【本期推荐】何银博，孙恒， 刘楚茹，等｜基于文丘里管的天然气掺氢流动规律研究

原《天然气化工—C1化学与化工》，经国家新闻出版署批复更名为《低碳化学与化工》。

作者简介

孙恒（1976—），博士，副教授，研究方向为气液流动数值模拟技术、氢能输送与氢液化、天然气处理和液化、LNG冷能回收以及工艺动态仿真和优化，E-mail：bddukesh@163.com。

何银博，男，硕士研究生，研究方向为液氢储运与泄露数值模拟、安全预警及防护。

基于文丘里管的天然气掺氢流动规律研究

何银博 1
孙恒 1
刘楚茹 2张姝 1王飞 1郑国婷 1王一凡 1卢钰铜 1

1. 中国石油大学（北京） 油气管道输送安全国家工程研究中心，石油工程教育部重点实验室，城市油气输配技术北京市重点实验室 北京 102249；2. 中国石油西南油气田燃气分公司 四川 成都 610017

摘 要 利用现役的天然气管道掺氢混输，是实现氢气大规模、长距离和低成本储运的有效方法。开发高效便捷的掺氢设备，增大天然气和氢气的掺混均匀度，有利于提高氢气输送效率、保障管道长距离输送及下游用气安全。利用文丘里管作为掺氢设备，用甲烷替代天然气，将甲烷和氢气进行掺混，采用数值模拟的方法，研究了不同的掺混结构和工况对甲烷和氢气掺混流动过程及掺混均匀度的影响。结果表明，在T型管道后添加文丘里管可以增大掺混均匀度。在模拟工况下，当管喉比（文丘里管喉管段与直管段直径比）为1/3时，掺混效果最好；当掺氢比（氢气与甲烷的质量分数比）为15%时，掺混效果最好，掺混均匀度随着掺氢比的增大而增大。与静态掺混器相比，即使甲烷流速较小，添加了文丘里管的管道内仍可保持较大的掺混均匀度。运行压力越小，掺混均匀度波动越小，掺混过程更稳定。

关键词 天然气掺氢；文丘里管；掺混均匀度；掺氢比；流体流动规律

随着世界能源向绿色低碳的方向发展，我国对石油、天然气等多种能源的开采和利用已由矿产资源消耗型转向自然可再生型，而石油和天然气的开采和利用也由高碳燃料转向低碳燃料（加氢减碳）。为了助力实现“双碳”目标，2022年3月23日，中华人民共和国国家发展和改革委员会、国家能源局印发了《氢能产业发展中长期规划（2021—2035年）》，明确了氢能发展原则、目标和阶段性任务 [1] 。氢能作为一种战略新兴产业，是未来主要发展方向 [2] ，同时氢能也是用能终端实现绿色低碳转型的一个主要载体 [3] ，将成为21世纪最有发展前景的二次能源 [4] 。氢能的输送作为连接上下游产业的重要桥梁，在氢能产业链发挥着重要的作用 [ 5-6] 。利用现役的天然气管道是实现氢气大规模、长距离以及低成本储运的有效方法，其中掺氢天然气的掺氢比（氢气与甲烷质量分数比）影响着下游终端用气和管输系统的安全性 [7] 。在数值模拟过程中，由于天然气的主要成分为烷烃，其中甲烷含量较大，所以采用甲烷替代天然气，忽略其他成分的影响，主要关注甲烷与氢气的掺混过程。

