基于计算流体动力学（CFD）的氨运输长距离管道热液压特性分析

《International Journal of Hydrogen Energy》：CFD-driven thermo-hydraulic characterization of long-distance pipelines for ammonia transportation

氨运输管道的CFD流动分析及关键参数研究。通过计算流体力学模拟四种管道配置（SSP、DSP、SBP、DBP）中液态和气态氨的流动特性，验证压力降和温度变化的预测精度，并识别影响显著的因素。

　　

金吉灿（Gichan Kim）| 金秀珍（Soojin Kim）| 权辉荣（Hweeung Kwon）

韩国阿山市新昌面顺天乡路22号顺天乡大学纳米化学工程系，邮编31538

摘要

氨（NH₃）是一种具有多种优势的氢储存载体，通过管道进行的长距离运输能够带来显著的经济效益。对管道的流动分析对于确保安全、防止氨的毒性危害至关重要。

本研究对四种管道配置（单直管（SSP）、双直管（DSP）、单弯管（SBP）和双弯管（DBP）进行了全面的内流分析，以保障氨运输管道的安全性。液态氨（流速：38 kg/s）在SSP和DSP中的压降分别为2.000 × 10^?2巴和4.203 × 10^?2巴，与理论结果的相对误差分别为0.04%和0.07%。液态氨的速度几乎保持不变，温度变化约为0.00763 K。此外，还对不同管道配置下的气态氨进行了额外的流动分析。通过敏感性分析，确定了影响压降、速度和温度变化的主要因素。

引言

由于工业化导致温室气体排放迅速增加，全球变暖问题日益严重。过去十年间，全球平均表面温度比1850至1900年间上升了约1.1°C [1]。为应对气候变化，政府间气候变化专门委员会建议到2050年实现二氧化碳净零排放，以将地球平均温度上升幅度限制在1.5°C以内 [2]。此外，由于大多数发电厂仍使用化石燃料，迫切需要向清洁能源转型 [3]。因此，世界各国都在努力减少温室气体排放。然而，清洁能源资源在全球分布不均，这要求高效能源运输来满足不同国家的能源需求 [4]。开发能源载体对于在能源供应国和需求国之间实现能源平衡、降低不确定性及不平等现象至关重要 [5]。

氨（NH₃）作为一种最有前景的替代能源，正受到全球关注 [6],[7],[8],[9]。与氢（一种典型的清洁能源）相比，氨具有能量密度高、氢含量高（17.6%）以及更易于储存和运输等优点 [10]。由于其合适的分子结构，氨也可以有效用作氢能源载体 [11,12]。通常，使用可再生能源生产的氨被称为“绿色氨”，通常在海外生产后通过大型船舶运输 [13]。

液态氨（LNH₃）从接收终端输送到最终用户的一般方法包括罐车运输和管道运输。在长距离LNH₃运输中，管道相比其他方法具有显著优势 [14,15]。Yang和Ogden的研究表明，无论距离多远，使用管道运输氨的成本都明显低于其他运输方式 [16]。此外，通过陆上管道运输氨已被证明是安全的。因此，管道长期以来一直被用作大规模流体运输的安全手段。然而，管道事故仍时有发生，可能导致严重的后果，如经济损失、泄漏和爆炸 [17,18]。尽管氨的爆炸风险低于氢，但其储存和运输过程中的意外泄漏可能因其毒性而造成致命后果 [19]。此外，大规模氨管道的检测和维护延迟也可能引发严重事故。因此，制定管道操作的安全规程至关重要 [20]。Carnahan等人通过管道压力测试识别泄漏点，从而降低了直接埋设系统的运行成本 [21]。Al-Khomairi采用基于计算机的实时技术，通过确定性试错方法检测和定位管道泄漏 [22]。Xu等人提出了一种适用于检测管道（如油管）中小泄漏的技术，使用内部球形探测器 [23]。

