掺氢天然气管路结构对超声波流量计适应性计算流体力学仿真研究

氢气是实现降低温室气体排放的潜在能源载体。氢气输送是阻碍氢能大规模应用的薄弱环节。而掺氢天然气管路是实现氢气大规模、长距离、低成本输送的高效途径。但氢气掺入天然气会导致流速,压力等参数发生变化,影响超声波流量计的性能。因此,研究氢气和天然气的掺混过程及超声波流量计的适应性是很有必要的。本文构建T型管、单螺旋管、单螺旋+前收缩管掺混管路的三维模型,使用CFD方法分析管路结构和掺氢比对流场氢气浓度和混合气体速度分布规律的影响。通过比较,5%掺氢体积比时C型掺混管路为最佳模型,掺混均匀时的氢气摩尔分数约为4.92%;并分析超声波流量计的适应性,进而推荐具体安装位置。此研究内容为超声波流量计在掺氢天然气精确计量方面提供了参考。     

室内受限空间中掺氢天然气爆炸模拟

将氢气掺入天然气中形成掺氢天然气,并利用现有天然气管道或管网进行输送被认为是大规模输氢的有效方式。由于氢气的最小点火能量远低于天然气、最低爆炸极限小于天然气,因此掺氢天然气泄漏后更容易发生爆炸事故,造成严重事故后果。采用FLACS软件研究了室内受限空间中的掺氢天然气爆炸事故,分析了掺氢比、打火点位置、计算区域是否开放和燃烧程度4种因素对掺氢天然气爆炸事故特征和演化规律的影响。结果表明：掺氢比越大,掺氢天然气爆炸发生时间越早;距离打火点越近的位置在爆炸过程中温度和超压越先开始变化;受限空间掺氢天然气爆炸的威力远大于开放空间掺氢天然气爆炸;燃烧当量比越高,爆炸威力越强。     

掺氢对天然气燃烧室燃烧及排放特性影响

天然气混合氢气燃烧可有效降低含碳物质的排放。但掺混氢气会改变燃料性质,进而影响燃烧进程,故有必要对掺氢燃烧进行深入研究。本文主要研究了以混氢天然气为燃料的燃气轮机的燃烧特性和排放特性,采用数值模拟的方法研究不同的掺氢比（H2体积含量0~100%一共6种工况）对GE-10实验型燃气轮机燃烧室燃烧过程的影响。研究结果表明,随着掺氢比的增加,火焰温度上升,燃烧反应区前移。在低掺混比下火焰筒出口处的温度分布随掺氢比增大趋向均匀,当掺氢比超过0.6时,出口处温度分布均匀性大幅下降。此外,混合燃料中氢气成分的增加会导致局部释热量提高,进而导致NOx排放增加,当掺氢比超过0.8时NOx排放量增加的幅度变大。同时,随着掺氢比的提高CO和CO2的排放量显著减少,H2O的生成量显著增加。研究结果将为后续混氢燃烧技术在工业燃气轮机上的应用提供理论指导。     

掺氢天然气管道的分层现象

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。     

掺氢对二甲醚预混层流燃烧特性的影响

利用定容燃烧弹试验和化学反应动力学数值模拟相结合的方法,研究了不同氢气掺混比下的二甲醚-氢气-空气预混层流火焰特性,分析了氢气掺混量(掺氢比)对二甲醚预混层流燃烧速度、绝热火焰温度以及火焰中主要活化自由基的影响。试验结果显示:随掺氢比的增大,混合气体的层流燃烧速度、绝热火焰温度逐渐增大,且在掺氢比小于80%时增大幅度较小,在掺氢比大于80%时,增大幅度较大;掺氢比较小时,混合燃料燃烧初期,火焰中会有一定量的氢气生成,说明混合燃料燃烧过程中,二甲醚会被优先氧化分解,在掺氢比较小的混合燃料燃烧过程中二甲醚的氧化分解占主导地位;随掺氢比的增大,火焰中自由基的浓度逐渐增大,大掺氢比时H自由基浓度增大幅度更为明显,H自由基浓度随掺氢比增大的剧增导致层流燃烧速度的剧增。     

