安永偉 孫 晨 冀守虎 賈冠偉 許未晴 ,,2) 劉 偉 ,3) 周 亮 蔡茂林 ,

*(河南大學物理與電子學院，河南開封 475004)

?(國家電投集團科學技術研究院有限公司，北京 102209)

**(北京航空航天大學自動化科學與電氣工程學院，北京 100191)

??(氣動熱力儲能與供能北京市重點實驗室，北京 100191)

***(正星氫電科技鄭州有限公司，鄭州 450000)

全球化石能源消耗占比高達83%[1]，導致嚴重的生態(tài)環(huán)境危機，影響人類生存。氫能是全球能源走向低碳化、清潔化，發(fā)展?jié)摿ψ畲蟮姆腔茉粗?。全球氫能預計在2050年能源消耗占比增長至18%[2]。許多國家積極探討氫能發(fā)展政策，并發(fā)布了國家的氫能發(fā)展戰(zhàn)略。我國化石能源消耗占比為74.5%[3]。依據(jù)構建能源體系發(fā)展需求，國家發(fā)展改革委、國家能源局聯(lián)合發(fā)布了《氫能產業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃(2021—2035年)》等氫能發(fā)展政策保障促進發(fā)展氫能產業(yè)，實現(xiàn)氫能的高效利用[4]，確保完成“雙碳”任務。

利用可再生能源（水電、風電、光電等）制氫是解決傳統(tǒng)制氫領域高碳排放的有效途徑。目前，我國可再生能源占全球可再生能源發(fā)電量的24.4%，位于首位[5]；同時，我國的電解水制氫的成本為2.6美元/kg，遠低于日本的4.6美元/kg，成本優(yōu)勢和規(guī)模巨大。由于我國可再生能源主要集中于中西部地區(qū)，但電力和氫氣的使用主要集中于東南沿海地區(qū)，導致了氫氣生產、存儲、輸送及使用的不平衡和應用困難[6]。拖車運氫是一種主要的輸氣方式，但超過150 km，其輸送成本增高，不適合大規(guī)模輸送。現(xiàn)役天然氣管網是解決當前氫氣大規(guī)模、長距離輸送的可行方式，也是氫氣輸送方式的研究熱點[7]。我國在役天然氣管道長度高達1.1×105km[8]，為氫氣的輸送提供設備基礎并且輸送成本也會逐漸降低[9]。然而，由于氫氣擴散性較高，氫氣在天然氣管道中泄露速度是天然氣泄露速度的3倍，且泄露速度受多種因素影響也會增加[10-11]，管線鋼易腐蝕發(fā)生氫脆進而泄露[12]。目前鑒于天然氣摻氫多集中于摻混熱值的研究，對天然氣摻氫比例及氫濃度分布的研究不多，因此，對國內天然氣摻氫現(xiàn)狀進行總結歸納。張立業(yè)等[13]綜述了天然氣摻氫隨動摻氫系統(tǒng)類型及氣體傳感器對氣體種類、濃度的測量，并通過國家電投朝陽天然氣摻氫示范項目，實現(xiàn)了精準8.8%隨動摻氫比例。

氫氣和天然氣密度差異可能引起流動分層，使氫氣在管道中濃度分布不均，在局部形成氫氣的聚集，影響摻氫管道輸送的安全性，引起國內外研究者的關注。許未晴等[14]對管道摻氫中氫脆現(xiàn)象進行詳細研究，介紹了氫脆現(xiàn)象發(fā)生的機理，對影響管道氫脆的因素總結，重點探討了摻氫輸送系統(tǒng)中管道、閥門、儲存裝置等部件的氫脆現(xiàn)象。Kong等[15]使用內置旋流器的螺旋靜態(tài)混合器以減小流動的分層，對摻混氣體甲烷和氫氣混合過程進行了數(shù)值仿真，并采用空氣和氦氣模擬甲烷和氫氣進行實驗驗證。不過，該混合器有著結構復雜、流阻大等缺陷，限制了實際應用。吳嫦[16]實驗驗證了直立管中天然氣與氫氣混合且靜置后無分層現(xiàn)象，但未揭示其機理。Tabkhi等[17]提出了一種天然氣管網數(shù)學建?？蚣埽芯坎煌瑩綒浔葌鬏斈芰康淖兓?，發(fā)現(xiàn)并確定最大摻氫比為6%。Guandalini等[18]建立模型模擬管路中氣體的傳輸，發(fā)現(xiàn)摻氫會導致流體密度和速度發(fā)生變化，使得傳輸能量降低，摻氫比為5%時管網壓力下降0.1%。Hafsi等[19]提出了天然氣網注氫效應的數(shù)學模型，探究注氫對天然氣流動的影響，發(fā)現(xiàn)注入氫氣會使管道內壓降值升高，氣體流速上升。Wiitkowski等[20]通過改變摻氫比例，探究氫氣在兩種管路中的最大安全輸送距離，在內徑0.15 m長度1.0×104m和內徑1 m長度1.0×105m的管路中，最大安全輸送距離分別為15 320 m和130 146 m。以上文獻對摻氫比進行了研究，但對摻氫后氣體流動過程中天然氣和氫氣濃度分布沒有詳細的分析。