在这一领域，大多数研究人员开发了用于评估流体行为和污染物扩散的模型。一个代表性的模型是基于纳维-斯托克斯方程的数值模型，通过计算流体动力学（CFD）实现 [24]。尽管拉格朗日粒子模型和欧拉网格模型能够提供可靠的模拟结果，但它们需要较高的计算成本来分析流体湍流机制 [25,26]。Lu基于CFD开发了管道气体泄漏模型，并分析了影响气体浓度的主要因素 [27]。Li等人在不同压力和天气条件下进行了CFD建模和模拟，以评估氨管道泄漏情况。结果表明，氨的毒性和易燃性可能导致潜在危险区域扩展至1公里范围 [28]。Sun使用流体流动数学模型评估了管道泄漏损失 [29]，Wu等人基于偏微分方程进行了数值模拟，考虑了泄漏位置和释放情况 [30]。Zhang等人利用雷诺平均技术在管道中建立了湍流模型，该技术广泛应用于工程领域 [31]。

先前的研究解决了与氨相关的技术挑战，并为其清洁合成及低成本储存和运输奠定了基础 [32]。此外，关于氨管道的研究主要集中在小直径管道和氨制冷循环上。Gao等人通过实验和相关性分析研究了水平小直径管道中氨的两相压降 [33]。Muzaffar等人也研究了小直径管道和氨制冷循环的配置 [34]。他们还研究了管道中的泄漏、扩散和有毒物质的爆炸问题。分析有毒物质（如氨）的泄漏和扩散对于减少事故后的损害至关重要。然而，为了预防事故，必须分析氨在管道中的行为，并确定未来的能源转型和氨供应所需的操作条件。因此，本研究关注大规模氨管道，考虑了长距离运输的管道配置，分析了从接收终端到最终用户输送过程中气态氨（GNH₃）和液态氨（LNH₃）的压降、温度变化和速度分布。流动分析使用了CFD技术对单管和双管进行了研究。此外，还分析了带有弯头的管道，以考虑地下和地上管道施工过程中的障碍物规避问题。通过数值分析获得的压降和温度变化结果与理论计算值进行了验证。同时，确定了影响管道压降和温度变化的主要参数，并分析了它们之间的相关性。

氨运输

氨从生产地点或接收终端输送到最终用户，如硝酸厂、尿素厂、化工设施和联合发电厂。通常，通过管道运输大量液态氨比通过卡车或铁路运输更具经济效益。管道既用于输送气态氨（GNH₃），也用于输送液态氨（LNH₃），并包含多个压缩机或泵站来长距离输送氨，这些设施统称为增压站

氨管道的最佳材料选择

由铜或铜合金钢制成的氨管道在运行过程中可能会发生腐蚀。此外，在接近-33°C的温度下运行时，这些管道容易发生脆性断裂，因为该温度低于材料的脆性转变温度。因此，氨管道通常采用碳钢或不锈钢制造，以确保足够的耐腐蚀性和机械强度 [37]。在常温下运行的氨管道

结果与讨论

本研究利用基于基本流体动力学原理的CFD技术分析了管道中的氨流动情况。计算了雷诺数（Re）以确定流动状态，并计算了压降以估算管道沿线的能量损失。此外，还获得了管道内的温度和速度分布，以分析内部流动特性。研究的管道配置包括单直管（SSP）、双直管（DSP）和单弯管（SBP）

对流热传递系数

进行了敏感性分析，以评估自然对流热传递系数对温度升高的影响。表9展示了敏感性分析的结果。当自然对流热传递系数从5 W/m²·K增加到20 W/m²·K时，最大温度变化保持在7.75ⅹ10^?3 K以下

结论

本研究利用CFD进行了内流分析，以确定氨通过管道长距离运输的操作条件。研究了四种管道配置（SSP、DSP、SBP和DBP），并分析了不同流速下氨（LNH₃和GNH₃的压降、温度和速度变化

CRediT作者贡献声明

金吉灿（Gichan Kim）：撰写初稿、软件开发、方法论制定、概念构思。金秀珍（Soojin Kim）：数据可视化、形式化分析。权辉荣（Hweeung Kwon）：审稿与编辑、验证。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了顺天乡大学（Soonchunhyang University）、韩国能源技术评估与规划研究所（KETEP）以及韩国气候、能源与环境部（MCEE）的支持（项目编号：RS-2024-00428270）。