天然气管道掺氢装置及混合特性

摘要：天然气掺氢是实现氢气大规模、长距离运输的重要技术手段，有必要开展基于天然气掺氢技术的混合装置及混合效果研究。为了优选混合装置并探究其混合效果，选用氢气和甲烷两种工质，构建T型管（主管与支管夹角为30°、60°和90°）混合器、单切向混合器及文丘里混合器模型，并基于Fluent对所构建模型进行数值模拟，对不同模型的混合效果进行对比分析。结果表明：在采用控制变量法的情况下，随着速度、掺氢比分别增大，混合效果越差；速度比（甲烷/氢气）对混合性能影响很大，速度比越大，混合效果越好；在已设定的几种条件下，单切向混合器的混合效果最佳，T型管（90°）混合器的混合效果最差。

关键词：天然气掺氢； ANSYS Fluent； 数值模拟； 混合特性

中图分类号：TE 832 """"文献标志码：A

引用格式：杨东海，孙雅倩，田磊，等.天然气管道掺氢装置及混合特性［J］.中国石油大学学报（自然科学版），2025，49（1）：178-184.

YANG Donghai， SUN Yaqian， TIAN Lei， et al. Investigation on hydrogen blending devices and mixing characteristics of" natural gas pipeline［J］. Journal of China University of Petroleum （Edition of Natural Science），2025，49（1）：178-184.

Investigation on hydrogen blending devices and mixing characteristics of" natural gas pipeline

YANG Donghai1， SUN Yaqian1， TIAN Lei2， FANG Kun3， GUO Kai4， LI Mofan1

（1.College of Pipeline and Civil Engineering， China University of Petroleum （East China）， Qingdao 266580， China;

2.Energy Research Institute， Academy of Macroeconomic Research， Beijing 100032， China;

3.China Petroleum Engineering amp; Construction Company Limited， Beijing 100085， China;

4.College of Petroleum and Chemical Engineering， Lanzhou University of Technology， Lanzhou 730050， China）

Abstract：Natural gas-hydrogen blending is a technical means to achieve large-scale and long-distance transportation of hydrogen. It is necessary to investigate the blending device and mixing effect characteristics based on the natural gas hydrogen blending technology. To select the best blending device and investigate its mixing characteristics， two types of work gases， hydrogen and methane， were used in this work. The T-tube （30°，60° and 90°） mixer， the single tangential mixer and Venturi mixer models were constructed， and the numerical simulation of the constructed models was performed based on Fluent. The study shows that with the increase of the velocity and hydrogen blending ratio， the mixing effect will be worse when using the control variable method. The velocity ratio （methane/hydrogen） greatly affects the mixing performance， and the larger the velocity ratio， the better the mixing effect. Under the several conditions that have been set， the single tangential mixer has the best mixing effect， and the T-tube （90°） mixer is the worst.

Keywords： hydrogen blending of natural gas; ANSYS Fluent; numerical simulation; mixing characteristics

收稿日期：2024-03-08

基金项目：国家社科基金重大项目（19ZDA084）;中国经济改革促进与能力加强项目（TCC6-2019-A31）

第一作者及通信作者：杨东海（1984-），男，教授，博士，研究方向为多相分离技术、天然气管道掺氢输送工艺技术。E-mail：yangdonghai@upc.edu.cn。

