氢气具有能量密度高、可获得性广、绿色低污染等优点，是未来能源载体最有前途的清洁能源[1-2]，但高昂的纯氢管网建设费用在一定程度上阻碍了氢能的普及利用，目前考虑向已有的天然气管网中掺入一定比例的氢气，以混氢天然气的形式实现氢能的输送和利用[3-6]。而流量计量是混氢天然气输送管道中的重要环节，准确的计量是对卖方和买方经济利益的重要保障。孔板流量计作为一种差压式流量计，具有结构简单、计量稳定、操作方便、价格便宜等优点[7]。超声流量计作为一种速度式流量计，具有准确度高、压损小、耐腐蚀、无节流元件等优点[8]，二者是石油与天然气行业中使用最广泛的流量计。
由于甲烷和氢气的物性存在很大差异，将氢气混入天然气后会改变流体的性质和流动状态，从而影响流量计的计量准确度[9-11]。而现行标准中规定的流量计安装条件仅适用于一般天然气，无法满足混氢天然气的计量准确度要求。林棋[12]利用CFX软件模拟了某站内超声计量支路管段速度分布，发现气体由进气管流入集气汇管时形成强烈涡流，在进入支管时存在严重的偏流现象，影响计量准确度，故需在支管上安装整流器且整流器与检测管段的距离在5~10D(D为管道直径)以上，以保证流体流经整流器到达下游流量计时流速恢复对称分布。Dong[7]在传统不锈钢孔板流量计开口处嵌入硬质合金，发现其计量准确度显著提高且更加稳定；陈家庆[13]利用Fluent软件分析了在不同流量、不同直径比、不同孔板轴向厚度和不同流动介质条件下对孔板流出系数的影响；印小娜[14]利用Fluent软件研究了氢气和天然气的混合规律，通过计算误差分析了混氢天然气对超声流量计计量准确度的影响。
业界有大量的研究案例是针对一般管输天然气的计量，研究了管输天然气计量系统中阻流件布置对气流流态、流量计量的影响，少有对混氢天然气计量准确度的研究。因此，混氢天然气对现行流量计安装标准的适应性有待考证。在实际站场中，计量装置上游的弯头、汇管、三通等阻流件导致气流产生速度畸变，其中，弯头的数量最多。因此，本研究以现行标准的流量计安装要求为参考，研究弯头下游混氢天然气的速度分布，分析混氢天然气对现行流量计安装条件的适应性。
天然气在流经弯头这一阻流件后，会使下游流场产生强二次流、旋涡流，导致非对称速度分布现象，从而影响流量计量的准确度，因此，需要将流量计安装在速度恢复到对称分布的位置，相关标准对阻流件后孔板流量计和气体超声流量计安装位置的前直管段长度作出了规定(见表 1)[15-16]。
然而，当天然气中混入氢气后导致其组分发生变化，会使其相对密度、压缩因子等物性参数发生改变，从而对流量计量结果产生直接的影响[17]。混氢天然气相对于标准天然气，其速度场发生改变，因此，现行标准GB/T 21446-2008《用标准孔板流量计测量天然气流量》和GB/T 18604-2014《用气体超声流量计测量天然气流量》规定的安装条件无法满足混氢天然气的计量准确度要求。本研究以标准中所描述的任一平面单90°弯头和两弯头距离10D < H≤30D的同平面双90°弯头S形状(弯头曲率半径R=1.5D)作为模拟对象，对混氢天然气单90°弯头和双90°弯头后的速度分布情况作了具体的分析，以说明现行标准规定的流量计安装条件规范不适用于混氢天然气。
在天然气输送系统中，单90°弯头和同平面双90°弯头是十分典型的两种阻流件，其几何结构模型如图 1所示。弯管由入口管段、90°弯头、出口管段3部分组成，管道直径均为100 mm, 弯头前的直管段长度设置为10D，弯头后的直管段长度为50D。
