劉翠偉,崔兆雪,張家軒,裴業(yè)斌,段鵬飛,李璐伶,楊宏超,李玉星
(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院,山東青島 266580;2.西安長(zhǎng)慶科技工程責(zé)任有限公司,陜西西安 710018;3.深圳市燃?xì)饧瘓F(tuán)股份有限公司,深圳 518000)
隨著全球綠色低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,發(fā)展清潔能源是必然選擇,而氫能具有清潔無(wú)碳、綠色高效、可再生、應(yīng)用模式豐富等優(yōu)勢(shì)[1],被視為21世紀(jì)最具有發(fā)展?jié)摿Φ摹敖K極能源”[2],將在實(shí)現(xiàn)“碳中和”和綠色可持續(xù)發(fā)展中扮演重要角色[3-4]。大力發(fā)展氫能的過(guò)程中,氫氣的大規(guī)模、長(zhǎng)距離、低成本儲(chǔ)運(yùn)是急需解決的關(guān)鍵難題,近些年國(guó)內(nèi)外提出將氫氣按照一定比例摻入現(xiàn)役天然氣管道中混輸?shù)妮敋浞绞絒5-7]。然而,由于氫氣和甲烷的密度差別很大,常溫常壓下甲烷密度約是氫氣的8倍,且氫氣比天然氣更易擴(kuò)散[8]。隨著氫氣的摻入,摻氫天然氣在存儲(chǔ)和管道停輸過(guò)程中在重力作用下會(huì)出現(xiàn)體積分?jǐn)?shù)分布不均勻現(xiàn)象。同時(shí)在摻氫天然氣管道運(yùn)行過(guò)程中,當(dāng)管道流速較小時(shí)也有可能發(fā)生氫氣向管道頂部偏移的現(xiàn)象[9]。任少云等[10-12]通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方法,針對(duì)儲(chǔ)罐和管道內(nèi)甲烷-空氣、氫氣-空氣、丙烷-空氣等混合氣體的混合過(guò)程,對(duì)氣體體積分?jǐn)?shù)分布規(guī)律進(jìn)行研究,研究結(jié)果表明儲(chǔ)罐和管道內(nèi)混合氣體體積分?jǐn)?shù)分布不均勻,導(dǎo)致儲(chǔ)罐和管道內(nèi)垂直方向上體積分?jǐn)?shù)出現(xiàn)分層現(xiàn)象。陳俊文等[9]對(duì)摻氫天然氣在帶壓運(yùn)行下的起伏管和直管停輸分別進(jìn)行了模擬,得到起伏管道的高凸處氫氣體積分?jǐn)?shù)升高,而低凹處甲烷體積分?jǐn)?shù)升高的規(guī)律;直管道的管道截面也出現(xiàn)了非常明顯的氫氣分層。這些研究在一定程度上證實(shí)了混合氣體體積分?jǐn)?shù)分布不均勻現(xiàn)象的存在,但仍然存在兩個(gè)問(wèn)題:一是對(duì)氫氣-甲烷的分層現(xiàn)象考慮較少,且研究不深入,沒(méi)有得到不同影響規(guī)律下的氫氣體積分?jǐn)?shù)分布規(guī)律;二是幾乎未考慮管道流動(dòng)狀態(tài)時(shí)的氫氣分層現(xiàn)象。雖然氫氣摻入天然氣管道進(jìn)行輸送具有諸多優(yōu)勢(shì),但氫氣的摻入會(huì)給天然氣管道帶來(lái)氫脆、氫致開(kāi)裂等管材失效風(fēng)險(xiǎn)[13-15]。Melaina等[16]指出氫氣對(duì)管道的損傷程度受到氫分壓的影響。氫分壓是摻氫天然氣管道、儲(chǔ)氣瓶選材的重要考慮因素,控制合理的氫分壓是摻氫天然氣管道安全設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),而摻氫天然氣中氫氣體積分?jǐn)?shù)的分布不均勻會(huì)影響儲(chǔ)氣瓶和管道不同位置的氫分壓。因此有必要深入探究摻氫天然氣的分層問(wèn)題,同時(shí)不同摻氫比例的摻氫天然氣的泄漏率、燃燒速率、熱能及爆炸強(qiáng)度不同[17],分層對(duì)于摻氫天然氣管道的泄漏后果分析以及安全距離的確定也有一定影響。因此筆者采用數(shù)值模擬的方式研究摻氫天然氣的分層現(xiàn)象,明確摻氫天然氣在儲(chǔ)氣瓶、管道停輸及流動(dòng)狀態(tài)下的氫體積分?jǐn)?shù)分布規(guī)律。
