CN113090946A - 一种促进掺氢天然气管道内天然气与氢气混合的蚌式管道结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种促进掺氢天然气管道内天然气与氢气混合的蚌式管道结构，属于天然气管道的混氢输送领域。天然气掺混氢气后，由于两种气体在物性上存在较大差异，在输气管道内混合气会出现分层现象。本发明提供了一种用于促进天然气输送管道内天然气与氢气混合，抑制混合气分层现象的蚌式鼓包结构及其设计参数的设置方法，使鼓包外壁面形状接近流线型。鼓包结构的存在会导致来流出现绕流情况，依据雷诺数的不同，来流在尾流区可形成涡列、流动状态转变为湍流，从而促进天然气与氢气的混合；本发明克服了传统气体混合器件结构复杂、管内压降过高、能量耗散大等缺点，具有结构制造简单且高效抑制混合气分层现象的优势。

Description

一种促进掺氢天然气管道内天然气与氢气混合的蚌式管道 结构

技术领域

本发明是一种促进掺氢天然气管道内天然气与氢气混合的蚌式管道结构，涉及到天然气管道的混氢输送领域。

背景技术

随着能源行业的不断发展，国内外天然气输送管网体系已经非常成熟。目前，我国天然气在2019年度对外依存度达到了43.4％，其燃烧排放的二氧化碳也对全球气候产生巨大威胁。加之为应对我国经济高质量发展、建设生态文明国家要求，我们迫切需要进行能源结构转型。近年来，我国吉林省、四川省将目光转向氢能产业规划上；国外也开始聚焦氢气输配领域，例如英国已开始测试向天然气网络中掺氢供气。氢能作为一种高效、清洁的能源，相比于传统化石能源，存在广阔的发展前景。一方面，氢气燃烧热值高，可替代部分天然气提供热能和电能，以缓解天然气供应压力大、对外依存度高等问题；另一方面，氢气燃烧只产生水蒸气，可以有效减少温室气体的排放。目前，就如何实现氢气的大范围运输和规模化利用，一个重要的研究方向就是在天然气中掺混氢气输送。通过对现有的天然气输送管网进行改造，不需要新建专门的输氢管道，可以降低成本，减少因氢脆等问题引起的管材消耗，实现高效输送，对促进氢能发展与普及具有重要意义。

天然气(主要成分为甲烷)若与氢气在管道内混合输送，由于两者物性存在较大差异，会导致管道内天然气与氢气分层，影响流动状态，不利于完成后续输送、计量等工作。对于如何有效、安全地实现混氢输送，就需要一种能够事先在容器内将天然气与氢气混合、抑制分层现象的装置，再通过整流器、流量计等管道元件完成混合气输送。

经过检索，有一种氢气混合装置(公开号：CN206723836U)可以实现天然气掺氢输送。该混合装置内放置氢气分离膜组件(一般为中空纤维膜组件)，氢气通过中空纤维内腔向外扩散，中空纤维之间的空隙中输入天然气，即可以平稳地将天然气与氢气混合。但该装置除氢气入口与天然气入口通道外，还有一个混合气输送通道及氢气出口通道，结构较为复杂，不利于在管网工程中大规模利用。此外，传统的混合设备一般选用静态混合器，它是一种固定在管道内、没有运动部件的混合单元体。流体在管内流动冲击混合元件，增加流体层流运动的速度梯度或形成湍流，流体的运动遵循着“分割-移位-重叠”的规律，不同流体之间可良好分散和充分混合，是一种高效的流体混合设备。但该装置特性导致管内流体运动十分复杂，断面上压降梯度非常大，还会产生剧烈的涡流，较大切应力的存在也导致部分能量耗散。现提出一种促进掺氢天然气管道内天然气与氢气混合的蚌式管道结构，本发明通过对管体结构进行创新，相较于前面两种混合装置结构更加简单，在混合管道内不用放置混合所需的元件，也无需设置多个进气与出气通道。该装置进一步简化了混合装置的制造、使用流程，管内压降更小，可在尾流区促进天然气与氢气混合，减少分层现象。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种促进掺氢天然气管道内天然气与氢气混合的蚌式管道结构，在尽可能简化管道结构、降低管内压降、减少气体热能耗散的前提下抑制天然气与氢气的分层现象。该蚌式管道结构，是在原柱体管道结构内加装蚌式鼓包结构。该鼓包结构的存在会导致来流出现绕流情况，当雷诺数大于1时，流体在鼓包后面的尾流区会出现稳定有旋、周期性脱离物体的漩涡，形成涡列；若雷诺数继续增大，尾流区的流动则会变成稳定的湍流状态，如附图3所示。在这种结构中，天然气和氢气两种不同性质的气体能实现较好的混合。前述的蚌式管道结构，其壁面外围由附图4所示的封闭曲面ABCD构成，其形状参数为：底面AB段长2a、BC段长a；拱高BD段长h。为使该结构能更好地促进天然气与氢气的混合，现提出一种蚌式鼓包结构的固体壁面形状参数设置方法：以AC所在直线为X轴，气体流动方向为正方向；BD所在直线为Y轴，指向管道中心轴线的方向为正方向。曲线ADC的描述函数为S(x)，其中：

