天然氣管道中混入氫氣后對標準孔板流量計測量準確度的影響

氫能是一種綠色、低污染、可再生的燃料，被認為是最有前途的化石燃料替代品之一。目前，利用可再生能源電解制氫，然后將氫氣按照一定比例摻入天然氣管道中進行輸送是利用和運輸氫能的有效途徑。如某項目摻入天然氣管網(wǎng)中的氫氣摩爾分數(shù)高達25％；某項目摻入天然氣管網(wǎng)中的氫氣摩爾分數(shù)達到20％。而摻氫天然氣計量技術是摻氫天然氣產(chǎn)規(guī)?；褪袌龌闹匾A。

標準孔板流量計由于其設計簡單、成本低、可靠性高，仍然是石油與天然氣行業(yè)中使用最廣泛的流量計。標準孔板流量計以能量守恒定律和流動連續(xù)性方程為基礎，通過測量孔板前后產(chǎn)生的靜壓力差來衡量天然氣流過節(jié)流裝置的流量大小。工況條件下的體積流量一般用流量計測量，然后換算成基本（標準）條件下的體積作為天然氣貿易交接過程中的流量。

由于氫氣和甲烷物性差異巨大，在標況下其密度相差8倍以上，而密度是影響標準孔板流量計結果的重要因素。當天然氣中摻混氫氣后，會導致其密度、黏度、比熱容參數(shù)改變，進而影響標準孔板流量計計量準確度。Dong等利用Fluent分析不同傾角孔板在測量天然氣流量時對測量準確度的影響；Jin等利用Fluent分析得到在測量液氫時不同孔板結構對流出系數(shù)和壓力損失系數(shù)的影響；李思達通過數(shù)值模擬技術得到在測量天然氣流量時，流體相對密度變化值對測量值有較大的影響。

盡管前人已經(jīng)做了很多研究，但目前對影響測量準確度的研究主要集中在孔板結構的變化上，這將會增加流量計結構的復雜性，而且在實際的天然氣管道中不易使用。此外，所研究的結論主要是對流出系數(shù)、差壓等的影響，關于其他計量所需參數(shù)，如可膨脹系數(shù)、超壓縮系數(shù)、相對密度系數(shù)的影響很少被研究。研究的介質主要是天然氣或者液氫，關于混氫天然氣的情況很少被研究。因此，本研究主要分析天然氣管道中混入氫氣后對標準孔板流量計測量準確度的影響。

采用數(shù)值模擬的方法，研究了標準孔板流量計應用于混氫天然氣時的計量準確度。研究了混氫量對差壓、流速、流出系數(shù)、相對密度系數(shù)、可膨脹系數(shù)和超壓縮系數(shù)的影響，可得到以下結論。

（１）在壓力一定的情況下，混氫量的增加會導致體積流量測量的流量值增大。由于氫氣的發(fā)熱量小于甲烷，若采用體積計量進行貿易交接會對買方不利。因此，針對混氫天然氣，建議采用能量計量進行貿易交接。

（２）在壓力一定的情況下，混氫量的增加會導致差壓上升，導致相對密度系數(shù)、可膨脹系數(shù)和超壓縮系數(shù)下降，而流出系數(shù)幾乎不受氫氣含量變化的影響。

（３）將氫氣摻入天然氣管網(wǎng)，在氫氣摩爾分數(shù)小于30％的情況下，氫含量的變化不會對標準孔板流量計準確度產(chǎn)生明顯的影響。

審核編輯 黃昊宇