TCI 588-2024 中低壓純氫摻氫燃?xì)舛嘣炊嘤脩艄茌敂?shù)值模擬技術(shù)指南

TICS75.060TCCSE10團 體 標(biāo) 準(zhǔn)T/CI588—2024中低壓純氫/摻氫燃?xì)舛嘣炊嘤脩艄茌敂?shù)值模擬技術(shù)指南Numericalsimulationtechnicalguideformulti-sourceandmulti-userpipelinetransportationofpurehydrogen/hydrogen-blendednaturalgasunderlowandmediumpressures2024-11-15發(fā)布 2024-11-15實施中國國際科技促進會??發(fā)布T/CI588T/CI588—2024PAGE\*ROMANPAGE\*ROMANIII目 次前言 II引言 III范圍 1規(guī)范性引用文件 1術(shù)語和定義 1總則 1純氫/摻氫燃?xì)夤茌敂?shù)值模擬過程 2純氫/摻氫燃?xì)夤茌斘锢砟Ｐ偷慕⑴c計算初值的確定 2構(gòu)建純氫/摻氫燃?xì)夤茌數(shù)臄?shù)學(xué)模型 2求解純氫/摻氫燃?xì)夤茌數(shù)臄?shù)學(xué)模型 2形成模擬結(jié)果報告 2純氫/摻氫燃?xì)夤茌攩栴}的簡化和計算區(qū)域確定 2純氫/摻氫燃?xì)夤茌攩栴}的簡化 2純氫/摻氫燃?xì)夤茌攩栴}計算區(qū)域確定 2純氫/摻氫燃?xì)夤茌敂?shù)學(xué)模型構(gòu)建 2變量與參數(shù)定義 2數(shù)學(xué)方程 3邊界條件 4初始條件 5數(shù)學(xué)方程參數(shù)計算公式 6純氫/摻氫燃?xì)夤茌敂?shù)學(xué)模型求解 6純氫/摻氫燃?xì)夤茌斈M結(jié)果報告 7結(jié)果報告要求 7文字說明 7列表圖形 7附錄A（資料性） 報告的參考格式 8參考文獻(xiàn) 9前 言本文件按照GB/T1.1—2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則 第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。請注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機構(gòu)不承擔(dān)識別專利的責(zé)任。本文件由中國國際科技促進會提出并歸口。（華東本文件主要起草人：宇波、李敬法、李玉星、王儉秋、徐彬、鄭度奎、彭世垚、劉翠偉、明洪亮、李璐伶、劉宗奇、王玉生、張偉、李敏、石國赟、徐維普、閆東雷、段鵬飛、王財林、柴沖、張一帆、王念榕、王曉峰、譚海川、楊濤、方益濤、趙杰、李建立。引 言20202060本文件從中低壓純氫/摻氫燃?xì)舛嘣炊嘤脩艄茌斶^程中流量、壓力、溫度及組分參數(shù)的數(shù)學(xué)方程、/T/CI588T/CI588—2024PAGEPAGE1中低壓純氫/摻氫燃?xì)舛嘣炊嘤脩艄茌敂?shù)值模擬技術(shù)指南范圍本文件提供了中低壓純氫/摻氫燃?xì)舛嘣炊嘤脩艄茌數(shù)目倓t、數(shù)值模擬過程、問題的簡化和計算區(qū)域的確定、數(shù)學(xué)模型構(gòu)建、數(shù)學(xué)模型求解以及模擬結(jié)果報告的編制等方面的指導(dǎo)。本文件適用于輸送壓力不超過4MPa的中低壓純氫//摻氫燃?xì)舛嘣炊嘤脩艄茌數(shù)臄?shù)值模擬、現(xiàn)有天然氣管道摻氫后管輸特性的研究，以及純氫/摻氫管道運輸?shù)脑O(shè)計。其他組分摻入天然氣管道的數(shù)值模擬參考使用。規(guī)范性引用文件本文件沒有規(guī)范性引用文件。術(shù)語和定義下列術(shù)語和定義適用于本文件。數(shù)值模擬numericalsimulation采用有限差分法、有限體積法、有限單元法等數(shù)值求解方法，對特定的數(shù)學(xué)模型進行計算得到近似的結(jié)果，以模擬實際的物理過程。注：本文件指一種計算機研究方法，在計算機上運用自編程序、開源軟件、商業(yè)軟件實施。計算區(qū)域computationaldomain數(shù)值模擬中純氫/摻氫燃?xì)夤艿?管網(wǎng)空間區(qū)域。計算變量calculationparameters純氫/摻氫燃?xì)舛嘣炊嘤脩艄茌敂?shù)值模擬中待求解的獨立的物理量。摻氫燃?xì)鈎ydrogen-blendednaturalgas將一定比例的氫氣摻入天然氣得到的氣體燃料。管網(wǎng)pipenetwork進行純氫/摻氫燃?xì)夤茌敂?shù)值模擬時，由管道元件、壓縮機和閥門等非管道元件、氣源以及各元件之間的連接節(jié)點所組成的管道結(jié)構(gòu)。