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.

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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

参考文献 22

1	RIVAROLO M，MARMI S，RIVEROS⁃GODOY G，et al.Development and assessment of a distribution network of hydro⁃methane，methanol，oxygen and carbon dioxide in Paraguay［J］.Energy Conversion and Management，2014，77：680⁃689.
2	STERNBERG A，BARDOW A.Power⁃to⁃what？⁃Environmental assessment of energy storage systems［J］.Energy & Environmental Science，2015，8（2）：389⁃400.
3	王雨新，杨静.我国管道输氢发展SWOT分析［J］.当代化工，2022，51（3）：727⁃731.
	WANG Y X，YANG J.SWOT analysis on the development of hydrogen pipeline transportation in China［J］.Contemporary Chemical Industry，2022，51（3）：727⁃731.
4	宋鹏飞，单彤文，李又武，等.天然气管道掺入氢气的影响及技术可行性分析［J］.现代化工，2020，40（7）：5⁃10.
	SONG P F，SHAN T W，LI Y W，et al.Impact of hydrogen into natural gas grid and technical feasibility analysis［J］.Modern Chemical Industry，2020，40（7）：5⁃10.
5	崔兆雪，田磊，段鹏飞，等.掺氢天然气管道输送工艺特性［J］.石油化工高等学校学报，2021，34（6）：81⁃88.
	CUI Z X，TIAN L，DUAN P F，et al.Process characteristics of hydrogen blend natural gas pipeline transportation［J］.Journal of Petrochemical Universities，2021，34（6）：81⁃88.
6	许未晴，鲁仰辉，孙晨，等.天然气掺氢输送系统氢脆研究进展［J］.油气储运，2022，41（10）：1130⁃1140.
	XU W Q，LU Y H，SUN C，et al.Research progress on hydrogen embrittlement in hydrogen⁃blended natural gas transportation system［J］.Oil & Gas Storage and Transportation，2022，41（10）：1130⁃1140.
7	MELAINA M W，ANTONIA O，PENEV M.Blending hydrogen into natural gas pipeline networks：A review of key issues：NREL/TP⁃5600⁃51995［R］.Golden：National Renewable Energy Lab，2013.
8	REN S Y，ZHANG Q.Influence of concentration distribution of hydrogen in air on measured flammability limits［J］.Journal of Loss Prevention in the Process Industries，2015，34：82⁃91.
9	LIU C W，PEI Y B，CUI Z X，et al.Study on the stratification of the blended gas in the pipeline with hydrogen into natural gas［J］.International Journal of Hydrogen Energy，2023，48（13）：5186⁃5196.
10	陈俊文，尚谨，刘玉杰，等.混氢天然气管道安全设计要点探讨［J］.天然气与石油，2020，38（6）：8⁃13.
	CHEN J W，SHANG J，LIU Y J，et al.Discussion on the safety in design of hydrogen blended natural gas pipelines［J］.Natural Gas and Oil，2020，38（6）：8⁃13.
11	高岳，朱红钧，唐堂，等.天然气管道掺氢输送研究现状与分析［J］.低碳化学与化工，2024，49（3）：118⁃128.
	GAO Y，ZHU H J，TANG T，et al.Research status and analysis of hydrogen⁃blended natural gas transportation in natural gas pipelines［J］.Low⁃carbon Chemistry and Chemical Engineering，2024，49（3）：118⁃128.
12	王玮，王秋岩，邓海全，等.天然气管道输送混氢天然气的可行性［J］.天然气工业，2020，40（3）：130⁃136.
	WANG W，WANG Q Y，DENG H Q，et al.Feasibility analysis on the transportation of hydrogen⁃natural gas mixtures in natural gas pipelines［J］.Natural Gas Industry，2020，40（3）：130⁃136.
13	印小娜，李长俊，谢萍，等.混氢天然气管道超声波流量计适应性研究［J］.中国测试，2021，47（8）：150⁃158.
	YIN X N，LI C J，XIE P，et al.Research on adaptability of ultrasonic flowmeter for hydrogen⁃natural gas mixtures in natural gas pipelines［J］.China Measurement & Testing，2021，47（8）：150⁃158.
14	安永伟，孙晨，冀守虎，等.天然气掺氢在管道流动中的氢浓度分布［J］.力学与实践，2022，44（4）：767⁃775.
	AN Y W，SUN C，JI S H，et al.Hydrogen concentration distribution in flow of hydrogen blended to natural gas in pipeline［J］.Mechanics in Engineering，2022，44（4）：767⁃775.
15	李凤，董绍华，陈林，等.掺氢天然气长距离管道输送安全关键技术与进展［J］.力学与实践，2023，45（2）：230⁃244.
	LI F，DONG S H，CHEN L，et al.Key safety technologies and advances in long⁃distance pipeline transportation of hydrogen blended natural gas［J］.Mechanics in Engineering，2023，45（2）：230⁃244.
16	张立业，邓海涛，孙桂军，等.天然气随动掺氢技术研究进展［J］.力学与实践，2022，44（4）：753⁃766.
	ZHANG L Y，DENG H T，SUN G J，et al.Research progress of natural gas follow⁃up hydrogen mixing technology［J］.Mechanics in Engineering，2022，44（4）：753⁃766.
17	KONG M M，FENG S M，XIA Q，et al.Investigation of mixing behavior of hydrogen blended to natural gas in gas network［J］.Sustainability，2021，13（8）：4255.
18	张春梅，刘建.HEV型静态混合器翼片结构优化研究［J］.沈阳化工大学学报，2019，33（4）：333⁃338.
	ZHANG C M，LIU J.Research on optimization of wing structure in an HEV static mixer［J］.Journal of Shenyang Institute of Chemical Technology，2019，33（4）：333⁃338.
19	FULLER E N，SCHETTLER P D，GIDDINGS J C.New method for prediction of binary gas⁃phase diffusion coefficients［J］.Industrial & Engineering Chemistry，1966，58（5）：18⁃27.
20	JIA W L，REN Q Y，ZHANG H，et al.Multicomponent leakage and diffusion simulation of natural gas/hydrogen mixtures in compressor plants［J］.Safety Science，2023，157：105916.
21	RAHMANI R K，KEITH T G，AYASOUFI A.Three⁃dimensional numerical simulation and performance study of an industrial helical static mixer［J］.Journal of Fluids Engineering，2005，127（3）：467⁃483.
22	张春梅，吴剑华，龚斌.SK型静态混合器流体湍流阻力的研究［J］.化学工程，2006，34（10）：27⁃30.
	ZHANG C M，WU J H，GONG B.Flow resistance researches for SK static mixer tube of turbulent flow［J］.Chemical Engineering，2006，34（10）：27⁃30.