开发高效便捷的掺氢设备，提高氢气和甲烷的掺混均匀度，是保障掺氢天然气管道安全输送的重要一环。针对此问题，国内外学者进行了相关研究。KHABBAZI等 [8] 利用T型管道向天然气输送管道注入氢气进行了数值研究，针对配压管道和中压管道的不同侧管尺寸和垂直配置，对混合均匀长度进行了量化，为本研究中注氢管和主管道尺寸设定提供了参考。安永伟等 [9] 利用FLUENT软件，对T型掺混管道和10种不同直径的混合管道进行了数值仿真研究，发现对于T型掺混管道，随着管道增长，氢气分层现象逐渐明显，对于变径掺混管道，变径越靠近掺混中心、直径越窄以及高度越低越容易发生氢气富集，为本研究文丘里管的设置位置和管喉比（文丘里管喉管段与直管段直径比）提供了参考。苏越等 [10] 针对动态混合设备中的氢气和甲烷混合问题，采用数值模拟的方法研究了不同静态混合器中的混合过程，并分析了静态混合器的压力、流速、掺氢比和阻流部件种类以及扰流片的入口方向等因素如何影响氢气和甲烷的混合效率，为本研究确定掺混均匀度的影响因素提供了参考。LIU等 [11] 采用雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方法研究了静态混合器中的氢气和甲烷的掺混流动，并通过实验验证发现数值计算结果与实验数据吻合较好。刘翠伟等 [12] 以掺氢天然气数值模型为基础，研究了管道流动、停输或储气瓶静置场景下，氢气体积分数变化及分布规律，发现掺氢天然气管道中，氢气低流速运行时，氢气随着流动向管道顶部偏移，并出现分层，且在低温、高压下更易分层，说明掺氢天然气管道中，氢气适宜低压高速运行，为本研究的工况设计提供了参考。李苒苒等 [13] 研究了掺氢天然气在用气终端有限空间内的泄漏扩散规律，得到了在有限空间内不同方向上掺氢天然气泄漏后氢气体积分数分布情况，为本研究的氢气在掺氢天然气管道中的分布提供了参考。王帅等 [14] 利用Simdroid软件和FlUENT软件构建了T型加氢管道内的流动计算模型，分析了管道尺寸、流速和掺氢比等参数对掺混过程的影响规律。李敬法等 [15] 以掺氢天然气在管道中静止这一极端工况为对象，通过构建并求解其数学模型，研究了4种典型场景及5种掺氢比条件下，氢气体积分数沿管道底部到管道顶端的变化规律，发现在静置的极端工况下，如果不存在极端大的掺氢比，掺混均匀的掺氢天然气在管道的分层现象可完全忽略，为本研究的掺氢比设置提供了参考。

不同学者针对T型掺混管道及不同类型静态混合器进行了数值模拟，发现T型管道掺混效果不如静态混合器的掺混效果，但静态混合器内部结构较复杂，制造成本高，由于扰流器的存在，需要掺混气体保持较大流速。本文选择文丘里管作为掺混设备对甲烷及氢气进行掺混，因其结构简单，流道顺畅，不需要掺混气体保持较大流速即可使掺混均匀度较大，并研究管喉比、掺氢比、甲烷流速和管道运行压力对甲烷和氢气掺混流动过程及掺混均匀度的影响。

1数值模型构建

本节对设计的装置进行简化后，通过构建几何模型，划分网格并进行网格无关性验证，简述了天然气掺氢过程中涉及的数学模型，确定了掺混均匀度的量化指标。

1.1 几何模型

利用文丘里管作为掺混设备的掺混管路几何模型见 图1 。

▲ 图 1 掺混管道的几何模型

主管道内径（ D ）为100 mm，注氢管布置在主管道之上，与主管道垂直，其管径（ d ）为0.3 D 。在10 D 处掺氢，下游长100 D 。文丘里管位于T型弯管之后，喷管起始位置位于弯管后10 D ，喷管长为10 D 。在混合点的下游设置了5个取样断面，每个取样断面间距为20 D 。主管道进口介质是纯甲烷，注氢管进口介质是纯氢气。

1.2 数学模型

整个掺混过程中的数学模型包括质量守恒方程（ 式(1) ）、动量守恒方程（ 式(2) ）、组分输运方程（ 式(3) ）和湍流模型方程。

式中， ρ 为掺混气体密度，kg/m 3 ； t 为流动时间，s； xi 和 xj 分别为 i 、 j 方向上笛卡尔空间指数； ui 、 uj 为分别 i 、 j 方向上的速度，m/s； Fi 为 i 方向上的质量力，N； p 为气体压力，Pa； ca 为气体组分 a 质量分数； Qa 为气体组分 a 扩散系数； 为湍流引起的组分 a 质量分数的脉动值； 为湍流引起的流速的脉动值。

在文丘里管内，氢气与甲烷混合后，气相流速大，流动形态呈充分发展的湍流，采用标准 k - ε （ k 和 ε 分别代表湍流动能和湍流动能耗散率，单位分别为m 2 /s 2 和m 2 /s 3 ）湍流模型（ 式(4) 、 式(5) ）。

