?jǐn)?shù)分布規(guī)律；朱紅鈞等［16］剖析了均勻摻入不同摩爾分?jǐn)?shù)氫氣的起伏天然氣管道停輸后氣體靜止分層的過程。但對(duì)于天然氣摻氫后混氣均勻性、天然氣管路中氫氣低速區(qū)和氫氣聚集區(qū)的報(bào)道較少。安永偉等［17］對(duì)T型摻混管路和10種變徑摻混管路進(jìn)行數(shù)值模擬研究，可對(duì)天然氣摻氫在管道中流動(dòng)的氫濃度分布和管道變徑選取提供參考。本文基于以上研究，針對(duì)輸氣系統(tǒng)管道水力熱力特性與管道安全，采用Simdroid和Fluent平臺(tái)，模擬研究管道規(guī)格、流速、摻氫比、慘氫方式、管道壓力等多種因素下的天然氣-氫氣的摻混效果，以明確不同條件下天然氣摻氫后混氣均勻性、氫氣低速區(qū)和聚集區(qū)，從而為隨動(dòng)摻氫控制，開發(fā)快速、高效摻混工藝提供參考與依據(jù)。

1 模型的建立與分析

1.1 摻混管路模型

為研究天然氣-氫氣摻混過程及影響因素，參照國家電投朝陽天然氣摻氫示范項(xiàng)目管網(wǎng)的尺寸［18］，并根據(jù)流體力學(xué)中相似原理，構(gòu)建了本文的T型摻氫管道模型，如圖1所示。主管道內(nèi)徑為100 mm，摻氫點(diǎn)上游為1 000 mm，下游為10 000 mm，氫氣摻混管路位于主管道上方，垂直于主管路，管內(nèi)徑為30 mm，長度為1 000 mm。在摻混點(diǎn)下游設(shè)有5 個(gè)采樣截面，假設(shè)主管道入口介質(zhì)為純甲烷（天然氣的主要成分），摻氫管道入口介質(zhì)為純氫氣，管道的運(yùn)行參數(shù)如表1所示。

表1 T型管道摻氫運(yùn)行參數(shù)

圖1 T型管道示意圖

1.2 數(shù)學(xué)模型建立

天然氣和氫氣在摻混過程及在管道流動(dòng)中的連續(xù)性方程為

其中，ρ為氣體的密度；u為氣體的流速；t為流動(dòng)時(shí)間。

摻混過程及在管道流動(dòng)中的動(dòng)量方程為

其中，p為靜壓；F為除重力外的外部體積力；τ 為黏性剪切應(yīng)力張量。

對(duì)于動(dòng)量方程，討論壓力的邊界條件，認(rèn)為除了重力外沒有其他體積力。模擬分析中，混合氣的出口屬于開放邊界流場(chǎng)，處于未受擾動(dòng)狀態(tài)，即速度梯度為0。因此動(dòng)量方程簡化為

在邊界處有（-?p+ρg→）·n→f=0，即壁面邊界與開放邊界類似，均有

鑒于摻混流動(dòng)總是處于湍流狀態(tài)，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型模擬湍流輸運(yùn)特性。摻混過程及在管道流動(dòng)中的能量方程為

其中，E為能量，T為溫度，keff為有效傳熱系數(shù)，τeff為有效黏性剪切應(yīng)力張量。

摻混流體包含多組分，通過求解第i個(gè)組分的組分輸運(yùn)方程，可以獲得每個(gè)組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)Yi。其中組分輸運(yùn)方程為

其中，Ri為燃燒反應(yīng)導(dǎo)致的凈生成率，Si為從分散相產(chǎn)生的凈生成率。Ji是第i組分的質(zhì)量擴(kuò)散通量，在湍流中的質(zhì)量擴(kuò)散通量為

