不同预处理装置对氢气混燃天然气超声波流量计测量性能影响的实验与数值研究

《Flow Measurement and Instrumentation》：Experimental and Numerical Investigation on the Measurement Performance of an Ultrasonic Flowmeter with Different Conditioners for Hydrogen-Blended Natural Gas

　　• 对氢气混合天然气在严重非理想安装条件（U5D3，5D上游直管）下的超声波流量计性能进行了实验和数值研究。• 多孔调节器的性能优于风扇叶片-蜂窝组合调节器：在流速均匀性指数上分别提高了3.14%（单一90°弯头）和3.67%（不规则双弯头），并且在最大流量（Q=160m3/h）时的压力损失仅为10.62%——这适用于工业应用。• 在未调节流况下，氢气混合会降低雷诺数并减弱湍流混合，导致流速均匀性指数逐渐下降。• 然而，多孔调节器使流速分布接近1/7幂律形状，使得流量计对中等雷诺数变化不敏感——即使在20%的氢气混合比例下，其指示误差也保持在纯天然气的1%以内。

引言
全球能源向碳中和的转型加速了氢能产业的快速发展，存储和运输技术方面的突破成为关键推动力。将氢气混合到现有的天然气管道中被认为是实现大规模氢气传输的一种成本效益高且可行的解决方案，并已在民用天然气供应和工业燃料系统中得到广泛应用[1]，[2]。准确的流量测量对于氢气混合天然气（HBNG）管道的安全运行、能源交易和计量管理至关重要。与其他常用的流量计（如孔板、涡轮和涡流式流量计）相比，超声波流量计因其测量范围广、无运动部件、压力损失低以及易于维护而成为天然气测量的首选商业仪器[3]，[4]。先前的研究表明，超声波流量计在测量HBNG方面表现良好，并能适应各种复杂的操作条件。Ficco等人[5]使用几种国内气体流量计（包括热式、膜式和超声波式）进行了指示误差实验，结果表明当氢气比例为23%时，超声波流量计的准确性最高，仅在最小流量下误差超过1%。Dell’Isola等人[6]研究了含10%氢气体积分数的家用超声波流量计的测量准确性，发现实验过程中流量计性能没有显著下降。尽管这些研究表明超声波流量计在氢气混合比例一定范围内具有高准确性且不受其影响，但研究范围仅限于住宅应用。住宅环境中的安装条件与商业环境中的安装条件有很大不同，后者往往因空间限制而使直管长度受限，并引入复杂的上游扰动——这种差异可能会显著影响测量准确性。传统的物理实验面临高成本和难以再现条件的挑战。因此，基于计算流体动力学（CFD）的数值方法为预测超声波流量计及其安装管道中HBNG的流体流动提供了有效的替代方案[7]，[8]，[9]，[10]。Li等人[11]利用CFD模拟了含水蒸气的HBNG在Laval喷嘴中的凝结行为，证明CFD能够准确捕捉不同氢气混合比例和操作条件下的复杂流场演变和相变动态，表明CFD是分析管道系统中HBNG流场分布的可靠工具。Wang等人[12]使用CFD研究了变直径管道和法兰直径差异对内部流场的影响，并通过实际流动实验验证了模拟结果。他们发现，各种扰动配置对指示误差的影响随入口流速的增加而增大。Feng[13]研究了单通道超声波流量计在上游双弯头条件下的测量性能，指出当流体通过弯头时容易产生二次流和涡流，从而导致声学路径上的速度分布不对称，从而影响测量准确性。Chen等人[14]模拟了不同雷诺数下氢气通过单右弯头和孔板的流动，并推荐了超声波流量计的最佳安装位置。除了用于流场分析的CFD方法外，流量调节器在提高测量准确性方面的作用也越来越受到关注。Li等人[15]提出了一种基于10:1纵横比矩形流体通道的新型流量调节器，结果显示该调节器可将指示误差减少多达6%，并使重复性误差降低0.15%，但他们没有考虑非理想安装条件或氢气混合比例对调节器性能的影响。对非理想流动条件的量化表征对于建立诊断标准至关重要。Zhang等人[16]使用ANSYS Fluent研究了单90°弯头和双90°弯头下游HBNG的速度分布，结果表明，在单90°弯头后，即使是在下游44D和50D截面处，当氢气混合比例（摩尔分数）为10-30%时，气体速度仍未恢复到对称分布。Jia等人[17]使用CFD分析了管道配置（T型接头和单螺旋混合器）和氢气混合比例对速度分布的影响，强调了混合器设计对于实现均匀混合的重要性。He等人[3]数值研究了氢气混合对超声波流量计指示误差的影响，表明误差随氢气含量增加而增加，但在氢气混合比例达到20%时仍保持在可接受范围内。需要注意的是，超声波信号在流量计中的传播速度取决于气体成分、温度和压力，而不仅仅是氢气混合比例。此外，Bloj等人[18]的综述总结了全球氢气混合项目，并强调了在非理想流动条件下需要准确的计量解决方案的紧迫性。然而，以往的研究通常一次只考虑一个变量，如管道直径、通道结构和数量、湍流元素或氢气混合比例。例如，上游弯头[13]、[14]和氢气混合比例[3]的影响已分别进行研究，但它们共同的影响——特别是在存在流量调节器的情况下——受到的关注有限。此外，据我们所知，对于上游扰动类型[19]、[20]、流量调节器设计以及空间受限安装条件（例如U5D3，其中上游直管长度仅为直径的五倍，下游长度为直径的三倍）下的气体成分之间的耦合效应也缺乏关注，这些情况在工厂和超市等商业应用中很常见[21]。关键的是，这三个因素（扰动、流量调节器和氢气混合比例）之间的相互作用机制及其对指示误差的综合贡献仍很大程度上未被探索。因此，迫切需要系统地研究这些耦合因素，以确保在实际紧凑安装中的计量准确性。本文通过数值模拟和实验相结合的方法，对配备流量调节器的商用双通道超声波流量计进行了研究。本研究有三个主要目标：(1) 量化流量调节器类型、氢气混合比例和上游扰动配置对流场均匀性指数的单独和耦合影响；(2) 描述非理想U5D3条件下的流动演变和误差机制；(3) 为改善空间受限HBNG应用中的计量准确性提供实际指导，特别关注氢气混合这一关键但尚未充分探索的因素。该研究通过系统的数值和实验分析实现了这些目标，特别强调了在真实扰动条件下这三个因素之间的相互作用。所有实验均在当地大气压力101.16 kPa下进行，假设HBNG在进入测量段之前已均匀混合[22]，[23]。本研究未考虑由气体成分、温度和压力变化引起的声速变化，但将在后续工作中进行探讨。这些优势使本研究区别于以往的工作，并为工程实践提供了可行的指导。本文的其余部分组织如下：第2节描述了实验和数值方法；第3节展示并讨论了结果；第4节总结了主要结论。