總則純氫/摻氫燃?xì)夤茌斶^程數(shù)值模擬宜按照下列步驟進行：根據(jù)純氫/摻氫燃?xì)夤茌數(shù)木唧w問題建立純氫/摻氫燃?xì)夤茌斘锢砟Ｐ?；針對物理模型建立描述純?摻氫燃?xì)夤茌斶^程的包括動量、能量、質(zhì)量和組分守恒數(shù)學(xué)模型及描述摩阻隨流量變化等的數(shù)學(xué)模型；根據(jù)計算區(qū)域進行網(wǎng)格劃分并離散所構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型，獲得離散方程組；對所獲得的離散方程組進行數(shù)值求解，預(yù)測純氫/摻氫燃?xì)夤茌斶^程中流量、壓力、溫度、組分等物理量的變化；將模擬結(jié)果通過報告呈現(xiàn)，對所研究的純氫/摻氫燃?xì)夤茌斶^程進行解釋或說明，并對純氫/摻氫燃?xì)夤茌敼に嚮蚩刂七^程進行指導(dǎo)等。純氫/摻氫燃?xì)夤茌敂?shù)值模擬過程純氫/摻氫燃?xì)夤茌斘锢砟Ｐ偷慕⑴c計算初值的確定根據(jù)純氫/摻氫燃?xì)夤茌數(shù)木唧w問題，在仔細(xì)分析其物理過程的基礎(chǔ)上，舍棄次要因素，抓住主要因素，通過合理的簡化，確定物理模型及計算區(qū)域，并收集純氫/摻氫燃?xì)夤茌斶^程所需的操作參數(shù)及計算區(qū)域的幾何參數(shù)。構(gòu)建純氫/摻氫燃?xì)夤茌數(shù)臄?shù)學(xué)模型在純氫/摻氫燃?xì)夤茌斘锢砟Ｐ偷幕A(chǔ)上，宜根據(jù)質(zhì)量、動量、能量、組分守恒原理，采用一組數(shù)/等參數(shù)在空間上的分布和隨時間的變化。這組數(shù)學(xué)方程包括以下四個部分：數(shù)學(xué)方程：物理模型上質(zhì)量、動量、能量以及氫氣濃度在空間上的分布和隨時間的變化的偏微分方程組；H（m等參數(shù)隨時H間變化關(guān)系式；初始條件：輸送起始時刻物理模型上壓力（p0）和溫度（T0）等參數(shù)的分布數(shù)據(jù)；數(shù)學(xué)方程參數(shù)：基于與純氫/摻氫燃?xì)夤茌斚嚓P(guān)試驗或已公開的文獻(xiàn)，確定數(shù)學(xué)模型方程中的參數(shù)計算公式，如摻氫天然氣的摩阻（、比定壓熱容（cp）等。求解純氫/摻氫燃?xì)夤茌數(shù)臄?shù)學(xué)模型形成模擬結(jié)果報告純氫/摻氫燃?xì)夤茌攩栴}的簡化和計算區(qū)域確定純氫/摻氫燃?xì)夤茌攩栴}的簡化根據(jù)純氫/摻氫燃?xì)夤茌數(shù)木唧w問題，抓住主要因素，舍棄次要因素，進行以下假設(shè)和簡化：將純氫/摻氫燃?xì)夤茌斶^程簡化為氣體僅沿著管道軸線方向的一維流動問題；摻入氫氣后，氫氣立刻與天然氣均勻混合；能量交換主要包括管道內(nèi)部的對流換熱以及氣體與外界的換熱，忽略管道內(nèi)部氣體的導(dǎo)熱過程；天然氣組分已知，可通過狀態(tài)方程求解得到氣體物理性質(zhì)。純氫/摻氫燃?xì)夤茌攩栴}計算區(qū)域確定根據(jù)純氫/摻氫燃?xì)夤茌數(shù)木唧w問題，確定管道軸線為計算區(qū)域的尺寸，主要包括：確定管道的長度、直徑、傾角幾何參數(shù)；確定管道的連接關(guān)系等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)參數(shù)。純氫/摻氫燃?xì)夤茌敂?shù)學(xué)模型構(gòu)建變量與參數(shù)定義計算變量計算變量為純氫/摻氫燃?xì)夤茌敂?shù)值模擬過程中求解的物理量（見表1）。表1 計算變量表符號名稱單位說明m質(zhì)量流量kg/s氣體流量p壓力Pa氣體壓力T溫度K開爾文溫度和攝氏度的關(guān)系：K=°C+273.15ci摩爾分?jǐn)?shù)%組分i的含量與氣體總量的比值模型參數(shù)模型參數(shù)為純氫/（見表表2 管道幾何參數(shù)符號名稱單位說明l管道長度m管道幾何參數(shù)d管道內(nèi)徑mθ管道傾角rad表3 基本參數(shù)符號名稱單位說明p0初始壓力Pa取管道實際壓力或人為給出T0初始溫度K取管道實際溫度或人為給出ci0初始濃度%取管道實際濃度或人為給出數(shù)學(xué)方程/摻氫燃?xì)夤茌敂?shù)值模擬即通過數(shù)值計算方法再現(xiàn)管道內(nèi)純氫/摻氫燃?xì)獾牧鲃訝顟B(tài)。用來描述純氫/摻氫燃?xì)庠诠艿纼?nèi)流動狀態(tài)的控制方程稱為管道的數(shù)學(xué)模型，主連續(xù)性方程由質(zhì)量守恒定律，可得到純氫/摻氫燃?xì)庠诠艿纼?nèi)流動的連續(xù)性方程式（1）。(A)(wA)0式中：