式中， μ 为动力黏度，Pa·s； μ tu 为湍动黏度，Pa·s； H e 为流体平均流速梯度造成的湍流动能； H b 为气体浮力引起的湍流动能； Q M 为可压缩湍流过程中脉动膨胀占整体耗散率的比； Rk 为 k 方程的源项； Sε 为 ε 方程的源项； C 1 ε 、 C 2 ε 、 C 3 ε 、 σk 和 σε 均为模型常数，取值分别为1.44、1.92、0.09、1.0和1.3。

1.3 网格划分

1.3.1 网格质量

利用ICEM软件进行四面体网格划分，采用size function加密函数对整个计算流域进行网格划分，即弯管及喷管周围网格加密，远场流域的网格逐渐稀疏。由于各参数在远场流域尺度上的差异较小，可采用适当的方法来减小网格数量，以减少计算量和计算时间。从全局来看，网格密度沿着边界向外发展，逐渐变疏，采用Smooth命令使网格过渡平滑 [16] 。

利用ICEM软件划分的网格最大边长为0.05 m，依据网格独立性确定模型网格数量为234573个，所有网格的雅可比比率均大于0.45，网格过渡顺滑，最大纵横比为5（ 图2 ）。

▲ 图 2 掺混管道的网格图

1.3.2 网格无关性验证

ANSYS FLUENT 2021软件的求解精度和准确性与网格的划分及密度等因素密切相关。本研究划分了低、中和高网格进行网格无关性验证，网格数量分别为130200个、234573个和347764个（ 图3 ）。在掺氢比为10%情况下，以采样截面的氢气平均质量分数计算波动量，排除网格密度对计算精度的影响，波动量均低于1%以下，可验证计算结果与网格的无关性。由 图3 可知，当网格数量为234573个和347764个时，采样截面的氢气平均质量分数几乎重合，网格加密后对计算结果影响不大，为节省计算机资源，最终采用的划分方案网格数为234573个。

▲ 图 3 网格无关性验证结果

1.4 边界条件及求解设置

本研究利用ANSYS FLUENT 2021软件进行了模拟。操作条件：环境温度为 300 K，主管道运行压力为4 MPa，符合高压长输天然气管道压力标准，选择重力场，竖直方向的重力加速度为9.81 m/s 2 。边界条件：文丘里管表面以及管道表面均为无滑移边界条件，进口边界条件设置为流速进口，出口边界条件设置为压力出口。初始化：选择标准初始化，初始内部工质甲烷质量分数为1。求解设置：选择压力耦合方程的压力-速度耦合半隐式算法。具体的求解设置见 表1 。

▼ 表 1 求解设置

1.5 掺混均匀度量化指标

针对本研究提出的掺混管道，以掺混气的均匀性为评价指标。该指标由气体质量分数的变化系数（Nov，%）来表示，其值为样品质量分数的标准差与样品平均质量分数的比值（ 式(6) ） [17] 。

式中， wr 为采样截面上 r 点的氢气质量分数； 为采样截面上氢气质量分数的平均值； m 为取样点个数。

掺混均匀度（ δ ，%）计算方法见 式(7) 。气体混合越均匀， δ 越大。《天然气掺氢混气站技术规程》（征求意见稿）对天然气与氢气的混合均匀性提出了要求，必须保证 δ ≥ 95%。当 δ ≥ 95%时，工业中认为体系已经完全混合 [10] 。

(7)

1.6 算例工况设置

本研究通过13个模拟算例探究了不同运行工况及掺混管内结构对掺混效果的影响。依据《燃气掺氢混气装置》（征求意见稿）与《天然气掺氢混气站技术规程》（征求意见稿）设计工况，通过算例1~4考察了文丘里管的管喉比对掺混效果的影响，通过算例4~13考察了掺氢比、甲烷流速、运行压力对增加了文丘里管后的掺混效果的影响（ 表2 ）。

▼ 表 2 算例参数设置

2结果与讨论

本节讨论了不同掺混结构及不同运行工况对掺混效果的影响。掺混结构包括是否添加文丘里管及文丘里管的管喉比，运行工况包括掺氢比、甲烷流速及运行压力。

2.1 不同掺混结构对掺混效果的影响

2.1.1 文丘里管掺混管道流场分析

以算例4为例，分析了添加文丘里管的T型掺混管道数值仿真结果，掺混管道氢气流速分布云图见 图4 ，局部放大图中的标签数字为对应等值线的流速大小。由 图4 可知，鉴于氢气与甲烷的流速与流动方向存在显著差异，两种掺混气体在交汇点处发生自然混合现象。氢气刚进入掺混管道的流速大概为10.0 m/s，二者自然掺混后，氢气流速明显减小，管道上部氢气流速小于1.0 m/s的区域占据管道的2/3，管道底部氢气流速为4.0 m/s的区域占据管道的1/3。氢气到达文丘里喉管处时，流速按2.0~7.0 m/s呈现梯度分布，越接近文丘里管的喉道附近，流速越大。此后氢气沿管道不断发展，管道中心的流速稳定在2.5 m/s左右。由此可知，氢气与甲烷掺混过程中，氢气流速明显减小，文丘里管可以增大氢气流速。