文章编号：1673-5005（2025）01-0178-07""" doi：10.3969/j.issn.1673-5005.2025.01.019

氢能是替代化石能源实现碳中和的重要选择。碳减排目标下，来源于可再生能源制取的绿氢应用前景广阔，在能源化工、钢铁冶炼、建筑材料、航空运输等方面具有较大需求。中国中西部地区难以完全消纳和利用其拥有的丰富水能、风能、太阳能等资源，导致“弃风弃光”现象［1-2］。若利用此部分资源电解水制氢，不但可缓解中西部地区的“弃风弃光”现象，未来还可作为氢能产业成熟后的重要氢气来源［3］。氢能大规模输运问题已成为当前研究热点，混氢天然气（HCNG）被认为是可能解决的方案之一。该技术将氢气加入到现有天然气管道或管网中，能大幅度降低氢气输送费用，实现氢能安全高效、长距离、低成本输送，这对于推动中国氢能产业发展具有十分重要的意义［4］。天然气掺氢混合可通过3种方式实现：①在天然气管网上游，将生产的氢气与开采出的天然气混合并注入；②在天然气管网上游，直接生产氢气甲烷的混合气并注入；③在天然气管网覆盖地区，基于可再生能源生产氢气并通入天然气管网进行混合［3，5］。这种方法可最大限度地提高能源效率，并整合不同的可再生能源［6］。在终端，氢气与天然气混合输送后可用于天然气内燃机或作为日常燃料直接使用，也可提氢后分别单独使用，这将大幅度提升氢能的使用规模与效率，推动中国氢能产业快速发展［7］。工业生产过程中气体混合方式主要有：扩散、搅拌、射流、撞击流等，其原理都是通过主体扩散、湍流扩散和分子扩散来实现混合的，主要的流体混合器包括撞击射流混合器、管道混合器、文丘里混合器、扩散孔板混合器等［8-9］。袁会勇等［10］对密封容器内混合气体的充入方式进行了试验研究。战永平等［11］设计了一种同心管侧向对流式气液混合器，该混合器结构简单、稳定性好、无气体射流锥，不影响段塞流的模拟；杨俊［12］对文丘里混合器的流场特性进行了计算分析和改进，使得其混合均匀程度有了较大提升。陈俊文等［13］结合工程实际情况开展了天然气掺氢关键参数和关键工艺的研究，结果表明天然气掺氢后混合介质的最小点火能、爆炸下限等降低，泄漏趋势升高，掺氢天然气泄漏后热辐射范围随掺氢比升高而降低；罗子萱等［14］对掺氢天然气在家用燃气具上的燃烧安全性进行了探究；Dieguez等［15］评估了天然气掺氢管道泄漏可能造成的危害。另外，在天然气掺氢影响因素方面，马勤勇等［16］研究了掺氢比为0～100%时燃气轮机的运行特性；Irfan［17］对欧洲P2G项目进行了归纳总结，并指出不同管网设备对掺氢比的接受程度存在差异；Hafsi等［18］对环形管网内的节点周向应力随时间变化的瞬态模型进行了研究，结果表明天然气管道中掺氢比为30%时较为合理；Molnarne等［19］对温度、压力以及掺氢比进行分析研究。对多介质混合器及掺氢比影响研究较多，但对天然气掺氢混合装置及混合效果缺乏研究，而该方面研究对于掺氢工艺选择至关重要。因此笔者构建5种混合器模型，并基于Fluent进行天然气掺氢数值模拟研究，研究不同速度、掺氢比、速度比（甲烷/氢气）的影响，并基于无量纲参数（混合稳定所需长度/甲烷进口管径）对比研究不同情况下的混合效果。

1" 模型构建与数值模拟

1.1" 数学模型

1.1.1" 流体力学控制方程

天然气和氢气在掺混过程及在管道流动中的连续性方程：

ρt+·（ρ

v）=0.（1）

式中，ρ为气体密度，kg/m3；v为气体流速，m/s；t为流动时间，s。

掺混过程及在管道流动中的动量方程：

（ρu）t+ρu·u=-p+·（τ）+ρg+F.（2）

式中，F为除重力外的外部体积力，N/m3；p为静压，Pa；g为重力加速度，m/s2；τ为黏性剪切应力张量，Pa;u为气体流速，m/s。

能量方程：

·［u（ρE+p）］=·［keT+（τe·u）］.（3）

式中，E为能量，J/kg；T为流体温度，K；ke为有效传热系数，W/（m2·K）；τe为有效黏性剪切应力张量，Pa。

1.1.2" 湍流模型

湍流模型采用标准k-ε模型，表示为

（ρk）t+（ρkui）xi=xjμ+μtσkkxj+Gk+Gb-ρε-YM. （4）

（ρε）t+（ρεui）xi=xjμ+μtσεεxj+C1εεk（Gk+C3εGb）-C2ερε2k .（5）

其中

μt=ρCμk2ε" .