其中，SCt是湍流Schmidt 數(shù)，默認(rèn)數(shù)值為0.7；μt是湍流黏度。

其中，Di，m為在混合氣體中第i種氣體組分的質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)；Xi為第i種氣體的摩爾分?jǐn)?shù)；Di，j為氣體混合物的溫度常數(shù)或多項(xiàng)式函數(shù)。

由于天然氣摻氫的過程中，天然氣和氫氣遵循理想氣體狀態(tài)方程，由于壓力、流量的變化，其摻混氣體的濃度或密度相應(yīng)變化為

其中，pop為摻混氣體的工作壓力；p為相對(duì)于pop的局部相對(duì)壓力；R為氣體常數(shù)，MW為氣體的分子量，T為氣體的溫度。

1.3 網(wǎng)格剖分

仿真模擬天然氣和氫氣摻混并在管道中流動(dòng)時(shí)，流體分析的計(jì)算精度取決于網(wǎng)格的密度。通常情況下，網(wǎng)格密度越大，仿真結(jié)果精度就越高，為保證后續(xù)流體分析的精確性，通過設(shè)置不同網(wǎng)格尺寸10、15、20 mm 進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，最終設(shè)置網(wǎng)格尺寸大小為20 mm。

同時(shí)為提高網(wǎng)格的精度，準(zhǔn)確地模擬邊界處的精細(xì)物理細(xì)節(jié)，進(jìn)行邊界層設(shè)置，設(shè)置邊界層層數(shù)為8，增長率為1.05，首層厚度為0.3 mm；為更好反應(yīng)兩種氣體摻混時(shí)的流動(dòng)狀態(tài)，對(duì)模型的連接處進(jìn)行體加密，選擇體類型為圓柱體，細(xì)化等級(jí)為1，起終點(diǎn)以及加密半徑均與設(shè)定參數(shù)進(jìn)行綁定；為了保證進(jìn)出口模擬結(jié)果，對(duì)其施加面控制，最終生成網(wǎng)格，并進(jìn)行網(wǎng)格檢查，其網(wǎng)絡(luò)總數(shù)為67 324個(gè)，如圖2所示。設(shè)置組分輸運(yùn)模型，對(duì)進(jìn)出口以及壁面的邊界條件進(jìn)行設(shè)置，詳細(xì)的計(jì)算模型選擇和離散格式，如表2所示。

表2 計(jì)算模型選擇與離散格式表

圖2 網(wǎng)格劃分結(jié)果

2 結(jié)果討論

2.1 T型摻氫管道氣體流動(dòng)特性

采用Simdorid對(duì)T型摻氫管道進(jìn)行仿真模擬，氣體摻混后管道軸向天然氣摩爾分?jǐn)?shù)云圖如圖3A 所示。由于摻混氣體氫氣具有更輕的質(zhì)量，相比天然氣，支管和主管路的速度大小和方向均不同，因此在T型摻混管路中，氫氣主要分布在主管路上半部分。為更清晰觀察到天然氣摻氫的摻混效果，并保證模擬的準(zhǔn)確性，采用Fluent 進(jìn)行模擬驗(yàn)證得到氣體摻混后天然氣摩爾分?jǐn)?shù)云圖如圖3B 所示。可知Simdroid 與Fluent 的仿真結(jié)果一致，相互印證，仿真結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

圖3 氣體摻混后管道軸向截面天然氣摩爾分?jǐn)?shù)云圖

為分析氣體參混后T 型摻混管內(nèi)流速分布、氫氣低速區(qū)，運(yùn)用Fluent 與Simdroid 軟件進(jìn)行模擬分析，得到管道橫截面速度分布云圖如圖4 所示。由圖4 可知，由于天然氣和氫氣的速度大小、方向均不相同，在管道交界處發(fā)生摻混，兩股氣體交匯處，出現(xiàn)一個(gè)速度3 m/s 左右的區(qū)域，即局部放大圖的紅橙色區(qū)域；而在紅色區(qū)域右側(cè)靠近壁面位置，出現(xiàn)一個(gè)速度低于0.5 m/s的區(qū)域，即局部放大圖的藍(lán)色聚集區(qū)域，隨著摻混的進(jìn)行，在距離摻混中心200 mm 左右的距離處，該區(qū)域消失。此后主管路中心速度維持在1.6 m/s左右，由于管壁的阻力作用越靠近管壁速度越低。