▲ 图 4 氢气流速分布云图

为更清晰观察到天然气掺氢过程中管道内的压力变化，以算例4为例，建立了管道相对于运行压力的压力变化云图（ 图 5 ），图中标签数值为此处等值线对应的相对压力大小。由 图5 可知，氢气、甲烷分别以300 Pa、150 Pa的压力进入管道，并在掺混点处汇合，二者压力均减小，在掺混点附近形成一个较大的压力区域，之后管道相对压力稳定在100 Pa左右。文丘里管附近的压力呈现梯度分布，在喉道处的相对压力最小（-250 Pa）。气体经过文丘里管后，低压区逐步向扩散管段发展 [18] ，之后管道压力整体稳定在0 Pa。

▲ 图 5 管道相对压力分布云图

对比算例4与算例1，考察了T型掺混管道添加了文丘里管后的掺混效果，建立了氢气在采样截面的质量分数分布云图，图中采样截面从左到右依次为1~5。算例4和算例1的氢气质量分数分布云图分别见 图 6 和 图7 。

▲ 图 6 算例4的氢气质量分数分布云图

▲ 图 7 算例1的氢气质量分数分布云图

由 图 6 可知，氢气刚出文丘里管后，在管道中出现明显的分层现象，从管道底部到顶部，氢气质量分数出现明显的梯度分布。文丘里管可增强氢气的湍流效应，使氢气分布更均匀。随着氢气沿管道发展，氢气的分层现象明显减少，到管道出口附近，基本分布均匀，质量分数为0.094。由 图 7 可知，由于没有文丘里管的作用，氢气分层现象比较明显。由于氢气密度比甲烷低，掺混点后氢气主要分布在管道的中上部，随着氢气沿管道的发展，氢气分布区域逐渐向下发展，氢气质量分数逐步减小，在采样截面5（出口截面）处，氢气质量分数基本减小至0.110以下。

以算例4为例，计算了各采样截面对应的掺混均匀度，结果见 图 8 。

▲ 图 8 各采样截面的掺混均匀度

由 图8 可知，当氢气刚出文丘里管时，掺混均匀度较低（89.52%），之后由于氢气的紊流加剧并沿着管道逐步发展，掺混均匀度增大，并逐渐趋于稳定，采样截面5的掺混均匀度为 99.95%。除采样截面1外，其余采样截面的掺混均匀度大于 95.00%，达到了天然气掺混的要求。

通过以上分析可知，在T型掺混管道中添加文丘里管，掺混气体流速在喉管段显著增大，湍流效应增强，从而有效提高了掺混均匀度，可以减轻氢气在管道中的分层现象。

2.1.2 不同管喉比对掺混效果的影响

以算例1~4为例，分析了不同文丘里管结构下不同管喉比对掺混均匀度的影响，结果见 图9 。由 图 9 可知，采样截面1的掺混均匀度有不规律波动，此时氢气刚出文丘里管，没有经过管道的发展，流动非常不稳定。当管喉比小于等于4/5时，采样截面5对应的掺混均匀度均大于 99.00%。当管喉比为1/3时，两个截面的掺混均匀度最大。随着管喉比的减小，文丘里管对氢气和甲烷流速增大的效果更明显，在喉管段形成的真空压力也逐渐增大，同时文丘里管扩散管段的扩散角度增大导致管道内流体湍动能增大 [19] ，增大了掺混均匀度。