式中，k为湍动能，J/kg；ε为湍流动能耗散率，m2/s3；μt为湍流黏度，Pa·s；Gk为随速度变化的湍动能，J/kg；Gb为浮力变化带来的湍动能，J/kg；YM为在可压缩湍流中扩散产生的波动，m2/s3。

其中σk=1.0，σε=1.3， C1ε=1.44，C2ε=1.92，Cμ=0.09。

1.2" 混合器模型

采用了5种混合器，分别是T型管（30°、60°和90°）混合器、单切向混合器以及文丘里混合器，其中T型管中所设角为主管与支管的夹角。

1.2.1" T型管混合器

T型管混合器是一种使两股流体混合均匀的最简单的混合器之一，被广泛应用于过程工业，主要用于废水处理、加入添加剂、液相物料混合以及湍流反应［20-21］。图1为T型管（30°）、T型管（60°）和T型管（90°）混合器。

1.2.2" 单切向混合器

单切向混合器是对现有物料的输送管路进行改造，其中输送管路设有氢气输入口以及用于将氢气与天然气进行掺混的掺混装置，能够保证氢气的输送过程便捷稳定。单切向混合器的工作原理为氢气通过与主管相切的角度进入主管中，并与主管中的天然气进行混合［22］。图2为单切向混合器。

1.2.3" 文丘里混合器

文丘里混合器是一种在工程实践中被广泛使用的气液或液液混合设备。主要是利用L型旁路管体将氢气引入主管体，并由高速喷嘴喷出，最终实现与主管体内天然气的混合。文丘里混合器对管道内壁产生的冲击力较小，不易损坏管道，并且容易与主流的液体或气体进行混合［23］。图3为文丘里混合器。

1.3" 模型网格划分

氢气和甲烷混合仿真时，Fluent的计算精度取决于网格密度。对5种混合器模型进行网格划分时，管体部分采用正四面体网格划分，设置其单元尺寸为5 mm，打开自适应尺寸，在混合器入口表面处设置边界层，边界层总厚度为3 mm，设置3层。图4为T型管（90°）混合器网格划分示意图。

对模型进行网格无关性验证，分别采用3、5和8 mm三种网格进行数值模拟，如表1所示。

由表1可以看出，网格1、2之间出口氢气质量分数的波动量为2.5%，网格2、3之间出口氢气质量分数的波动量为2%。同时考虑若网格太密，则占据的计算资源较大，因此最终采用5 mm的网格进数值模拟。通过计算出口氢气质量分数的波动量，进而排除了网格尺寸对模拟结果的影响，网格无关性也得到了验证。

1.4" 边界条件设置

在Fluent中进行边界条件设置及仿真计算，将环境温度设为298 K，甲烷来流、氢气来流均采用速度入口边界条件（velocity-inlet），流速均分别设置为0.5、1、2 m/s，出口采用自由出流边界条件。重力沿y轴负方向为9.8 m/s2，采用瞬态仿真，壁面函数设置为标准壁面函数，混合器主管路入口气体为纯天然气，掺混管路入口气体为纯氢气。初始化选择混合初始化，从速度入口开始计算，将初始内部工质设为100%天然气。本模拟均在理想气体条件下进行。

2" 氢气与甲烷混合特性

2.1" 天然气掺混氢气的理论分析

氢气的高位热值仅为12.7 MJ/m3，因此随着掺氢比增加，掺氢天然气的高位热值降低，按照GB/T13611-2018《城镇燃气分类和基本特征》［24］规定，天然气管网终端设备的高位热值为

31.97～43.57 MJ/m3，因此天然气掺氢比小于27%较为合理［25］。

确定一个无量纲参数L*=L/D（混合稳定所需长度/甲烷进口管径）来判定不同工况下的混合程度。混合稳定所需长度即混合器横截面上氢气含量几乎不变时对应混合器的位置。混合稳定所需长度越短，对应L*越小，混合效果越好。

