氫氣是一種綠色、環保、可再生的燃料,被認為是化石燃料最有前途的替代品之一。目前,利用可再生能源通過電解產生氫氣,然后在天然氣管道中按一定比例混合氫氣進行輸送,是使用和運輸氫能的有效方式。例如,混入項目天然氣管網的氫氣分子含量高達25%;混合到項目天然氣管網中的氫氣分子比例達到20%。摻氫天然氣的測量技術是大規模、市場化生產摻氫天然天然氣的重要基礎。
標準流量計由于其設計簡單、成本低和可靠性高,仍然是石油和天然氣行業中使用最廣泛的流量計。基于節能定律和流量連續性方程,標準流量計通過測量打開前后產生的靜壓差來測量通過節流裝置的天然氣流量。工作條件下的體積流量通常用流量計測量,然后在天然氣貿易移交期間轉換為基本(標準)條件下的容積流量。
由于氫氣和甲烷的物理性質差異很大,它們在標準條件下的密度相差超過八倍,而密度是影響標準流量計結果的重要因素。當氫氣混入天然氣中時,其密度、粘度和比熱容發生變化,從而影響標準流量計的測量精度。Dong等人使用Fluent分析了在測量天然氣流量時,不同傾角的孔板對測量精度的影響;Jin等人在測量液態氫時使用fluent分析獲得了不同開口結構對排放系數和壓力損失系數的影響;李思達通過數值模擬技術得出,在測量天然氣流量時,相對液體密度的變化值對測量值的影響較大。
盡管前人做了大量研究,但目前對測量精度影響的研究主要集中在改變開口板結構,這增加了流量計結構的復雜性,并且不容易在實際的天然氣管道中使用。此外,研究結果主要集中在對排放系數和壓差的影響。對加藥所需的其他參數(如膨脹系數、超壓系數和相對密度系數)的影響很少進行研究。研究介質主要是天然氣或液態氫,很少研究氫混合天然氣的情況。因此,本研究主要研究天然氣管道中氫氣對標準流量計測量精度的影響。
通過數值模擬研究了氫氣混合天然氣標準流量計的測量精度。研究了氫氣混合物對壓差、流量、排放系數、相對密度系數、膨脹系數和超壓縮系數的影響,得出以下結論。
(1) 如果壓力恒定,氫氣混合物的增加會導致體積流量測量的流量值增加。由于氫氣的熱值低于甲烷的熱值,如果將體積測量用于貿易交接,則對買方不利。因此,對于氫混合天然氣,建議使用能量
(2) 如果壓力恒定,氫混合物的增加導致壓差增加,導致相對密度系數、膨脹系數和超壓縮系數降低,而流出系數幾乎不受氫含量變化的影響。
(3) 當氫氣混入天然氣管網時,當氫氣分子分數小于30%時,氫氣含量的變化不會顯著影響標準流量計的精度。