直喷发动机燃用天然气掺氢混合燃料的性能与排放

对缸内直喷火花点火发动机燃用天然气氢气混合燃料时的性能与排放进行了试验研究．研究结果表明：在喷射脉宽一定的条件下，当天然气掺氢比例小时，平均有效压力和热效率有所下降，当掺氢比例达到一定值（即氢的体积分数为5％～10％）后，平均有效压力和热效率增加，此现象在稀混合气条件下更加明显，表明天然气掺氢对稀混合气燃烧过程的改善有显著作用；发动机HC和CO2的排放浓度随天然气中掺氢比例的增加而下降，原因是掺氢增加了混合燃料中氢碳的量的比值和混合气过量空气系数；在稀混合气条件下，发动机的NQ的排放浓度随掺氢比的增加而有所降低，CO的排放浓度基本上不随掺氢量的改变而改变。     

混氢天然气输氢技术研究进展

混氢天然气输氢技术是近年发达国家提出的氢气输送新方案.该技术利用现有的天然气管道设施,避免庞大的输氢管网建设投资,可望解决氢气规模化运输的难题.本文对混氢天然气技术的概念及其特点和关键技术问题进行介绍,并对相关技术包括氢气制备、管道改造、氢气分离、混氢天然气的使用进行综述.最后,对混氢天然气输氢的前景进行展望,并总结混...     

天然气/氢气/空气自燃着火过程的动力学特性

在定压条件下,基于GRI-Mesh 3.0机理(包含53种组分和325个基元反应),采用化学反应动力学模型,研究了在不同初始温度、压力和化学当量比等条件下,氢气掺混比例对天然气/氢气混合气体的自燃着火特性的影响。在仿真分析中,主要着眼于混合气体温度的变化,各主要组分浓度的变化,着火迟延时间的变化,以及火焰传播速度的变化等。研究结果表明:不同初始条件下,随着天然气掺氢比例的增加,混合气体的着火延迟时间明显缩短,火焰传播速度大幅提高,而对火焰温度影响较小。     

掺氢对天然气燃烧室燃烧及排放特性影响数值模拟研究

本文针对以天然气为燃料的燃气轮机使用掺氢燃料后的燃烧及其排放特性开展研究,基于DLN1.0燃烧室火焰筒,采用数值模拟的方法研究不同的掺氢比(H2体积含量0~30%一共7种工况)在恒定热功率和相同当量比条件下对天然气混合气燃烧过程的影响,获得火焰筒内流场、温度场和燃烧产物的分布参数以及对应关系。研究显示,随着掺氢比的增加火焰温度上升,燃烧反应区扩大,火焰筒出口处的温度分布均匀性变差;掺氢造成局部释热量的改变,会导致NOx的排放随着掺氢比的增加而呈现增加趋势;CO和CO2的排放量都有显著的减少,H2O的生成量显著增加。同时本文提出稀释燃烧的方法来解决由掺氢造成的一系列问题,研究不同当量比的工况下掺氢燃烧后的燃烧及排放特性变化,并计算得到各个掺氢比工况下最佳的当量比范围。研究结果为后续工业燃气轮机天然气掺氢燃烧技术的应用提供了理论指导。     

二甲醚-氢气-空气混合气预混燃烧的实验研究

在定容燃烧弹中,研究了不同燃空当量比、掺氢比和初始压力下的二甲醚-氢气-空气预混合气的一系列层流燃烧特性参数,并且系统地分析了当量比、掺氢比和初始压力对燃烧的影响.结果表明:随着掺氢比的增大,火焰传播速率、层流燃烧速率、燃烧压力升高率和质量燃烧速率都明显增大,火焰发展期和燃烧持续期则随之缩短;当掺氢比较低时,随着当量比的升高,马克斯坦长度不断递减,即稀混合气的燃烧稳定性更高;当掺氢比较高时,随着当量比的升高,马克斯坦长度不断递增,即浓混合气的燃烧稳定性更高;最高燃烧压力随着初始压力的升高而升高,受掺氢比的影响相对较小.     

HCNG发动机性能分析

介绍了HCNG(氢气-天然气混合燃料)的性能试验结果分析.采用缸外预混合天然气/氢气,研究发动机转速、进气管绝对压力、掺氢体积比、点火提前角对发动机性能的影响.结果表明适量掺氢可增大发动机最大有效功率;增大掺氢比可降低HC排放平均值;增大进气管绝对压力会增大HC排放平均值;CO排放受点火提前角、进气管绝对压力和燃料成分的影响;增大点火提前角和进气管绝对压力使各个掺氢比的NOx 排放有增大的趋势.     