圖4 T型管道氣體摻混后速度云圖

為準(zhǔn)確分析摻混過程中氫氣濃度分布情況，建立T型摻混管道摻混后軸向截面氫氣摩爾分?jǐn)?shù)云圖，如圖5A所示?？芍茌敋怏w僅在距摻混中心2 m范圍內(nèi)管道上方出現(xiàn)較為明顯的分層，寬度占據(jù)1/3管徑左右，摻混處氫氣摩爾分?jǐn)?shù)最高，在90%以上。隨著摻混距離的增加氫氣摩爾分?jǐn)?shù)和濃度逐漸降低，在距摻混中心4～8 m的范圍內(nèi)氫氣摩爾分?jǐn)?shù)大約為10%，到達(dá)管道終點(diǎn)時(shí)氫氣摩爾分?jǐn)?shù)小于10%。

圖5 氣體摻混后管道軸向和橫截面氫氣摩爾分?jǐn)?shù)云圖

為進(jìn)一步分析氫氣在摻混管道中的濃度分布狀態(tài)，建立了指定橫截面（Z1-Z5）氫氣摩爾分?jǐn)?shù)云圖，如圖5B 所示。可知在距離摻混中心2 m 的位置混合氣已經(jīng)基本混合均勻，但在管道上方仍然存在一個(gè)氫氣濃度較高的區(qū)域，約為20%，在距離摻混中心4、6、8、10 m 的位置處均未出現(xiàn)明顯分層現(xiàn)象。

通過量化氫氣濃度，分析摻混后氫氣摩爾分?jǐn)?shù)分布曲線，如圖6 所示。發(fā)現(xiàn)從摻混處至管道末端（Z1-Z5）5個(gè)截面處氫氣的摩爾分?jǐn)?shù)逐漸降低，其中摻混處管道上方氫氣摩爾分?jǐn)?shù)最高，約為19%，管道末端氫氣摩爾分?jǐn)?shù)最低，約為4%，隨著摻混距離的增加，管道橫截面處氫氣摩爾分?jǐn)?shù)跨度也逐漸減小，反映了管內(nèi)氣體混合度逐漸增加。表明了氫氣聚集區(qū)的分布情況，可為天然氣管道快速、高效摻氫摻混工藝提供理論依據(jù)。

2.2 摻氫比對(duì)摻混效果的影響

為更清晰觀察摻氫比對(duì)天然氣摻氫摻混效果的影響，將摻氫比由10% 增大為20%，采用Simdorid 模擬建立氣體摻混后天然氣摩爾分?jǐn)?shù)云圖，如圖7 所示。采用Fluent 繪制氣體摻混后管道軸向氫氣摩爾分?jǐn)?shù)云圖，如圖8A 所示。可知高濃度的氫氣（摩爾分?jǐn)?shù)大于60%）主要集中在距摻混中心200 mm 的管道中上部。當(dāng)摻氫比由10%增大至20%時(shí)，管內(nèi)中上部氫氣摩爾分?jǐn)?shù)明顯增加，氫氣的分層現(xiàn)象也更為顯著，寬度占據(jù)主管道的1/2 左右。摻混處氫氣摩爾分?jǐn)?shù)最高，在90%以上，氫氣摩爾分?jǐn)?shù)隨著摻混距離的增加而減小，在距摻混中心4～8 m 的范圍內(nèi)氫氣摩爾分?jǐn)?shù)在10%～20%范圍內(nèi)，到達(dá)管道終點(diǎn)時(shí)氫氣摩爾分?jǐn)?shù)小于10%。指定管道截面氫氣摩爾分?jǐn)?shù)分布如圖8B 所示，可知摻氫比為20%時(shí)，距離摻混中心2 m 的位置仍會(huì)觀察到明顯分層現(xiàn)象，混合氣在距離摻混中心3.5 m 左右的位置開始混合均勻，因而在距離摻混中心4、6、8、10 m 的位置處均未出現(xiàn)明顯分層現(xiàn)象。