摻氫燃?xì)夥謱友芯恐饕婕暗降臄?shù)學(xué)模型為多相流混合模型和氣體湍流模型,湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。
1.1.1 混合(Mixture)模型
Mixture模型用于模擬不同速度的流體運(yùn)動(dòng)。采用分壓法向密閉空間內(nèi)充入氣體,兩種氣體的密度和速度各不相同,通過(guò)混合物模型描述多種不同物質(zhì)混合,求解摻氫天然氣分層過(guò)程的控制方程為
(1)
(2)
其中
式中,ρm和ρk分別為混合物密度和第k相密度,kg/m3;t為時(shí)間,s;vm和vk分別為混合物平均速度和第k相的速度,m/s;αk為第k相(氫氣和天然氣)的體積分?jǐn)?shù);n為相數(shù);μm和μk分別為混合物動(dòng)力黏度和第k相動(dòng)力黏度,Pa·s;vdr,k為漂移速度,m/s;p為靜壓,Pa;g為重力加速度,m2/s。
1.1.2 湍流模型
湍流模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型,表示為
(3)
其中
式中,k為湍流動(dòng)能;ε為湍流動(dòng)能耗散率;μt為湍動(dòng)黏度;Gk為由層流速度梯度而產(chǎn)生的湍動(dòng)能;Gb為由浮力產(chǎn)生的湍動(dòng)能;YM為在可壓縮湍流中擴(kuò)散產(chǎn)生的波動(dòng),其中σk=1.0,σε=1.3,C1ε=1.44,C2ε=1.92,Cμ=0.09。
任少云等[11]對(duì)甲烷-空氣混合氣體在容器內(nèi)的靜置混合過(guò)程進(jìn)行試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)混合氣體靜置后在豎直方向上出現(xiàn)體積分?jǐn)?shù)非均勻分布,即分層現(xiàn)象。為證明本文建立的摻氫天然氣分層模型的可靠性,建立與文獻(xiàn)中實(shí)驗(yàn)裝置完全相同的物理模型。模擬采用多相流Mixture模型,SIMPLE算法、瞬態(tài)計(jì)算和參數(shù)設(shè)置與實(shí)驗(yàn)完全相同;計(jì)算過(guò)程中不考慮與外界的傳熱,管壁為絕熱壁面邊界;將混合氣體靜置5 min后不同高度處的甲烷體積分?jǐn)?shù)模擬值與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比,如圖1所示。
圖1 不同高度處甲烷體積分?jǐn)?shù)模擬值與試驗(yàn)值對(duì)比Fig.1 Comparison between simulated and experimental values of CH4volume fraction at different heights
由圖1可知,模擬值與試驗(yàn)值可以較好吻合,最大誤差僅為3.662%。因此可以認(rèn)為采用該數(shù)值模擬方法對(duì)摻氫天然氣的混合擴(kuò)散和分層現(xiàn)象進(jìn)行模擬研究是可行的。
儲(chǔ)氣瓶模型直徑為100 mm,高度為300 mm,距離氣瓶頂部60 mm處設(shè)直徑10 mm的充氣口,z軸反方向?yàn)橹亓Ψ较?模型采用三維四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,充氣口處網(wǎng)格加密,如圖2所示。采用多相流混合模型,充氣口設(shè)為壓力入口,按照分壓法分別充入體積分?jǐn)?shù)87%甲烷和體積分?jǐn)?shù)13%氫氣,可壓縮理想氣體,當(dāng)儲(chǔ)氣瓶?jī)?nèi)總壓達(dá)到1 MPa時(shí),充氣口設(shè)為wall,關(guān)閉充氣口,開(kāi)始靜置氣體。分別在儲(chǔ)氣瓶頂、中、底部設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)S1(0,0,0.28),S2(0,0,0.15),S3(0,0,0.02),單位均為m。
