大口径长输天然气管道掺氢混气特性研究

doi:10.12422/j.issn.1006-396X.2024.05.002

石油化工高等学校学报 ›› 2024, Vol. 37 ›› Issue (5): 11-19.DOI: 10.12422/j.issn.1006-396X.2024.05.002

大口径长输天然气管道掺氢混气特性研究

杨云兰¹^,²(), 张鑫³, 刘玉辉¹, 熊至宜¹(), 刘涛², 冯艳丽²

^1.中国石油大学(北京) 机械与储运工程学院, 北京 102249
^2.中油管道机械制造有限责任公司, 河北廊坊 065000
^3.国家管网集团科学技术研究总院分公司, 天津 300457

收稿日期:2024-02-25 修回日期:2024-05-08 出版日期:2024-10-25 发布日期:2024-11-01
通讯作者: 熊至宜
作者简介:杨云兰（1974⁃），女，博士，教授级高级工程师，从事油气储运与新能源装备方面的研发；E⁃mail：cppmyangyl@cnpc.com.cn。
基金资助:
国家自然科学基金项目(52174040)

Study on the Characteristics of Hydrogen⁃Mixed Gas in Large⁃Diameter Long⁃Distance Natural Gas Pipeline

Yunlan YANG¹^,²(), Xin ZHANG³, Yuhui LIU¹, Zhiyi XIONG¹(), Tao LIU², Yanli FENG²

^1.College of Mechanical and Transportation Engineering，China University of Petroleum （Beijing），Beijing 102249，China
^2.China National Petroleum Pipeline Machinery Manufacturing Co. ，Ltd. ，Langfang Hebei 065000，China
^3.National Pipe Network Group Branch of the General Institute of Science and Technology，Tianjin 300457，China

Received:2024-02-25 Revised:2024-05-08 Published:2024-10-25 Online:2024-11-01
Contact: Zhiyi XIONG

摘要/Abstract

摘要：

长输天然气管道具有管径大、流速快的特点，掺氢混气的不均匀度会增加管道输送系统金属氢脆、密封渗漏、设备运行不稳定等风险。针对我国某长输天然气管道的运行工况，采用数值模拟的方法研究了4种静态混合器（SK型、SX型、SL型、HEV型）进行掺氢输送（掺氢比为3%）时的流场特性以及混合效果。结果表明，4种静态混合器对天然气掺氢混气均具有扰动混合作用，混合不均匀度随输量的增大而减小，压力损失随输量的增大而增大；在掺氢比为3%、掺氢压力为4.22 MPa、输量为13×10⁸~36×10⁸ Nm³/a的工况下，SK型、SX型、SL型和HEV型静态混合器的混合特性和效果差异较大，应在不同的混合距离处，将混合不均匀度下降至5%以下。综合考虑，可优选或创新设计结构相对简单、混合距离短、混合不均匀度较低、湍流特性优异、剪切特性良好并且压降适中的静态混合器，作为大口径长输天然气主管路掺氢混合器。

关键词: 天然气掺氢, 静态混合器, 数值模拟, 流场分析, 混气特性

Abstract:

The long-distance natural gas pipeline is characterized by large diameter and fast flow,and the uneven mixing of hydrogen gas will increase the risks of metal hydrogen embrittlement,seal leakage and unstable operation of equipment in the pipeline transportation system.According to the operating conditions of a long?distance natural gas pipeline in China,numerical simulation was used to study the flow field characteristics and mixing effect of four types of static mixers (SK,SX,SL,HEV) when hydrogen doping is transported(the ratio of hydrogen doping is 3%).The results show that all four types of static mixers have disturbing mixing effects on natural gas with hydrogen addition,and the value of the mixed non?uniformity COV decreases with the increase of flow rate,while the pressure loss increases with the increase of flow rate.The mixing characteristics and effects of SK, SX,SL and HEV type mixers vary significantly under the operating conditions of 3% hydrogen doping ratio,4.22 MPa hydrogen doping pressure,and flow rates ranging from 13×10⁸ Nm³/a to 36×10⁸ Nm³/a.The COV value should be reduced to less than 5% at different mixing distances.It can be optimally or innovatively designed with a relatively simple structure, short mixing distance, low non?uniformity, excellent turbulence characteristics,good shear characteristics, and moderate pressure drop as a large-caliber long-distance natural gas main pipeline hydrogen mixer.