鑒于天然氣摻氫多集中于摻混熱值和摻混比例的研究，但在役天然氣管網結構復雜，摻氫后流動特性復雜。對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)研究較少。相關特性對于精準監(jiān)測摻氫天然氣濃度，為隨動摻氫控制提供準確的反饋數(shù)據(jù)有著重要意義。此外，管路中氫氣聚集區(qū)域易出現(xiàn)氫脆現(xiàn)象，嚴重影響氫氣運輸安全及管道壽命。因此，本文針對天然氣摻氫后的摻混效果開展模擬研究，其結果具有一定應用指導意義。

1 摻混管路模型建立

為研究天然氣管道摻氫過程中的摻混情況，采用國家電投朝陽天然氣摻氫示范項目管網的尺寸和氣體參數(shù)[13]。天然氣進口管徑為80 mm，流量為130.98 m3/h，氫氣進口管徑為25 mm，流量為14.55 m3/h。構建了T型摻混管路模型和變徑摻混管路模型，通過這兩種模型及9個變徑模型對天然氣和氫氣濃度進行對比研究。T型摻混管路模型和變徑摻混管路模型分別如圖1和圖2所示。

圖1 摻混管路基本模型Fig.1 Basic model of blending pipeline

圖2 摻混管路變徑模型Fig.2 Variable diameter model of blending pipeline

1.1 T型摻混管路模型

T型摻混管路模型如圖1所示，具體參數(shù)如下：天然氣主管路內徑為φ80 mm，摻混中心距出口長度為6 000 mm，氫氣摻混管路位于主管路上方，垂直于主管路，管路內徑為φ25 mm，長度為250 mm，中心距離主管路入口為800 mm。

1.2 變徑摻混管路模型

變徑摻混管路模型如圖2所示，即在T型摻混管路模型中，增加一段與主管內徑不同的直管，通過流動截面的突擴與突縮，強化摻混效果。具體參數(shù)如下：天然氣主管路內徑為φ80 mm，氫氣摻混管路位于主管路上方，垂直于主管路，氫氣管路內徑為φ25 mm，長度為250 mm，中心距出口長度為6 000 mm。圖2中參數(shù)對應變徑摻混管路模型的基準參數(shù)，即變徑開始位置s= 900 mm，內徑D= 160 mm，長度l= 100 mm，相應參數(shù)的影響將在下文詳細介紹。

2 數(shù)學模型

天然氣和氫氣在摻混過程中及在管道流動中的連續(xù)性方程

其中，ρ為氣體的密度，u為氣體的流速，t為流動時間。

摻混過程中及在管道流動中的動量方程

其中，p為靜壓，g為重力加速度，F(xiàn)為除重力外的外部體積力，τ為黏性剪切應力張量。鑒于摻混流動總是處于湍流狀態(tài)，本文采用標準k–ε湍流模型模擬湍流輸運特性。

摻混過程中及在管道流動中的能量方程為

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

天然氣和氫氣在摻混過程中及在管道流動中相互擴散，通過對第i種氣體對流擴散方程的求解來預測每個氣體的局部質量分數(shù)Yi。該守恒方程的一般形式為

在氣體摻混過程中，由濃度和溫度梯度引起的第i種氣體的擴散通量表達式為

其中，Di,m為在混合氣體中第i種氣體組分的質量擴散系數(shù)，DT,i為熱擴散系數(shù)。

其中，Xi為第i種氣體的摩爾分數(shù)，Dij為氣體混合物的溫度常數(shù)或多項式函數(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會產生變化，具體的表達式為