圖2 儲(chǔ)氣瓶模型Fig.2 Gas cylinder model
對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證,分別采用3種尺寸的網(wǎng)格進(jìn)行模擬:3 mm×3 mm×3 mm(網(wǎng)格1),5 mm×5 mm×5 mm(網(wǎng)格2),10 mm×10 mm×10 mm(網(wǎng)格3),網(wǎng)格總數(shù)依次為279 199、84 946、21 542。得到儲(chǔ)氣瓶中心監(jiān)測(cè)點(diǎn)S2的氫氣體積分?jǐn)?shù)變化曲線(xiàn)如圖3所示。
圖3 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證Fig.3 Grid independence verification
由圖2可知,網(wǎng)格1和網(wǎng)格2的氫氣體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)基本重合,而網(wǎng)格3的偏差較大。同時(shí)考慮到若網(wǎng)格太密,占據(jù)的計(jì)算資源較大,因此選擇5 mm×5 mm×5 mm(網(wǎng)格2)進(jìn)行模擬,得到不同靜置時(shí)間的氫氣體積分?jǐn)?shù)云圖和各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的氫氣體積分?jǐn)?shù)曲線(xiàn)如圖4、5所示。
由圖5可知,儲(chǔ)氣瓶完成充氣開(kāi)始靜置時(shí),混合氣體體積分?jǐn)?shù)隨靜置時(shí)間逐漸穩(wěn)定,但是儲(chǔ)氣瓶頂部的氫氣體積分?jǐn)?shù)大于13%,中部的氫氣體積分?jǐn)?shù)約在13%,底部的氫氣體積分?jǐn)?shù)低于13%。說(shuō)明充氣完成后,氣體通過(guò)分子運(yùn)動(dòng)達(dá)到混合均勻的目的,但是因?yàn)闅錃夂图淄榈拿芏炔顒e很大,在重力作用下,密度差引起的氫氣體積分?jǐn)?shù)分布趨勢(shì)比分子運(yùn)動(dòng)的混合均勻趨勢(shì)更顯著,因此出現(xiàn)了氣體分層現(xiàn)象,密度小的氫氣逐漸在儲(chǔ)氣瓶頂部聚集,甲烷在儲(chǔ)氣瓶底部聚集,導(dǎo)致儲(chǔ)氣瓶頂部氫氣體積分?jǐn)?shù)大于氣瓶底部氫氣體積分?jǐn)?shù)。這與任少云[11]研究得到的氣體體積分?jǐn)?shù)變化趨勢(shì)和結(jié)論一致,進(jìn)一步驗(yàn)證了該模型和數(shù)值模擬方法的可靠性。
圖4 充氫過(guò)程氫氣體積分?jǐn)?shù)云圖Fig.4 H2 volume fraction contours during hydrogen mixing process
圖5 充氫過(guò)程儲(chǔ)氣瓶頂、中、底部氫氣體積分?jǐn)?shù)Fig.5 H2 volume fraction at the top,middle and bottom of gas cylinder during hydrogen mixing process