圖7 氣體摻混后天然氣摩爾分?jǐn)?shù)云圖

圖8 氣體摻混后管道軸向和橫截面氫氣摩爾分?jǐn)?shù)云圖

通過量化氫氣濃度，分析摻氫比為20%時(shí)摻混管道氫氣摩爾分?jǐn)?shù)分布曲線，如圖9所示，可以發(fā)現(xiàn)從摻混處至管道末端（Z1-Z5）5個(gè)截面處氫氣的摩爾分?jǐn)?shù)逐漸減小，其中摻混處管道上方氫氣摩爾分?jǐn)?shù)最高，約為27%，管道末端氫氣摩爾分?jǐn)?shù)最低約為12%。隨著摻混距離的增加，管道橫截面處氫氣摩爾分?jǐn)?shù)跨度也逐漸減小，反映了管內(nèi)氣體混合均勻性增強(qiáng)。與摻氫比為10%的情況（圖6）對(duì)比分析，可知摻氫比增大后，由于單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入管道內(nèi)的氫氣大量增加，管內(nèi)氫氣的分層現(xiàn)象更為顯著，其所占據(jù)的管道橫截面積也增大，同時(shí)，隨著摻混距離的增加，其分層現(xiàn)象持續(xù)時(shí)間更長。所以在天然氣管道快速、高效摻氫摻混工藝設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮摻氫比的影響。

圖9 氣體摻混后氫氣摩爾分?jǐn)?shù)分布曲線

2.3 流速對(duì)摻混效果的影響

為分析流速對(duì)天然氣摻氫摻混效果的影響，將主管流速降至0.5 m/s，觀察氣體摻混后管內(nèi)氫氣摩爾分?jǐn)?shù)分布（圖10A），可知當(dāng)主管流速變慢，其他條件不變的情況下，相較于流速1 m/s（圖5A），管道內(nèi)氫氣的摩爾分?jǐn)?shù)顯著增加，甚至在摻混點(diǎn)左側(cè)也出現(xiàn)了小部分氫氣濃度較高的區(qū)域，其分層現(xiàn)象也更加明顯，持續(xù)距離也更長。

圖10 氣體摻混后管道軸向和橫截面氫氣摩爾分?jǐn)?shù)云圖

指定截面的氫氣摩爾分?jǐn)?shù)云圖如圖10B 所示，當(dāng)主管流速降低至0.5 m/s后，在距離摻混點(diǎn)2 m處，分層現(xiàn)象仍然明顯，約占到管徑的1/2，且在距摻混中心4 m左右，管內(nèi)氣體基本混勻，相較于主管流速1 m/s 的工況（圖5B），其完全混勻的距離增加了2 m，管內(nèi)氣體濃度也增加了一定比例，其原因是由于主管內(nèi)天然氣的流速下降，其攜帶氫氣分子的能力減弱，使氫氣分子在摻混點(diǎn)處大量堆積，從而使管內(nèi)分層現(xiàn)象加劇，氣體不易混勻。因此，主管流速對(duì)天然氣摻氫摻混效果的影響較大。

