掺氢天然气管道减压阀流动特性与节流效应研究学术报告

作者与机构
本研究由华中科技大学动力工程及工程热物理专业的颜志祥（Yan Zhixiang）完成，导师为叶建军（Ye Jianjun）教授，论文答辩于2024年5月10日进行，属于工程硕士学位论文。

学术背景
在“双碳”战略背景下，氢能作为清洁能源的重要性日益凸显。然而，氢能输送成本高昂，利用现有天然气管网掺氢运输成为实现大规模、长距离输氢的高效途径。但氢气掺入会改变天然气物性，影响管网设备（如减压阀）的运行状态。减压阀是天然气管网分输站点的关键部件，其内部流动特性与节流效应直接关系到管网的安全稳定运行。目前，针对掺氢天然气减压阀的研究存在两大空白：一是掺氢对减压阀内流场（压力、速度、湍流）的影响规律不明确；二是掺氢天然气的节流效应（温度变化）及其与冻堵风险的关系缺乏系统性分析。本研究旨在填补这些空白，为掺氢天然气管网的安全运行提供理论指导。

研究流程与方法
1. 模型构建与验证
- 研究对象：以某分输站点的RMG530减压阀为原型，基于SolidWorks建立三维流道模型，包含阀芯、阀套等核心部件，并延长进出口管道以消除边界效应。
- 仿真方法：采用有限体积法结合SRK（Soave-Redlich-Kwong）真实气体状态方程构建数值模型，选用Standard k-ε湍流模型描述湍流。通过对比文献实验数据验证模型准确性。
- 创新点：对比了RK、SRK和NIST真实气体模型的适用性，发现SRK模型在计算效率与精度上最优（与NIST模型温差<0.4 K，计算耗时减少33%）。

1. 流动特性分析

   • 工况设置：模拟不同阀门开度（20%~100%）及掺氢比（0%~30%摩尔分数）下的流动状态。
     
   • 关键参数：监测压力、流速、湍动能分布，计算单位体积热量以评估输气效率。
     
   • 结果：
     
     • 流量特性呈直线型，压力与流速突变集中于阀芯区域，阀芯孔内湍动能最大。
       
     • 掺氢使最大流速提升（如掺氢20%时出口流速增加12%），但因氢气热值低，单位体积热量下降，导致管网输气效率降低。
       

2. 节流效应研究

   • 原理：基于焦耳-汤姆逊效应（Joule-Thomson effect），量化掺氢比、压力（1~20 MPa）、温度（263~300 K）对节流系数的影响。
     
   • 结果：
     
     • 最低温度出现在阀芯处，掺氢会升高阀芯温度（如掺氢10%时最低温度上升5 K）。
       
     • 节流系数随掺氢比增大而线性减小（掺氢30%时较纯天然气降低40%~50%），随来流温度降低而增大。
       

3. 阀芯结构优化

   • 对比方案：圆孔形（原结构）、梯形、矩形阀芯。
     
   • 结果：
     
     • 梯形阀芯使流量特性变为抛物线型，改善小开度调节平顺性。
       
     • 矩形阀芯提升最大质量流量6.9%，且两种新结构均能提高阀芯最低温度，降低冻堵风险。
       

主要结果与逻辑关联
- 流动特性揭示了掺氢导致流速增加但输气效率下降的矛盾，为后续节流效应分析提供物性基础。
- 节流效应表明掺氢可缓解低温冻堵（阀芯温度上升），但需平衡输气效率损失，指导了阀芯结构优化。
- 阀芯优化通过改变流动路径与湍流分布，验证了结构设计对流动与温度的调控潜力。

结论与价值
1. 科学价值：首次系统阐明了掺氢天然气在减压阀内的流动-节流耦合机制，建立了掺氢比-节流系数-温度场的定量关系模型。
2. 应用价值：
- 为掺氢天然气管网减压阀的掺氢比设定（建议<20%）和操作参数优化提供依据。
- 提出的梯形/矩形阀芯设计可提升调节性能与抗冻堵能力，支持国产化阀门改进。

研究亮点
1. 方法创新：融合SRK真实气体模型与Standard k-ε湍流模型，实现了掺氢多组分流体的高精度仿真。
2. 发现创新：
- 揭示掺氢对流速与输气效率的逆向影响，提出“热量当量”评估指标。
- 明确节流系数随掺氢比的线性变化规律，修正了传统经验公式的偏差。
3. 工程导向：阀芯结构优化方案可直接应用于分输站点设备改造，提升掺氢管网的适应性。

其他价值
研究还指出，北方低温环境下需重点关注掺氢后的温度场分布，建议结合加热措施进一步降低冻堵风险，为后续掺氢示范项目（如宁夏24%掺氢工程）提供了理论支撑。