采用分壓法向儲(chǔ)氣瓶?jī)?nèi)充氣,由于兩種氣體的密度差別大,軟件模擬時(shí)間有限,氣瓶?jī)?nèi)氣體始終不能完全混合均勻。因此為進(jìn)一步研究?jī)?chǔ)氣瓶中混合氣體的分層問(wèn)題,初始使儲(chǔ)氣瓶?jī)?nèi)充滿(mǎn)體積分?jǐn)?shù)分布均勻的混合氣體(氫氣體積分?jǐn)?shù)30%),儲(chǔ)氣瓶?jī)?nèi)壓力為1 MPa,關(guān)閉充氣口開(kāi)始靜置,隨靜置時(shí)間氫氣體積分?jǐn)?shù)變化和云圖如圖6、7所示。
由圖6、7可知,氣體靜置過(guò)程中,大約在35 min時(shí)儲(chǔ)氣瓶頂部和底部監(jiān)測(cè)點(diǎn)的氫氣體積分?jǐn)?shù)發(fā)生明顯變化,氣瓶頂部的氫氣體積分?jǐn)?shù)逐漸上升,大于初始?xì)錃怏w積分?jǐn)?shù)(30%),底部的氫氣體積分?jǐn)?shù)逐漸下降,遠(yuǎn)低于30%,中間監(jiān)測(cè)點(diǎn)的體積分?jǐn)?shù)穩(wěn)定在30%。儲(chǔ)氣瓶?jī)?nèi)氣體體積分?jǐn)?shù)出現(xiàn)分層現(xiàn)象,密度小的氫氣上升積聚在氣瓶頂部,密度大的甲烷下沉聚集在氣瓶底部。
圖6 初始體積分?jǐn)?shù)均勻時(shí)儲(chǔ)氣瓶頂、中、底部氫氣體積分?jǐn)?shù)Fig.6 H2 volume fraction at the top,middle and bottom of gas cylinder at the same initial volume fraction
圖7 初始體積分?jǐn)?shù)均勻時(shí)氫氣體積分?jǐn)?shù)云圖Fig.7 H2 volume fraction contours at the same initial volume fraction
通過(guò)儲(chǔ)氣瓶仿真模型的建立及文獻(xiàn)對(duì)比,驗(yàn)證了所建立的分層模型的有效性,進(jìn)一步研究摻氫天然氣在管道中的分層現(xiàn)象。
管道模型采用三維六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,通過(guò)網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證選擇30 mm×30 mm×30 mm的網(wǎng)格尺寸,z軸的反方向設(shè)為重力方向,管道模型如圖8所示。
圖8 管道長(zhǎng)度4 m、管徑800 mm管道模型Fig.8 Pipe model with length of 4 m and diameter of 800 mm
基礎(chǔ)工況模型參數(shù)為管道長(zhǎng)度4 m,管徑800 mm,在管道頂部、中心、底部、起點(diǎn)、終點(diǎn)分別設(shè)置氫氣體積分?jǐn)?shù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)S1(2,0,0.38),S2(2,0,0),S3(2,0,-0.38),S4(0,0,0),S5(4,0,0),單位均為m。管內(nèi)充滿(mǎn)混合均勻的甲烷-氫氣混合氣體,其中氫氣和甲烷體積分?jǐn)?shù)分別為10%和90%;管道壓力為1 MPa,溫度為293 K,管道兩端進(jìn)出口設(shè)置為wall,開(kāi)始靜置氣體,進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)計(jì)算。
3.1.1 分層現(xiàn)象