Key words: Natural gas hydrogen doping, Static mixer, Numerical simulation, Flow field analysis, Mixing characteristics

中图分类号:

TE832

杨云兰, 张鑫, 刘玉辉, 熊至宜, 刘涛, 冯艳丽. 大口径长输天然气管道掺氢混气特性研究[J]. 石油化工高等学校学报, 2024, 37(5): 11-19.

Yunlan YANG, Xin ZHANG, Yuhui LIU, Zhiyi XIONG, Tao LIU, Yanli FENG. Study on the Characteristics of Hydrogen⁃Mixed Gas in Large⁃Diameter Long⁃Distance Natural Gas Pipeline[J]. Journal of Petrochemical Universities, 2024, 37(5): 11-19.

图/表 13

图1 天然气掺氢静态混合器模型示意图

Fig.1 Schematic diagram of natural gas static mixer model

图2 管路静态混合器取样点分布图

Fig.2 Distribution of sampling points of static mixer in pipeline

表1 流体性质参数

Table 1 Properties parameters of fluid materials

流体	密度/（kg $⋅$ m^-3）	动力黏度×10²/（mPa·s）
甲烷	0.667 90	1.087
氢气	0.081 89	8.411

表1 流体性质参数

Table 1 Properties parameters of fluid materials

流体	密度/（kg $⋅$ m^-3）	动力黏度×10²/（mPa·s）
甲烷	0.667 90	1.087
氢气	0.081 89	8.411

表2 管道运行输量及其对应的气体流速

Table 2 Pipeline operating capacity and its corresponding gas flow rate

标况输量×10^-8/（Nm³ $⋅$ a^-1）	天然气管路流速/（m $⋅$ s^-1）	氢气管路流速/（m $⋅$ s^-1）
13	2.813 24	0.985 68
20	4.328 06	1.516 43
27	5.842 88	2.047 19
33	7.141 30	2.502 12
36	7.790 51	2.729 58

表2 管道运行输量及其对应的气体流速

Table 2 Pipeline operating capacity and its corresponding gas flow rate

标况输量×10^-8/（Nm³ $⋅$ a^-1）	天然气管路流速/（m $⋅$ s^-1）	氢气管路流速/（m $⋅$ s^-1）
13	2.813 24	0.985 68
20	4.328 06	1.516 43
27	5.842 88	2.047 19
33	7.141 30	2.502 12
36	7.790 51	2.729 58

图3 全局尺寸和局部加密尺寸不同时的混合不均匀度变化

Fig.3 Variation of non?uniformity value at different global and local refinement size

图4 静态混合器网格划分局部示意图

Fig.4 A diagram of a static mixer mesh divided locally

图5 不同雷诺数下摩阻系数的模拟值与实验值的拟合对比

Fig.5 The fitting and contrasting of simulated and experimental values of friction coefficient at different Reynolds numbers

图6 4种静态混合器的天然气与氢气流线图

Fig.6 Streamline diagrams of natural gas and hydrogen for four types of static mixers

图7 4种静态混合器在全输量下的混合不均匀度随混合距离的变化曲线

Fig.7 variation of non?uniformity value with mixing distance in four kinds of static mixers under full operating conditions

图8 4种静态混合器的混合不均匀度和压降损失分析结果

Fig.8 Analysis results of non?uniformity COV values and pressure drop loss for four types of static mixers

图9 4种静态混合器的湍动能和湍流强度随混合距离的变化

Fig.9 The turbulent kinetic energy and intensity of four static mixers vary with mixing distance

表3 静态混合器的混合单元体积

Table 3 Volume of static mixer mixing unit

静态混合器类型	体积/m³
SK型	16.68
SX型	46.29
SL型	65.47
HEV型	3.62

图10 4种静态混合器的剪切强度和剪切效率随输量的变化关系

Fig.10 The shear strength and shear efficiency of four kinds of static mixers vary with flow rates

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