【摘要】

将氢气掺入现役天然气管道中混输是实现氢气大规模、长距离、低成本储运的有效方法，然而随着氢气的掺入，在氢气-天然气密度差的作用下掺氢天然气会呈现体积分数非均匀分布，造成管道局部氢分压和体积分数升高，进而导致管材失效引起泄漏。为降低掺氢天然气管道的安全风险，采用计算流体动力学方法，建立掺氢天然气混合模型，模拟储气瓶静置、管道停输和管道流动工况的氢气体积分数变化，研究掺氢天然气体积分数分布规律。结果表明:掺氢天然气在储气瓶存储和管道停输等静置过程中，氢气逐渐上浮到顶部，甲烷下沉到底部，出现明显的分层现象，且随着压力、掺氢比增大，温度和管径减小，管道重力方向的氢气体积分数梯度增大;掺氢天然气管道以非常小的流速运行时，氢气随着流动逐渐向管道顶部偏移，出现分层现象，且在低温、高压下更易分层;掺氢天然气管道适宜低压高速运行。

• (1)掺氢天然气存储在储气瓶中时,随着静置氢气体积分数在重力方向出现分层现象。

• (2)掺氢天然气管道停输后,随着静置氢气逐渐上浮到顶部,甲烷下沉到管道底部,出现明显的分层现象,当静置时间达到某一值后,氢气-甲烷体积分数分布趋于稳定,但仍然存在体积分数梯度;且随着压力和掺氢比增大,温度和管径减小,重力方向氢气体积分数梯度越大。

• (3)掺氢天然气管道以非常小的流速运行时, 氢气随着流动逐渐向管道顶部偏移,管道重力方向也会出现分层现象,但相比于停输管道,氢气体积分数梯度特别小;且在低温、高压工况下运行时,更易出现气体体积分数分层。

• (4)掺氢天然气管道适宜低压高速运行,此时安全风险较小。

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