當(dāng)管道壓力為3 MPa,其余參數(shù)設(shè)置同基礎(chǔ)工況時(shí),氣體靜置過(guò)程中,各監(jiān)測(cè)點(diǎn)氫氣體積分?jǐn)?shù)變化曲線(xiàn)和云圖如9、10所示。可以看出,管道停輸后,在甲烷-氫氣混合氣體靜置過(guò)程中,管道內(nèi)出現(xiàn)分層現(xiàn)象,氫氣上浮在管道上方積聚,甲烷下沉在管道底部積聚,隨著靜置時(shí)間增加,管內(nèi)的分層現(xiàn)象更加明顯;大約在40 min,氫氣體積分?jǐn)?shù)分布逐漸穩(wěn)定,管道頂部氫氣體積分?jǐn)?shù)大約是底部氫氣體積分?jǐn)?shù)的10.811倍。同時(shí)在管長(zhǎng)中心線(xiàn)方向的監(jiān)測(cè)點(diǎn)S2、S4和S5的氫氣體積分?jǐn)?shù)變化基本一致,均與氫氣在管道中的初始體積分?jǐn)?shù)(10%)相差不大,這也說(shuō)明氫氣在管長(zhǎng)方向的體積分?jǐn)?shù)分布均勻,僅在管徑方向由于重力出現(xiàn)分層。這也與文獻(xiàn)[11]中氣體混合后受重力作用,管道內(nèi)垂直方向上體積分?jǐn)?shù)出現(xiàn)分層現(xiàn)象的結(jié)論一致。
圖9 氫氣體積分?jǐn)?shù)變化曲線(xiàn)Fig.9 H2 volume fraction curves
圖10 停輸靜止氫氣體積分?jǐn)?shù)云圖Fig.10 H2 volume fraction contours when pipe being cut off
3.1.2 影響因素
基于初始工況,分別改變壓力、管徑、溫度和摻氫比進(jìn)行停輸靜置模擬,壓力分別為1、3、5 MPa,管徑分別為600、800、1 000 mm,溫度分別為273、293、313 K,摻氫比分別為10%、20%、30%。氣體靜置40 min時(shí),氫氣體積分?jǐn)?shù)云圖、管徑方向氫氣體積分?jǐn)?shù)分布如圖11、12所示。
由圖11、12可以看出,壓力、管徑、溫度和摻氫比對(duì)分層程度的影響。
(1)壓力。管道壓力越大,管道重力方向氫氣體積分?jǐn)?shù)梯度越大,分層現(xiàn)象越明顯;當(dāng)管內(nèi)壓力為1、3、5MPa時(shí),管道重力方向體積分?jǐn)?shù)梯度分別為15.3%/m、28.8%/m、37.7%/m;且壓力越大,氫氣體積分?jǐn)?shù)達(dá)到穩(wěn)定分布的時(shí)間越短。
圖11 靜置40 min時(shí)氫氣體積分?jǐn)?shù)云圖Fig.11 H2 volume fraction contours after 40 mins
圖12 靜置40 min時(shí)管徑方向氫氣體積分?jǐn)?shù)分布Fig.12 H2 volume fraction distribution in pipe diameter direction after 40 mins
(2)管徑。管徑越小,管道重力方向的氫氣體積分?jǐn)?shù)梯度越大,分層現(xiàn)象越明顯;當(dāng)管徑為600、800、1 000 mm時(shí),管道重力方向體積分?jǐn)?shù)梯度分別為20.7%/m、15.3%/m、12.5%/m;但是每種管徑頂部最大氫氣體積分?jǐn)?shù)相等,底部最小氫氣體積分?jǐn)?shù)也相等;隨著管徑增大,離管中心相同距離處的氫氣體積分?jǐn)?shù)分布越均勻,分層現(xiàn)象越不明顯。
(3)溫度。溫度越低,管道重力方向氫氣體積分?jǐn)?shù)梯度越大,分層現(xiàn)象越明顯;當(dāng)氣體溫度為273、293、313 K時(shí),管道重力方向體積分?jǐn)?shù)梯度分別為16.1%/m、15.3%/m、14.6%/m,這是由于隨著溫度增加,氣體分子能量增加,分子布朗運(yùn)動(dòng)加劇,氣體混合更充分,越不易出現(xiàn)分層。
(4)摻氫比。摻氫比越大,管道重力方向氫氣體積分?jǐn)?shù)梯度越大,分層現(xiàn)象越明顯;摻氫比為10%、20%、30%時(shí),管道重力方向體積分?jǐn)?shù)梯度分別為15.3%/m、21.0%/m、23.3%/m。
3.2.1 分層現(xiàn)象