混氢天然气物性规律及管道水合物生成模拟分析

氢能是一种绿色低碳的二次能源,在天然气管道中掺入氢气进行大规模运输是当前研究的热门领域。但氢气与天然气混合后因其物性参数的改变,使管道产生堵塞、氢脆、泄漏、聚积、燃烧和爆炸等问题。基于此,利用Aspen HYSYS软件,选取代表性数据,运用理论研究、数据模拟和数据分析等方法,针对不同混氢比下天然气与氢气混合后的物性变化规律和管道水合物生成情况进行模拟分析。结果表明：随着混氢比增大,混合气体温度先降低再升高,在混氢比为36%时达到最低温度;混合后气体质量密度和比热容比与混氢比呈负相关;质量焓、质量熵、质量基准热值、Z因子、热导率、运动黏度均与混氢比成正相关;随着混氢比增大,水合物生成温度降低,压力升高。可见在天然气管道中适当混入少量氢气可抑制水合物的生成;混氢天然气物性参数变化规律为探究适合不同条件下的最优混氢比、保证管道输送及使用的安全性提供了数据基础。     

H2/RP-3航空煤油混合燃料着火特性研究

实现碳氢燃料的快速点火与稳定燃烧是超燃冲压发动机研制过程中必须解决的关键问题。在航空煤油中添加乙醇燃料,利用乙醇热分解得到氢气等可燃小分子气体来改善燃烧过程是达到促进航空煤油着火与燃烧稳定的有效手段。选取正癸烷、甲苯、丙基环己烷三组份混合燃料作为RP-3航空煤油的模拟替代燃料,构建了其燃烧反应机理;并对该机理进行了验证。为揭示氢气对RP-3航空煤油着火特性的影响,构建了RP-3航空煤油/氢气混合燃料的燃烧反应机理;并对该机理进行了验证。同时,采用该燃烧反应机理分析了多工况下掺氢比对RP-3航空煤油着火特性的影响。结果表明,采用正癸烷、甲苯、丙基环己烷三组份混合燃料的燃烧反应机理计算得到的着火延迟时间与相应工况下RP-3航空煤油着火延迟时间的试验数据吻合良好;多工况下氢气添加能够提升RP-3航空煤油/氢气混合气活性,缩短着火延迟时间,促进燃料着火;同时,随着混合气中掺氢比的升高,混合气的着火延迟时间逐渐缩短。     

天然气水合物开采管道水力提升数值仿真分析

针对天然气水合物深海开采系统中管道的水力输送过程分析以及参数选择等问题,提出此系统的垂直提升硬管中管径、浆体流速、矿物密度、颗粒粒径和体积分数各参数及其范围,列出14种方案并以上述参数为依据划分为4组,基于FLUENT软件中的Eulerian模型,采用SIMPLE算法和标准k-ε湍流模型对上述方案进行数值仿真和分析。研究结果表明:颗粒在垂直管道入口附近处体积分数高,往出口方向体积分数降低,且颗粒向中心聚集;浆体流速为中心区域大,略大于浆体进口流速,管壁附近小,接近于0 m/s;由压力损失、阻力损失与效率的关系,结合仿真数据分析得到的最优方案是管径为300 mm、浆体流速为1.65 m/s、矿物密度为1 190 kg/m~3、颗粒粒径为10 mm、体积分数为25%;在一定范围内,管径大、流速低、矿物密度小、颗粒粒径小、体积分数高对于天然气水合物管道水力提升有利,矿物密度对输送系统影响最大、颗粒粒径对输送系统影响最小,对工况的选取提供理论依据。     

直喷发动机燃用天然气掺氢混合燃料的燃烧特性

开展了缸内直喷火花点火发动机燃用天然气掺氢混合燃料燃烧特性和放热过程的试验研究．研究结果表明：在给定喷射脉宽条件下，天然气掺氢比小时，燃烧放热率低，当氢气的体积分数达到10％～18％后，对提高混合燃料发动机燃烧速率有明显效果；火焰发展期、快速燃烧期、燃烧持续期和放热率曲线型心位置对应的曲轴转角随掺氢比增加呈先增加后减小趋势，当氢气的体积分数达到18％时可以缩短火焰发展期、快速燃烧期和燃烧持续期，放热率曲线型心位置对应的曲轴转角靠近上止点；缸内最高燃烧压力、最高燃气平均温度、最大压力升高率和最高放热率随掺氢比的增加呈先减小后增加趋势；天然气掺氢燃烧特性在低转速时比在高转速时受掺氢比的影响大．     