实验方法
实验装置的设计旨在以1:1的比例复制数值模拟结果，如图1所示。使用声速喷嘴流量标准校准设备来测试超声波气体流量计的计量性能，包括不同流量下的指示误差和最大流量下的压力损失。实验装置的入口开放于大气中，当地大气压力为101.16 kPa。

结果与讨论
本研究调查的超声波流量计主要用于工厂和超市等商业环境，其上游和下游直管长度为U5D3。这种安装条件不符合国家标准GB/T 18604-2023[24]规定的至少U10D5的要求。因此，有必要研究包括单弯头在内的各种上游扰动配置下游的流场分布。

结论
本研究通过将数值模拟与实验相结合，系统研究了流量调节器设计、上游扰动类型和氢气混合比例对U5D3安装条件下超声波流量计流场分布和测量准确性的影响。主要结论如下：
(1) 管道弯头下游的流动扰动会降低速度均匀性并增加指示误差。单弯头和CRediT作者贡献声明
Jiarong Wang：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、软件、方法论、调查、正式分析、数据整理、概念化。Dazhuan Wu：撰写——审阅与编辑、监督、资源、方法论、概念化。Xiaoyun Wang：撰写——审阅与编辑、方法论、调查、概念化。Yanhua Zhao：撰写——审阅与编辑、资源、概念化。Shenbin Zhu：撰写——审阅与编辑、监督。

利益冲突声明
作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
竞争利益
作者声明与提交的工作没有利益冲突。
资助
本研究由浙江Viewshine智能仪器有限公司资助。
利益冲突声明
? 作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。