(1)当x∈(-2a，0)时，

S(x)＝m*cos(x/2)

式中，m——余弦函数S(x)的振幅，随x的增大而增大，m∈(0，h)；

(2)当x∈(0，a)时，

S(x)＝m*cos(x/n)

式中，m——余弦函数S(x)的振幅，随着x的增大而减小，m∈(0，h)；

n——余弦函数S(x)的角频率，随着x的增大而减小。

在这种形状参数设置方法下，AD段间初始段曲线缓慢上升，有助于来流向上攀升；中间段曲线斜率先增大后减小，鼓包拱高D处两端曲线较为平缓，有助于来流平稳通过；DC段间曲线斜率先增大后减小，缓慢过渡到C点。

本发明是通过以下技术方案实现的：

(1)通过两根进气管道分别输入天然气和氢气，即将甲烷氢注入天然气管网；在汇管中完成天然气与氢气交汇；使用阀门控制气体流经管道流量、或完成截断功能以提高管路的安全性等；

(2)蚌式结构管道为本发明核心，如附图1、2中所示，将原柱体管道结构改造为蚌式管道结构，即在管道内壁沿圆周一圈加装鼓包，该鼓包截面形状呈流线型。两股气体的来流经过该结构后在尾流区产生涡列或湍流，可有效抑制分层现象，实现较好的混合；

(3)之后通过整流器对流经蚌式结构管道的混合气进行整流，将流经整流孔的各细小流体汇聚成几乎平行于管道轴向的流束流出，可降低流体的湍流现象，将流体流动尽可能整流为层流状态，后续经过流量计进行计量；

(4)完成上述气流交汇、混合、整流、计量操作后，混合气经由出气管道继续向后输送，从而完成了天然气管道内天然气掺氢混合输送。

附图说明

图1是本发明提供的一种蚌式管道结构的二维平面正视图。

图中：选取鼓包结构部分截面，如1-1断面、2-2断面、3-3断面的管道横截面视图依次对应圆环1、2、3。其中，白色内圆为气流流过的区域；阴影区域为鼓包结构和管道内壁。

图2是本发明提供的一种蚌式管道结构装置模型。

图3是本发明提供的一种当天然气与氢气来流流过蚌式管道结构装置时，管内流体出现绕流及尾流区涡列混合现象的图示说明；

图4是本发明提供的一种蚌式鼓包壁面形状结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合本实施例中的附图，对本发明作进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1、2所示，提供一种促进掺氢天然气管道内天然气与氢气混合的蚌式管道结构，在尽可能简化管道结构、降低管内压降、减少气体热能耗散的前提下抑制天然气与氢气的分层现象。该蚌式管道结构，是在原柱体管道结构内加装蚌式鼓包结构。该鼓包结构的存在会导致来流出现绕流情况，从而使天然气和氢气的来流形成涡列或湍流，使两者更好地混合。

为使本专利所述蚌式结构达到前述效果，提出一种蚌式结构的固体壁面形状参数设置方法。如图4所示，以AC所在直线为X轴，气体流动方向为正方向；BD所在直线为Y轴，指向管道中心轴线的方向为正方向。曲线ADC的描述函数为S(x)。具体来讲：

(1)当x∈(-π，0)时，

S(x)＝m*cos(x/2)

式中，m——余弦函数S(x)的振幅，随着x的增大而增大，m∈(0，0.45)；

(2)当x∈(0，2π/5)时，

S(x)＝m*cos(x/n)

式中，m——余弦函数S(x)的振幅，随着x的增大而减小，m∈(0.15，0.45)；

n——余弦函数S(x)的角频率，随着x的增大而减小，n∈(1，2)；

(3)当x∈(2π/5，π/2)时，

S(x)＝m*cos(x)

式中，m——余弦函数S(x)的振幅，随着x的增大而减小，m∈(0，0.15)。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种促进掺氢天然气管道内天然气与氢气混合的蚌式管道结构，其特征在于：所述蚌式管道结构是在管道内沿其圆周一圈加装的蚌式鼓包结构，该鼓包截面形状呈流线型；鼓包结构截面初始段坡度较平滑，有助于来流向上攀升；中间段坡度先增大后减小，鼓包拱高处两端曲线较为平缓，有助于来流平稳通过；拱高后段鼓包向下的坡度先增大后减小，缓慢过渡到与壁面相切；利用该蚌式管道结构可使天然气和氢气流过拱高后，在结构的尾流区后有效混合。

2.如权利要求1所述的一种促进掺氢天然气管道内天然气与氢气混合的蚌式管道结构，其特征在于：以管壁所在直线为X轴，气体流动方向为正方向，拱高点所在的与壁面垂直的直线为Y轴，指向管道中心轴线的方向为正方向，将蚌式结构截面曲线的描述函数设为S(x)，即

式中，m——余弦函数S(x)的振幅，是随x变化的参数；

n——余弦函数S(x)的角频率，是随x变化的参数。

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