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

3 管路模型網格劃分

仿真模擬天然氣和氫氣摻混并在管道中流動時，F(xiàn)luent的計算精度取決于網格的密度。通常情況下，網格密度越大，仿真結果精度就高，但同時要使用更多計算資源和更長的計算時間。采用網格無關驗證即可以保證計算結果的精度，又可以節(jié)省計算資源和時間。因此，本文網格劃分采用低、適中、高密度三種形式來進行網格無關驗證，如表1所示。以適中的網格特征為參考，通過T型和變徑混管路模型的低密度網格和高密度網格計算，得出出口氫氣摩爾分數(shù)的波動量分別為–2.6%～4.9%和0.6%。通過計算波動量可以排除網格密度對仿真結果的精度影響；同時，網格無關也得到了驗證。

表1 網格無關性說明Table 1 Grid independence specification

因此，T型和變徑摻混管路模型均以四面體結構進行網格劃分，整體網格設置為8 mm，以便更清楚計算出流體運動狀態(tài)。T型摻混管路模型的節(jié)點數(shù)為99 004個，單元數(shù)為510 457個，如圖3所示；變徑摻混管路模型節(jié)點數(shù)為101 075個，單元數(shù)為519 109個，如圖4所示。

圖3 T型摻混模型網格Fig.3 Grid of T-type blending model

圖4 變徑模型網格Fig.4 Grid of variable diameter model

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，兩個入口均為速度型入口，主管路入口速度為7.24 m/s（流量：131.0 m3/h），摻混管路入口速度為8.23 m/s（流量：14.6 m3/h），出口設置為自由流出。重力沿y軸負方向為9.8 m/s2，將穩(wěn)態(tài)改為瞬態(tài)仿真，壁面函數(shù)設置為標準壁面函數(shù)，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，將初始內部工質設為100%天然氣。

5 模型求解

5.1 T型摻混管路流場分析

對于T型摻混管路數(shù)值仿真結果，T型摻混管路橫截面速度和摻混處局部速度分布如圖5所示。從圖5可以看出，由于天然氣和氫氣的速度大小、方向均不相同，在摻混處發(fā)生摻混，兩股氣體交匯處，出現(xiàn)一個速度10 m/s左右的區(qū)域，即局部放大圖的紅色區(qū)域。在紅色區(qū)域右側靠近壁面位置，出現(xiàn)一個速度低于2 m/s的區(qū)域，即局部放大圖的藍色聚集區(qū)域，此后出現(xiàn)一段低速區(qū)，最初低速區(qū)占據(jù)了1/4管徑高度，速度為6 m/s，隨著摻混的進行，低速區(qū)占比沿著主管路逐漸減少，并在距摻混中心600 mm處消失。此后主管路中心速度在9 m/s左右，由于管壁的阻力作用越靠近管壁速度越低。

圖5 氣體摻混后速度云圖Fig.5 Velocity distribution after gas blending

為更清晰觀察到天然氣摻氫的摻混效果，建立T型摻混管路橫截面，氣體摻混后天然氣組分摩爾分數(shù)云圖，如圖6所示，氣體摻混后氫氣組分摩爾分數(shù)云圖，如圖7所示。相比天然氣氣體，由于摻混氣體氫氣具有更輕的質量，支管和主管路的速度大小和方向均不一樣。因此在T型摻混管路中，氫氣主要分布在主管路上半部分。在距摻混中心2 800 mm范圍內出現(xiàn)明顯分層，寬度占據(jù)1/3管徑左右，隨著摻混距離的增加，氫氣摩爾分數(shù)和濃度逐漸降低，分層現(xiàn)象依然存在，但是氫氣所占管徑寬度逐漸減少。

圖6 氣體摻混后天然氣組分摩爾分數(shù)云圖Fig.6 Mole fraction distribution of natural gas component after gas blending

圖7 氣體摻混后氫氣組分摩爾分數(shù)云圖Fig.7 Mole fraction distribution of hydrogen component after gas blending

為探究摻混流動過程中的氫氣濃度分布狀態(tài)，選用T型摻混管路剖面圖來表述摻混過程，分別選擇了距主管路入口1 m，2 m，3 m，4 m，5 m，6 m處天然氣和氫氣的摩爾分數(shù)云圖，如圖6和圖7所示。由于氫氣密度低，主要分布于主管路中上部，隨著摻混距離的增加，兩種氣體交匯處發(fā)生混合，氫氣分布區(qū)域發(fā)生外擴，濃度進一步降低。隨著距離的增加，管路中上部氫氣摩爾分數(shù)逐漸降低，在主管路出口處，中上部氫氣摩爾分數(shù)在20%以下。