利用ANSYS建立弯头的几何模型后，采用六面体网格对几何模型进行计算网格的划分。在模拟计算时，弯管分为3个区域：上游入口管段、90°弯头区域、下游出口管段。由于弯头是造成下游流场流态畸变的主要部位，因此，弯头区域需进行网格加密，上游区域和下游区域的网格则较粗。双90°弯头的网格划分如图 2所示。由于网格的质量会对后续的数值模拟计算产生很大的影响，因此，进行网格无关性验证，以确保数值模拟计算的结果与网格的数量无关，并使模拟计算准确高效。这里以压力为5 MPa、入口流速为15 m/s下掺氢量(摩尔分数，下同)分别为0、30%的CH4-H2混合物在双90°弯管内流动为例，采用网格单元数为1 875 642、2 420 737、3 057 231进行测试。结果表明，当网格数从1 875 642增至3 057 231时，网格数量对弯头后下游直管段流体速度的影响已经很小了，综合考虑仿真的精度及计算效率，最终选择网格数为2 120 737进行后续仿真模拟。
本研究的混氢天然气管道流动为典型的流体力学问题，假设甲烷与氢气混合均匀，并在管道内做定常流动。除了满足质量、动量和能量三大守恒方程外，还需要满足气体状态方程[18]，如式(1)所示：
式中：p为压力，MPa；R为气体常数，8.314 J/(mol·K)；T为温度，K；Vm为摩尔体积，m3/mol；ac为临界参数，是临界温度和临界压力的函数；α为引力函数，是对比温度和偏心因子的函数；b为斥力函数。
为分析甲烷和氢气在管道中的气体传质规律，还需开启组分运输模型[19]，如式(2)所示：
式中：ρ为密度，kg/m3；ci为i组分的体积分数；t为时间，s；u为速度，m/s；Di为i组分的扩散系数，m2/s；Ri为单位时间、体积下产生的组分质量，kg/(m3·s)。
本研究所模拟的混氢天然气弯管流动属于湍流流动，需要选择合适的湍流方程，与标准的模型相比，RNG模型在方程中增加了一项，提高了高速流动的准确性，并在湍流计算中考虑了涡流的影响，提高了旋涡流动的精度。RNG模型在更广泛的流体计算中能够获得更高的精度和可信度。因此，本研究选择RNG模型作为湍流方程。离散格式采用QUICK格式，用SIMPLEC算法计算求解。
操作条件设置为：压力5 MPa、温度15 ℃、入口流速15 m/s。由于氢气和天然气的密度差异巨大，对于混氢天然气，不能忽略其密度的变化，须将其看作可压缩流动，因此，采用压力入口边界条件，将入口流速15 m/s换算成入口总压。出口边界条件则采用天然气出口流量。无滑移固壁边界条件。流体介质为天然气和氢气的混合物，其黏度、密度等参数由软件本身确定。模拟了掺氢量分别为0、10%、20%、30%共4组CH4-H2流体介质。边界条件设置见表 2。
单90°弯管的直径D为100 mm，弯头前的直管段长度为10D，弯头后的直管段长度为50D。掺氢量分别为0、10%、20%、30%。为分析混氢天然气管道流量计安装位置的前直管段长度要求，需重点关注弯头后的流场情况。图 3和图 4所示为弯头后掺氢量分别为0和30%的某些截面速度分布云图(L为弯头后直管段长度)，图 5所示为不同掺氢量的混氢天然气流经单90°弯头后管道中线上的速度变化，图 6所示为混氢天然气在单90°弯头后的16D、22D、44D、50D截面中线上的速度分布。
从图 3和图 4可以看出，流体刚流经单90°弯头后，速度分布极不均匀，管道内侧呈“倒U型”高速区，其原因是流体经过弯头时，离心力会使流体向管道外侧偏移，从而导致内侧压力较外侧小，流速较大。从图 5可以看出，单90°弯头对混氢天然气流场的影响十分显著，弯头后管道中线上的速度先快速减小后又缓慢上升至趋于稳定。且在20D后，掺氢量为0与掺氢量为10%、20%、30%时的管道中线气体流速存在明显差异，说明氢气含量的变化对单90°弯头后的速度场分布存在影响，从而影响流量计的安装条件。从图 6可以看出，在16D和22D截面处，掺氢量为0的截面中线速度分布与掺氢量为10%、20%、30%的差异虽不显著，但都没达到对称速度分布。而在44D和50D截面处，掺氢量为0的速度分布与掺氢量为10%、20%、30%的差异较为明显，并且可以看到，在44D截面处，掺氢量为0的速度分布已经恢复为对称速度分布，而掺氢量为10%~30%的速度分布并未恢复为对称速度分布。在50D截面处，掺氢量为10%~30%的流速还未恢复为对称速度分布。