2.4 管道摻氫方式對(duì)摻混效果的影響

為探究摻氫方式對(duì)天然氣摻氫摻混效果的影響，在摻氫比為20%，其他參數(shù)均保持不變時(shí)，將摻氫管位置由主管上方移至主管下方，進(jìn)行建模，氣體摻混后管道軸向和橫截面氫氣摩爾分?jǐn)?shù)云圖如圖11 所示。對(duì)比圖11A 與圖8A，可明顯觀察到下部摻氫方式較上部摻氫方式分層現(xiàn)象減弱，分層距離持續(xù)更短；由圖11B 可知混合氣在距摻混中心約1 m 的位置已經(jīng)全部混勻，在2 m 的指定截面無分層現(xiàn)象，相對(duì)于上部摻氫的方式（圖8B），其混勻距離減少約2.5 m。即下部摻氫方式可顯著減小分層現(xiàn)象出現(xiàn)的距離，加速氣體混勻，混合氣體在摻混點(diǎn)下游不分層，在較短距離內(nèi)可混合均勻。主要是因?yàn)閺膿交禳c(diǎn)溢出后，增加了一個(gè)向管道上方擴(kuò)散過程，極大促使氫氣與天然氣的充分接觸，進(jìn)而使二者進(jìn)一步混勻，縮短了分層距離。

圖11 氣體摻混后管道軸向和橫截面氫氣摩爾分?jǐn)?shù)云圖

2.5 壓力與管徑對(duì)摻混效果的影響

同時(shí)，分析了管道壓力、主管半徑及副管半徑對(duì)摻混效果的影響。

當(dāng)主管壓力增大，其他工況條件不變的情況下，分層現(xiàn)象減弱，氣體完全混勻的距離減小；反之，若主管壓力減小，分層現(xiàn)象加劇，氣體不易混勻。所以實(shí)際天然氣管道摻氫時(shí)可以通過增大主管壓力來加快氣體混勻。

當(dāng)主管半徑增大，其他工況條件不變的情況下，分層現(xiàn)象減弱，氣體完全混勻的距離減小，其原因是單位時(shí)間內(nèi)天然氣的流量增大，其攜帶氫氣分子的能力也增強(qiáng)，使氫氣分子不易聚集，從而使管內(nèi)分層現(xiàn)象減弱，氣體完全混勻所需時(shí)間變短；反之，主管半徑減小，則分層現(xiàn)象加劇，氣體不易混勻。因此實(shí)際天然氣管道摻氫時(shí)增大主管半徑有助于氣體混勻。

當(dāng)副管半徑增大，其他工況條件不變的情況下，分層現(xiàn)象加劇，氣體完全混勻的距離增加，其原因是單位時(shí)間內(nèi)氫氣的流量增大，氫氣分子易在摻混點(diǎn)聚集，從而使管內(nèi)分層現(xiàn)象加劇，氣體完全混勻所需時(shí)間變長；反之，副管半徑減小，則分層現(xiàn)象減弱，氣體容易混勻。因此實(shí)際天然氣管道摻氫時(shí)，減小副管半徑氣體更易混勻。

3 結(jié)論

1）天然氣和氫氣在管道交界處發(fā)生摻混，在兩股氣體交匯處，出現(xiàn)一個(gè)速度3 m/s左右的區(qū)域，在該區(qū)域右側(cè)靠近壁面位置，出現(xiàn)一個(gè)速度低于0.5 m/s的區(qū)域，隨著摻混的進(jìn)行，在距離摻混中心200 mm 左右的距離處，該區(qū)域消失。由于管壁的阻力作用越靠近管壁速度越低，主管路中心速度維持在1.6 m/s左右。

2）氣體摻混后氫氣摩爾分?jǐn)?shù)和濃度隨著摻混距離的增加而減小，在距摻混中心2 m 范圍內(nèi)管道上方出現(xiàn)較為明顯的分層，寬度占據(jù)主管道的1/3左右。

3）摻氫比、流速、管道摻氫方式、管道壓力以及主管/副管半徑均對(duì)摻氫摻混效果有一定的影響，相關(guān)結(jié)果可為天然氣摻氫摻混濃度測(cè)量點(diǎn)位設(shè)置提供參考，同時(shí)可對(duì)天然氣管道摻氫工藝設(shè)計(jì)及隨動(dòng)摻混技術(shù)提供指導(dǎo)。