··················································(1)ρ——（kgm；A——（m；w——氣體流速，單位為米每秒（m/s）；t——時間，單位為秒（s）；x——空間，單位為米（m）。動量方程由動量守恒定律，可得到純氫/摻氫燃?xì)庠诠艿纼?nèi)流動的動量方程式（2）。A)(Ap)w 式中：

t

x 2

gAsin

···························(1)——（kg/；——m；氣體流速，單位為米每秒（m/s）；t——時間，單位為秒（s）；x——空間，單位為米（m）；p——壓力，單位為帕斯卡（Pa）；λ——水力摩阻系數(shù)，無量綱；——（m/；管道內(nèi)徑，單位為米（m）；θ——管道傾角，單位為弧度（rad）。能量方程由能量守恒定律，可得到純氫/摻氫燃?xì)庠诠艿纼?nèi)流動的能量方程式（3）。式中：

[(ew2t 22

gs)A][(hw2x 22

gs)wA]

x

(1)t——時間，單位為秒（s）；e——氣體單位內(nèi)能，單位為焦耳每千克（J/kg）；w——氣體流速，單位為米每秒（m/s）；——（m/；空間，單位為米（m）；s——管道高程，單位為米（m）；——（kg/；——m；氣體單位焓，單位為焦耳每千克（J/kg）；——（J/g。組分輸運方程由組分守恒定律，可得到純氫/摻氫燃?xì)庠诠艿纼?nèi)流動的組分輸運方程式（4）。c c 2ciumiK it式中：ci——管道橫截面氣體平均濃度,%；t——時間，單位為秒（s）；

x

·················································(1)um——氣體平均流速，單位為米每秒（m/s）；x——空間，單位為米（m）；——（/）。邊界條件流動方程邊界條件mt(1)spp (2)sNin