▲ 图 9 不同管喉比下采样截面1 (a)和采样截面5 (b)的掺混均匀度

2.2 不同运行工况对掺混效果的影响

2.2.1 掺氢比的影响

以算例4~7为例，分析了掺氢比对掺混均匀度的影响，结果见 图10 。由 图10 可知，采样截面1的掺混均匀度随着掺氢比的增大而增大。当掺氢比分别为5%、10%、12%和15%时，采样截面5对应的掺混均匀度分别为 98.33%、99.95%、99.97%和99.99%，均大于 95.00%。在模拟的设置工况下，最佳掺氢比为 15%，且掺混均匀度满足掺混要求。随着掺氢比的增大，进入管道的氢气流速也随之增大，掺混均匀度增大，但掺氢比需满足标准规定，不能单纯靠增大掺氢比来提高掺混均匀度。

▲ 图 10 不同掺氢比下采样截面1 (a)和采样截面5 (b)的掺混均匀度

2.2.2 甲烷流速的影响

以算例8~10为例，研究了不同甲烷流速对掺混均匀度的影响，结果见 图11 。由 图 11 可知，采样截面1的掺混均匀度随着甲烷流速的增大而逐步增大，采样截面5对应的掺混均匀度均大于 99.00%。这一显著成效主要归因于文丘里管独特的结构设计，其喉道部位能够有效增大甲烷流速，进而诱发更为强烈的管内湍流效应，此效应对于促进质量传递、增大掺混均匀度具有关键作用。

▲ 图 11 不同甲烷流速下采样截面1 (a)和采样截面5 (b)的掺混均匀度

相比之下，传统静态混合器需通过配置不同数量及类型的扰流元件，能达到既定的掺混均匀度要求。而文丘里管则无需安装额外的扰流部件，仅凭其渐变的流道设计，即可增强流体湍流效应。因此，在文丘里管内，流体流动更为流畅，即便在甲烷流速相对较低的情况下，亦能保持高水平的掺混均匀性。这一特性不仅简化了设备结构，还有效降低了掺混过程中的能量消耗。

2.2.3 管道运行压力的影响

以算例11~13为例，分析了管道运行压力对掺混均匀度的影响，结果见 图12 。由 图 12 可知，采样截面1的掺混均匀度随着管道运行压力的增大而减小，采样截面5对应的掺混均匀度均保持在 99.00%左右。当管道运行压力为2 MPa时，采样截面1和采样截面5的掺混均匀度均大于95.00%。掺混均匀度波动较小时，掺混更加顺畅。尽管管道运行压力发生了变化，但出口截面的掺混均匀度并未受到显著影响，证实管道运行压力对掺混均匀度的影响较小。此外，增大运行压力会增大设备的能耗，这是在实际应用中需要权衡考虑的因素。综上所述，虽然管道运行压力对掺混均匀度有一定的影响，但在设计和优化掺氢系统时，仍需综合考虑其对能耗的影响，以实现能效与掺混效果的双重优化。

▲ 图 12 不同运行压力下采样截面1 (a)和采样截面5 (b)的掺混均匀度

3结论

本文利用ANSYS FLUENT 2021软件对施加文丘里管的T型天然气掺氢管道进行了数值模拟，对掺混管道的流场进行了分析，对不同管喉比及不同工况对掺混均匀度的影响进行了模拟，得到如下主要结论。

（1）在T型掺混管道中添加文丘里管后，掺混气体流速在喉管段显著增大，湍流效应增强，从而增大了掺混均匀度，显著减少了氢气在管道中的分层现象。

（2）文丘里管的管喉比对掺混均匀度影响较大，在模拟工况下，当管喉比为1/3时，掺混均匀度达到最大。减小管喉比能够增大扩散段的扩散角度，进而增大管道内流体的湍动能，优化掺混效果。

（3）掺氢比是影响掺混均匀度的重要因素，在模拟工况下，当掺氢比为15%时，掺混效果最好，掺混均匀度最大。虽然掺氢比越大，掺混均匀度越大，但掺氢比需满足标准规定，不能单纯靠增大掺氢比来增大掺混均匀度。

（4）甲烷流速和管道运行压力对掺混均匀度影响有限。文丘里管通过渐变的流道增强流体的湍流效应，与静态掺混器相比，即使在较小的甲烷流速下，也能保持较大的掺混均匀度。管道运行压力越小，掺混均匀度波动越小，掺混过程更顺畅，同时掺混能耗越小。

综上所述，文丘里管以其简单的结构有效增大了掺混均匀度，同时降低了建造成本和掺混过程中的能耗。因此，文丘里管在掺混设备前的预掺混以及掺氢天然气长输管道中具有广阔的应用前景。

DOI：10.12434/j.issn.2097-2547.20240387

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