2.2" 速度变化对天然气混氢特性影响

对5种混合器中气体速度变化进行数值模拟。根据《煤气规划设计手册》［26］中的相关标准，为了更好地观察其混合效果，速度分别设定为0.5、1和2 m/s。图5为速度0.5 m/s时单切向混合器的速度矢量分布。由图5可以看出，氢气和甲烷混合开始时速度会明显增大，随着混合进行，速度略微降低，最终达到稳定状态。图6为速度0.5 m/s时混合器中气体混合状况变化趋势。由图6可以看出，随着掺混距离增加，混合状态逐渐稳定，最终氢气质量分数趋近于0.2。图7为不同速度下5种混合器的混合效果对比。由图7可以看出，当入口速度较小时，对应的L*也很小，混合效果较好，随着速度增大，L*也随之增大，最终导致混合稳定所需距离增加，混合效果变差。因此，速度为0.5 m/s时效果最好。当速度为0.5 m/s时，T型管（30°）混合器、T型管（60°）混合器、T型管（90°）混合器、单切向混合器、文丘里混合器所对应的L*分别为8.125、10.625、12.5、5.625、6.25。因此，速度0.5 m/s条件下，单切向混合器的混合效果最佳，其次是文丘里混合器，T型管（90°）混合器的混合效果最差。

这是因为单切向混合器中的氢气是以与主管相切的角度进入主管中，并与主管中的甲烷充分混合。而T型管混合器侧管入口角决定了管内流体是否撞击所在管的管壁，从而影响混合区域相对位置。当主管与侧管夹角为30°时，侧管流体进入主管后与主管中流体在主管中心线处混合，并没有与主管管壁发生碰撞；而主管与侧管夹角为60°时，由于侧管中流体会对主管产生一个撞击力，能量损失较大；当主管与侧管夹角为90°时，侧管流体垂直进入主管，对主管壁面的撞击最为强烈［27］。可以看出，改变侧管入口角对主管内部流体混合情况的影响非常明显。就速度变化来说，T型管（30°）、T型管（60°）和T型管（90°）混合器达到完全混合对应的L*分别为8.125、10.625和12.5。文丘里混合器中主流气体与引流气体是垂直方向进行混合的，混合效率慢，旁路管体是呈L型设置的，引流气体是平行方向进入主管体的，不易损坏管道，并且容易与主流气体进行混合，因此文丘里混合器的混合效果优于T型管混合器。

2.3" 掺氢比变化对天然气混氢特性影响

对5种混合器的掺氢比变化进行数值模拟，掺氢比选用10%、20%、30%。图8为掺氢比为10%时文丘里混合器氢气质量分数云图。由图8可以看出，氢气由L型旁路管体喷出，然后与主管体中的甲烷进行混合。图9为掺氢比10%时T型管（30°）混合器流线。由图9可以看出氢气和甲烷在混合过程中速度变化趋势，混合开始时，混合速度明显增大。

2.4" 速度比变化对天然气混氢特性影响

对5种混合器的速度比（甲烷/氢气）变化进行数值模拟，速度比选用1∶1、1∶2、1∶3、1∶4。图11为速度比为1∶1时T型管（90°）混合器氢气体积分数云图。由图11可以看出，随着掺混距离增大，混合逐渐均匀；由于氢气密度小于甲烷，因此氢气分布在上层。

3" 结" 论

（1）在速度比相同、掺氢比一定的情况下，随着甲烷来流与氢气来流速度同等程度增大，天然气掺氢混合均匀的位置也随之加长。

（2）速度比对混合性能影响很大，速度比越大，混合效果越好。

（3）T型管混合器侧管入口角会影响混合区域相对位置，T型管（30°）混合器相较于T型管（60°）和T型管（90°）混合器，其达到完全混合所需的距离更短，混合效果也更好。

（4）对比T型管（30°）、T型管（60°）、T型管（90°）混合器、单切向混合器及文丘里混合器的混合状况，单切向混合器的混合效果最优，T型管（90°）混合器的混合效果最差。

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（编辑" 沈玉英）