模型管道長(zhǎng)度為10 m,管道直徑為600 mm。邊界條件:管道入口為速度入口,設(shè)為2.5 m/s,管內(nèi)氣體為混合均勻的甲烷-氫氣,其中氫氣和甲烷體積分?jǐn)?shù)分別為10%和 90%;管道出口為壓力出口,設(shè)為1 MPa,溫度273 K,穩(wěn)態(tài)計(jì)算。模擬得到氫氣體積分?jǐn)?shù)和壓力云圖如圖13所示。
圖13 氫體積分?jǐn)?shù)和壓力云圖Fig.13 H2 volume fraction and pressure contours
由圖13可以看出,摻氫天然氣管道運(yùn)行中,隨著氣體的流動(dòng),管內(nèi)氣體從一開(kāi)始的均勻分布逐漸開(kāi)始發(fā)生分層現(xiàn)象,氫氣向管道頂部漂移,形成管道頂部氫氣體積分?jǐn)?shù)大,底部氫氣體積分?jǐn)?shù)小的分層現(xiàn)象。由壓力云圖可以看出,管道頂部的壓力小于底部壓力,這是由于管道流速很小,管道較短,管道運(yùn)行中壓降很小,同時(shí)摻氫天然氣發(fā)生分層,管頂聚集密度小的氫氣,管底聚集密度大的甲烷,造成管道壓力分布也出現(xiàn)分層,頂部壓力小,底部壓力大。
3.2.2 影響因素
為深入研究管道運(yùn)行中管內(nèi)摻氫天然氣的分層現(xiàn)象,研究壓力、流速、溫度和摻氫比對(duì)分層的影響,針對(duì)不同工況進(jìn)行模擬得到氫氣在重力方向的最大和最小體積分?jǐn)?shù)及體積分?jǐn)?shù)梯度見(jiàn)表1。管道出口處管徑重力方向氫氣體積分?jǐn)?shù)分布見(jiàn)圖14。
(1)溫度。溫度越低,管道重力方向氫氣體積分?jǐn)?shù)梯度越大,分層現(xiàn)象越明顯。這是由于溫度低抑制了氣體分子運(yùn)動(dòng),混合氣體不能充分混合均勻,由于重力作用在管道重力方向出現(xiàn)體積分?jǐn)?shù)分層。
表1 模擬結(jié)果Table 1 Simulation results
圖14 管徑方向氫氣體積分?jǐn)?shù)分布Fig.14 H2 volume fraction distribution in pipe diameter direction
(2)流速。當(dāng)氣體流速很小時(shí),氫氣逐漸向管道頂部積聚,出現(xiàn)了明顯的分層現(xiàn)象。隨著氣體流速增加,管徑方向氫氣體積分?jǐn)?shù)變化特別小,基本混合均勻。因此摻氫天然氣管道適宜以高流速運(yùn)行。
(3)壓力。管道壓力越大,管徑方向氫氣體積分?jǐn)?shù)梯度越大,分層現(xiàn)象越明顯。為避免氣體分層,摻氫天然氣管道適宜在低壓下運(yùn)行。文獻(xiàn)[18]-[19]中研究表明摻氫天然氣管道在低壓下運(yùn)行時(shí),氫氣與天然氣具有相同的泄漏率,氫氣不會(huì)優(yōu)先從天然氣管道泄漏,這也驗(yàn)證了本文結(jié)論的正確性。
(1)摻氫天然氣存儲(chǔ)在儲(chǔ)氣瓶中時(shí),隨著靜置氫氣體積分?jǐn)?shù)在重力方向出現(xiàn)分層現(xiàn)象。
(2)摻氫天然氣管道停輸后,隨著靜置氫氣逐漸上浮到頂部,甲烷下沉到管道底部,出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象,當(dāng)靜置時(shí)間達(dá)到某一值后,氫氣-甲烷體積分?jǐn)?shù)分布趨于穩(wěn)定,但仍然存在體積分?jǐn)?shù)梯度;且隨著壓力和摻氫比增大,溫度和管徑減小,重力方向氫氣體積分?jǐn)?shù)梯度越大。
(3)摻氫天然氣管道以非常小的流速運(yùn)行時(shí),氫氣隨著流動(dòng)逐漸向管道頂部偏移,管道重力方向也會(huì)出現(xiàn)分層現(xiàn)象,但相比于停輸管道,氫氣體積分?jǐn)?shù)梯度特別小;且在低溫、高壓工況下運(yùn)行時(shí),更易出現(xiàn)氣體體積分?jǐn)?shù)分層。
(4)摻氫天然氣管道適宜低壓高速運(yùn)行,此時(shí)安全風(fēng)險(xiǎn)較小。