[1]	杨寒月, 孔令真, 陈家庆, 孙欢, 宋家恺, 孔标, 丁国栋. 微气泡型管式气液接触器的气液两相流动特性研究[J]. 石油化工高等学校学报, 2024, 37(3): 25-33.
[2]	陈妙超, 杨盛, 郭凯旋, 冯金宝, 玉姣. 多孔生物弹性材料的渗流数值模拟[J]. 石油化工高等学校学报, 2024, 37(2): 73-80.
[3]	陈楠. 不同条件下的注采井关调实验及数值模拟研究[J]. 石油化工高等学校学报, 2024, 37(2): 9-15.
[4]	贾朋, 陈家庆, 蔡小垒, 孔令真, 王春升, 尚超, 张明, 石熠. 基于CFD⁃PBM模拟水力旋流器油水分离特性研究[J]. 石油化工高等学校学报, 2021, 34(4): 58-65.
[5]	李悦欣, 赵春立, 张玉柱, 何跃, 杨双春. 随动式动态混合器掺稀混合性能研究[J]. 石油化工高等学校学报, 2021, 34(4): 66-71.
[6]	杨文武. B区块主力油层聚驱后变流线井网调整研究[J]. 石油化工高等学校学报, 2021, 34(2): 54-59.
[7]	张继成，闫志明，范佳乐，包智魁. 分段平移相渗曲线方法校准网格粗化效果[J]. 石油化工高等学校学报, 2021, 34(1): 50-57.
[8]	张菁，庞艳萍，黎志敏，王志华. 气浮选对含油污水沉降分离流场特性的影响[J]. 石油化工高等学校学报, 2021, 34(1): 72-79.
[9]	田洋阳，张春影，牛振宇，何利民. 高含水旋转湍流场中油滴分散特性的数值模拟[J]. 石油化工高等学校学报, 2020, 33(6): 56-63.
[10]	王博，陈一鸣，杜胜男，王卫强. 基于CFD方法的无限大平板热扩散数值模拟[J]. 石油化工高等学校学报, 2020, 33(6): 79-84.
[11]	吴传昌，范飞，周晴晴，孔凡胜，申玲，管峰. 旋流筛板式流化床流化特性的数值模拟[J]. 石油化工高等学校学报, 2020, 33(6): 85-90.
[12]	杜明俊, 杨子宁, 滕彧, 马克迪, 焦亚东, 徐乙. 保温型井下隔热油管的实验及数值模拟研究[J]. 石油化工高等学校学报, 2020, 33(4): 75-79.
[13]	苏崭, 李玮, 黄红亮, 王旭东, 郑智冬. 储层岩石的三维逾渗模型研究[J]. 石油化工高等学校学报, 2020, 33(3): 60-66.
[14]	刘人玮, 杨天宇, 万宇飞, 蒋曙鸿, 黄喆. 海上平台热采放喷气扩散数值模拟研究[J]. 石油化工高等学校学报, 2020, 33(3): 74-79.
[15]	吴晓, 王兆婷, 史瑶. 水平管气液段塞流流动特征模拟[J]. 石油化工高等学校学报, 2020, 33(3): 80-85.

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