天然气管道中混入氢气后对标准孔板流量计测量准确度的影响

氢能是一种绿色、低污染、可再生的燃料，被认为是最有前途的化石燃料替代品之一。目前，利用可再生能源电解制氢，然后将氢气按照一定比例掺入天然气管道中进行输送是利用和运输氢能的有效途径。如某项目掺入天然气管网中的氢气摩尔分数高达25％；某项目掺入天然气管网中的氢气摩尔分数达到20％。而掺氢天然气计量技术是掺氢天然气产规模化和市场化的重要基础。

标准孔板流量计由于其设计简单、成本低、可靠性高，仍然是石油与天然气行业中使用最广泛的流量计。标准孔板流量计以能量守恒定律和流动连续性方程为基础，通过测量孔板前后产生的静压力差来衡量天然气流过节流装置的流量大小。工况条件下的体积流量一般用流量计测量，然后换算成基本（标准）条件下的体积作为天然气贸易交接过程中的流量。

由于氢气和甲烷物性差异巨大，在标况下其密度相差8倍以上，而密度是影响标准孔板流量计结果的重要因素。当天然气中掺混氢气后，会导致其密度、黏度、比热容参数改变，进而影响标准孔板流量计计量准确度。Dong等利用Fluent分析不同倾角孔板在测量天然气流量时对测量准确度的影响；Jin等利用Fluent分析得到在测量液氢时不同孔板结构对流出系数和压力损失系数的影响；李思达通过数值模拟技术得到在测量天然气流量时，流体相对密度变化值对测量值有较大的影响。

尽管前人已经做了很多研究，但目前对影响测量准确度的研究主要集中在孔板结构的变化上，这将会增加流量计结构的复杂性，而且在实际的天然气管道中不易使用。此外，所研究的结论主要是对流出系数、差压等的影响，关于其他计量所需参数，如可膨胀系数、超压缩系数、相对密度系数的影响很少被研究。研究的介质主要是天然气或者液氢，关于混氢天然气的情况很少被研究。因此，本研究主要分析天然气管道中混入氢气后对标准孔板流量计测量准确度的影响。

采用数值模拟的方法，研究了标准孔板流量计应用于混氢天然气时的计量准确度。研究了混氢量对差压、流速、流出系数、相对密度系数、可膨胀系数和超压缩系数的影响，可得到以下结论。

（１）在压力一定的情况下，混氢量的增加会导致体积流量测量的流量值增大。由于氢气的发热量小于甲烷，若采用体积计量进行贸易交接会对买方不利。因此，针对混氢天然气，建议采用能量计量进行贸易交接。

（２）在压力一定的情况下，混氢量的增加会导致差压上升，导致相对密度系数、可膨胀系数和超压缩系数下降，而流出系数几乎不受氢气含量变化的影响。

（３）将氢气掺入天然气管网，在氢气摩尔分数小于30％的情况下，氢含量的变化不会对标准孔板流量计准确度产生明显的影响。

审核编辑 黄昊宇