现行标准中规定的孔板流量计安装位置的前直管段长度最长为44D，超声流量计安装位置前直管段长度要求为50D。这说明掺氢量为10%~30%时，标准规定的流量计安装位置前直管段长度不再符合要求。因此，针对于混氢天然气，应适当延长单90°弯头后孔板流量计和超声流量计安装位置前直管段长度，从而使流量计安装在速度能恢复到对称分布的位置，以提高流量计的计量准确度。
对于双90°弯管同样需重点关注弯头后的流场情况，图 7和图 8所示为双弯头后掺氢量分别为0和30%的某些截面速度分布云图(L为弯头后直管段长度)，图 9所示为不同掺氢量的混氢天然气流经双90°弯头后管道中线上的速度变化，图 10所示为混氢天然气在双90°弯头后的10D、22D、30D、44D、50D截面中线上的速度分布。
从图 7和图 8可以看出, 流体刚流经双90°弯头后，速度分布同样极不均匀，与单弯头不同的是，其高速区并未呈“倒U型”，但同样是管道内侧流速大，外侧流速小。从图 9可以看出，双90°弯头对混氢天然气流场的影响更为显著，弯头后管道中线上的速度先急剧减小后上升，而后又减小至逐渐恢复稳定。且不同的掺氢量也使得双90°弯头后的速度分布存在差异，其中掺氢量为0和10%与掺氢量为20%和30%的管道中线速度存在明显差异。从图 10可以看出，在22D内不同掺氢量的截面中线速度分布存在显著差异，说明氢气含量的变化对双90°弯头后的速度场分布存在较大影响。在30D截面处掺氢量为0~30%的流体速度虽均未恢复到对称状态，但掺氢量为0和10%的天然气较掺氢量为20%和30%其截面中线速度更趋于对称分布，在44D和50D截面处这种差异虽然有所减弱，但掺氢量为20%和30%的天然气其截面中线速度分布并未完全达到对称状态。这说明掺氢量不大于10%时，现行标准规定的最长双90°弯头后孔板流量计(44D)与超声流量计(50D)安装位置前直管段长度基本符合要求；而对于掺氢量为20%~30%的天然气来说，现行标准规定的最长流量计前直管段长度不符合要求，应适当延长前直管段长度。另外根据表 1，如果孔板流量计的孔径比减小，其规定的双90°弯头后流量计安装位置前直管段长度将小于44D，而掺氢量为10%的天然气在直管段长度小于44D的位置处，速度分布未恢复到对称状态。这时, 对于掺氢量为10%的混氢天然气来说，现行标准已不再符合要求，须适当延长以提高孔板流量计的计量准确度。
本研究基于数值模拟，分析了单90°弯头和双90°弯头后混氢天然气的速度场分布，只有管道内的流速恢复为对称速度分布，孔板流量计和超声流量计的计量准确度才能得到保证。对于混氢天然气管道的流量计安装条件，得出如下结论：
(1) 在单90°弯头后44D和50D截面处，掺氢量为10%~30%时的气体流速还未恢复到对称速度分布，须适当延长现行标准中孔板流量计和超声流量计安装位置的前直管段长度。
(2) 在双90°弯头后44D截面和50D截面处，掺氢量为10%时的气体流速已恢复到对称速度分布，掺氢量为20%~30%的流速未恢复到对称速度分布，则掺氢量不大于10%时，现行标准规定的最长孔板流量计(44D)和超声流量计(50D)前直管段长度基本符合要求；而掺氢量为20%~30%时，现行标准规定的流量计前直管段长度不符合要求，需适当延长。
(3) 在双90°弯头后30D截面处，掺氢量为10%时的气体流速未恢复到对称速度分布，对于孔径比较小的孔板流量计，现行标准规定的前直管段长度已不符合要求，需适当延长。
本研究初步探索了混氢天然气流量计量系统中的阻流件及测量管的布置需求，但无法估算其测量不确定度，有一定的局限性，建议进一步开展实验研究，探索混氢天然气的流态变化规律，以便更合理地布置混氢天然气的流量计量系统。
2023, Vol. 52 Issue (6): 98-103，109 2023, Vol. 52 Issue (6): 98-103，109