摻混后，截面平均的天然氣和氫氣摩爾分數(shù)隨摻混距離的變化如圖8和圖9所示，L表示距摻混中心的距離，x(CH4)表示甲烷摩爾分數(shù)，x(H2)表示氫氣摩爾分數(shù)。從距離摻混中心處0.1 ～2.2 m，天然氣的摩爾分數(shù)由最初的90.1%逐漸升高到93%，隨著摻混距離的增加呈上升趨勢；氫氣的摩爾分數(shù)由最初的9.9%降至7%，隨著摻混距離的增加呈下降趨勢。不過，隨著距離的增加，無論是天然氣還是氫氣，其摩爾分數(shù)的變化趨勢均明顯變緩，摻混管路出口氫氣占比為4.7%。

圖8 T型管路摻混后天然氣摩爾分數(shù)Fig.8 Percentage distribution of natural gas component with T-type pipeline after gas blending

圖9 T型管路摻混后氫氣摩爾分數(shù)Fig.9 Percentage distribution of hydrogen component with T-type pipeline after gas blending

5.2 變徑摻混管路流場分析

為探究在變徑摻混管路中最容易發(fā)生氫氣富集及其易引發(fā)氫脆的位置，構建了10種變徑管路，如表2所示，通過改變變徑模型的幾何參數(shù)進行仿真，其中s表示變徑距主管路入口的距離，D表示變徑的直徑，l表示變徑的長度，x(H2)表示變徑處氫氣摩爾分數(shù)。根據(jù)4.1節(jié)中T型摻混管路流場分析，因為氫氣低密度，所以在流動過程中會漂浮在主管路上半部分，因此變徑處氫氣摩爾分數(shù)只考慮變徑上半部分。

表2 變徑摻混管路幾何參數(shù)及結果Table 2 Geometric parameters and results of variable diameter type blending pipeline

以1號變徑管路作為基準，固定變徑直徑、長度，不斷改變變徑位置，得到2～5號變徑管路。對比前五個變徑管路，發(fā)現(xiàn)變徑處氫氣摩爾組分最高的是初始模型，氫氣摩爾分數(shù)達到40%～50%，2～5號變徑管路氫氣摩爾分數(shù)隨著變徑位置的增加不斷降低，在10%～30%范圍內。結果表明距離摻混中心越近，氫氣和天然氣混合的時間越短，變徑處氫氣摩爾分數(shù)越高。確定最優(yōu)變徑位置后，以1號變徑管路作為初始管路，固定變徑位置，將變徑長度變寬、變窄，將變徑直徑變高、變低，得到6～9號變徑管路，分析四種變徑管路輸出結果，發(fā)現(xiàn)變徑長度變窄、直徑變低時變徑處氫氣摩爾分數(shù)顯著升高。結合上述分析結果，以1號變徑管路作為初始管路，固定變徑位置，將變徑長度變窄，直徑變低，得到10號變徑管路，仿真結果顯示變徑處氫氣摩爾分數(shù)達到50%～60%，在10個變徑管路中占比最高，符合探究規(guī)律。下面對10號變徑管路開展進一步具體研究。

以1號變徑管路作為基準，固定變徑位置，將變徑長度變窄，直徑變低，得到10號變徑管路，對于變低變窄變徑管路數(shù)值仿真結果，沿管長截面速度分布以及摻混處和變徑處局部速度分布如圖10所示。由于變徑管路是在摻混管路上的延伸，僅僅對摻混處右側管路進行修改，并未修改氣體的速度、工質、方向等條件，因此變徑管路摻混處的速度分布與4.1節(jié)摻混管路分析結果一致，同樣出現(xiàn)紅色、藍色聚集區(qū)域。由于變徑的存在，大量氫氣注入上變徑中，低速區(qū)大大減少，由原來的600 mm縮短至150 mm。變徑處中心速度在8 m/s左右，越往外速度越低，易發(fā)生氫氣聚集。截面較好地表示了變徑邊緣處的速度，整體速度在1 m/s以下，圓環(huán)左壁面的速度較低，接近于0 m/s，可認為是靜止點，越往右速度越高。兩種氣體經過變徑后，在管路中心形成一個高速區(qū)，速度在9 m/s以上，持續(xù)了1 100 mm后消失，之后速度保持在8～9 m/s范圍內。