掺氢对燃气轮机燃烧室燃烧和排放性能的影响研究

为了研究以天然气为燃料的干式低排放（DLE）贫预混（LP）燃烧室改用氢燃料时的性能变化和掺氢极限,满足低碳排放燃机安全可靠运行的要求,以某F级发电用重型燃气轮机燃烧室为研究对象,数值研究了天然气/氢气混合燃料不同掺氢比（H₂体积分数0～100%共6种工况）对燃烧室燃烧和排放性能的影响,分析了燃烧室可能出现的问题。研究表明,燃用天然气的LP燃烧室在改用氢燃料时,存在着回火的巨大风险,在掺氢比达40%时回火导致的燃烧器喷口高温区域明显,在更高的掺氢比下存在烧毁的可能,且高氢条件下回火发生且向上游传播,为机组运行带来巨大的安全问题。中心以扩散方式工作的值班燃烧器不存在回火风险。产物中CO和CO₂的含量随掺氢比的增加而降低,H₂O含量增加;NO_x的排放量随氢含量的增加呈现增加的趋势,但增幅并不显著。     

微型动力装置内掺氢甲烷燃烧特性

针对微型动力装置存在的燃烧不稳定问题,研究了甲烷掺氢在圆柱型微燃烧室内的燃烧特性。确定了甲烷掺氢燃烧的空间气相化学反应机理,建立了自由活塞动力装置三维立体模型。在试验基础上,基于Fluent软件,数值模拟了甲烷掺混氢气和空气的燃烧过程,研究了掺氢比对微压燃着火界限、着火时刻、着火燃烧过程以及临界压燃初动能等的影响,分析了不同掺氢比条件下混合燃料的燃烧特性。研究结果表明:当物质的量比为0. 5时,掺入氢气可拓宽压燃气体着火界限,提高着火燃烧可靠性,使着火时刻提前。因氢气热值远低于甲烷热值,随掺氢比增大,活塞做功能力减小。当掺氢比为10%～20%时,装置具有稳定的燃烧性能和高做功能力。     

微型动力装置内掺氢甲烷燃烧特性

针对微型动力装置存在的燃烧不稳定问题,研究了甲烷掺氢在圆柱型微燃烧室内的燃烧特性。确定了甲烷掺氢燃烧的空间气相化学反应机理,建立了自由活塞动力装置三维立体模型。在试验基础上,基于Fluent软件,数值模拟了甲烷掺混氢气和空气的燃烧过程,研究了掺氢比对微压燃着火界限、着火时刻、着火燃烧过程以及临界压燃初动能等的影响,分析了不同掺氢比条件下混合燃料的燃烧特性。研究结果表明:当物质的量比为0.5时,掺入氢气可拓宽压燃气体着火界限,提高着火燃烧可靠性,使着火时刻提前。因氢气热值远低于甲烷热值,随掺氢比增大,活塞做功能力减小。当掺氢比为10%~20%时,装置具有稳定的燃烧性能和高做功能力。     

微型动力装置内掺氢甲烷燃烧特性

针对微型动力装置存在的燃烧不稳定问题,研究了甲烷掺氢在圆柱型微燃烧室内的燃烧特性。确定了甲烷掺氢燃烧的空间气相化学反应机理,建立了自由活塞动力装置三维立体模型。在试验基础上,基于Fluent软件,数值模拟了甲烷掺混氢气和空气的燃烧过程,研究了掺氢比对微压燃着火界限、着火时刻、着火燃烧过程以及临界压燃初动能等的影响,分析了不同掺氢比条件下混合燃料的燃烧特性。研究结果表明:当物质的量比为0.5时,掺入氢气可拓宽压燃气体着火界限,提高着火燃烧可靠性,使着火时刻提前。因氢气热值远低于甲烷热值,随掺氢比增大,活塞做功能力减小。当掺氢比为10%~20%时,装置具有稳定的燃烧性能和高做功能力。     

基于FLUENT的含硫天然气泄漏数值模拟研究

为了研究天然气输送管道发生泄漏后气体的扩散规律,以长庆油田第五采气厂输送管道为研究对象,利用FLUENT软件进行数值计算。根据现场的实际情况,建立了数值模拟的物理模型,设置合理的边界条件,得到了不同风速下天然气扩散规律。结果表明:在静风条件下,气体的浓度和速度分布基本上呈对称分布。在风力的作用下,气体的浓度场向下风向发生了明显的偏斜,当风速为3 m/s时,喷射气流大约在泄漏口上方50 m处发生偏斜,当风速为5 m/s时,喷射气流大约在泄漏口上方35 m处发生偏斜,当风速为10 m/s时,喷射气流大约在泄漏口上方15 m处发生偏斜,而且随着风速的增大,射流偏离竖直方向角度也增大。同时风速越大,硫化氢对人体有危害的面积越小。