圖10 氣體摻混后速度云圖Fig.10 Velocity distribution after gas blending

為更清晰地觀察到摻混結果，建立變徑摻混管路橫截面，摻混后天然氣組分摩爾分數(shù)云圖如圖11所示，氫氣組分摩爾分數(shù)云圖如圖12所示。在距摻混中心1 600 mm范圍內出現(xiàn)明顯分層，寬度為1/3管徑，隨著摻混距離的增加，氫氣摩爾分數(shù)逐漸降低，占管徑寬度逐漸減少。由于氫氣密度低，主要分布在管路上半部分，因此只考慮上變徑摩爾分數(shù)。在上變徑處氫氣摩爾分數(shù)在50%～60%左右。

為探究變徑內部氫氣分布狀態(tài)，選用變徑處剖面圖來表述摻混效果，分別選擇了變徑入口，中間、出口剖面圖，如圖11和圖12所示。從變徑入口至變徑出口，由于天然氣和氫氣的混合，變徑左壁面中上處的黃色區(qū)域被逐漸稀釋，氫氣摩爾分數(shù)不斷降低。但是變徑上方處的氫氣摩爾分數(shù)變化不大，始終維持在50%～60%。根據(jù)速度分布圖10所示，變徑處速度從左到右逐漸增加，因此最容易發(fā)生氫氣富集區(qū)域是變徑左壁面正上方，該區(qū)域不僅具有較高的氫氣濃度，而且速度也較低，接近靜止，進而引發(fā)管道的氫脆。

摻混后，天然氣和氫氣的摩爾分數(shù)隨摻混距離的變化如圖13和圖14所示，L表示距摻混中心的距離，x(CH4)表示甲烷摩爾分數(shù)，x(H2)表示氫氣摩爾分數(shù)。距摻混中心0.09～0.1 m和0.149～0.15 m摩爾分數(shù)變化較大，分別是進入變徑、離開變徑所致。相比管路，變徑內部氫氣濃度較高，因此出現(xiàn)較大變化。如果將管路和變徑分為兩個部分進行分析，單獨看變徑或管路規(guī)律是一致的。從距離摻混處中心0.05～2.2 m，天然氣的摩爾分數(shù)由最初的87.8%逐漸升高到93.1%，呈上升趨勢。氫氣的摩爾分數(shù)由最初的12.2%逐漸降至6.9%，氫氣摩爾分數(shù)呈下降趨勢。主管路出口處天然氣、氫氣云圖如圖11和圖12所示，變徑摻混管路模型出口處氫氣的摩爾分數(shù)為4.8%。

圖11 氣體摻混后天然氣組分摩爾分數(shù)云圖Fig.11 Mole fraction distribution of natural gas component after gas blending

圖12 氣體摻混后氫氣組分摩爾分數(shù)云圖Fig.12 Mole fraction distribution of hydrogen component after gas blending

圖13 摻混后天然氣摩爾分數(shù)Fig.13 Percentage distribution of natural gas component after gas blending

圖14 摻混后氫氣摩爾分數(shù)Fig.14 Percentage distribution of hydrogen component after gas blending

6 結論

為研究天然氣摻氫過程中在管道中的摻混效果和氫氣濃度的分布狀況，通過構建T型和變徑摻混管路模型，基于Fluent對T型摻混管路和10種變徑摻混管路進行數(shù)值模擬研究，重點研究了管路中氫氣組分、速度、聚集的規(guī)律，得出如下結論。

（1）對于T型摻混管路，氣體交匯處拐角存在速度為0的藍色區(qū)域。相比天然氣，氫氣密度低、質量輕，摻混過程中氫氣主要分布在管路上方，在距摻混中心2 800 mm范圍內出現(xiàn)明顯分層，即在管長是管徑35倍處內依然有一定分層，寬度占據(jù)1/3管徑左右。

（2）對于變徑管路，變徑段內部速度較低，尤其是左壁面速度接近0，易引起氫氣富集進而引起管道氫脆；窄細變徑模型容易發(fā)生氫氣聚集，氫氣摩爾分數(shù)達到50%～60%。

本文結果表明，氫氣和天然氣密度差導致流動分層，存在混合不均勻的問題；通過混合器結構優(yōu)化可以提高摻混均勻性。相關結果可對天然氣摻氫摻混效果和管道變徑選取提供參考，也為摻氫天然氣摻混濃度測量點位設置提供指導，對發(fā)展隨動摻混技術具有指導意義。