Nout

···················································n,it,j

(3)i1 j1式中：

········································(4)p p p p p p m——氣體質(zhì)量流量，單位為千克每秒（kg/s）；s——（kg/；——（kg/；——（kg/；——————1Pa；——（P；——（P；——Pa。能量方程邊界條件T T

Nin

c

Noutcm

··································(1)式中：

out,1 out,Nout

pi1

in,i

pj1

out,j——（K；——（；——J/(g·K)]；氣體質(zhì)量流量，單位為千克每秒（kg/s）；————組分輸運方程邊界條件10。Nin Noutckn,ickt,j式中：

i1

j1

···············································(1)Nin——與節(jié)點相連接且氣流流入節(jié)點的元件個數(shù)；)——Nout——與節(jié)點相連接且氣流流出節(jié)點的元件個數(shù)；)——的濃度。初始條件流動方程初始條件根據(jù)待模擬的實際問題而定。能量方程初始條件根據(jù)待模擬的實際問題而定。組分輸運方程初始條件根據(jù)待模擬的實際問題而定。數(shù)學(xué)方程參數(shù)計算公式水力摩阻計算公式雷諾數(shù)計算見公式(11)，層流區(qū)（Re<2000）計算見公式(12)，臨界區(qū)或臨界過渡區(qū)（2000<Re<4000）計算見公式(13)，紊流區(qū)（Re>4000）計算見公式(14)。Rewd························································(1)64··························································(2)Re0.00253Re (3)12lg(Ke

2.51)·············································(4)式中：Re——雷諾數(shù)；

3.7d Reρ——（kgm；w——氣體流速，單位為米每秒（m/s）；d——管道內(nèi)徑，單位為米（m）；μ——氣體動力粘度，單位為帕秒（Pa·s）；λ——水力摩阻系數(shù)，無量綱；e——m）。有效擴散系數(shù)計算公式K宜根據(jù)流動所處的流態(tài)進行具體計算。氣體狀態(tài)方程的選取在計算純氫/摻氫燃?xì)馕镄詤?shù)時，宜根據(jù)摻氫比的范圍選用合適的氣體狀態(tài)方程，包括RK（Redlich-Kwong）PR(Peng-RobinsonBWRS(Benedict-Webb-Rubin-StarlingInstituteofStandardsandTechnology)的經(jīng)驗公式等。純氫/摻氫燃?xì)夤茌敂?shù)學(xué)模型求解建立數(shù)學(xué)模型后，在計算機上可運用自編程序，采用有限差分法、有限體積法、有限單元法等數(shù)值求解方法，進行求解計算。關(guān)鍵求解步驟宜包括：計算區(qū)域的離散；控制方程和邊界條件的離散；離散方程的求解。數(shù)值模擬結(jié)果宜不受計算區(qū)域離散方式、網(wǎng)格大小和所采用的代數(shù)方程組求解方法的影響，不同3%）。還可采用實際管網(wǎng)采集的數(shù)據(jù)對計算結(jié)果進行對比。純氫/摻氫燃?xì)夤茌斈M結(jié)果報告結(jié)果報告編制規(guī)則對純氫/文字說明文字報告宜包括：對所研究純氫/摻氫燃?xì)夤茌敼こ虇栴}的說明、物理模型建立的說明、數(shù)學(xué)模型的說明、求解方法的說明，對研究或工程需要的數(shù)據(jù)、列表或圖形的解釋，對純氫/摻氫燃?xì)夤茌敼に嚭涂刂七^程的評價及指導(dǎo)作用的說明。列表圖形（ci）隨空間分布的列表和圖形；ci（cici)隨時間發(fā)展的列表和圖形等。相關(guān)圖表可增加文字說明。報告的參考格式見圖A.1。

附 錄 A（資料性）中低壓純氫/摻氫燃?xì)夤茌敂?shù)值模擬研究報告中低壓純氫/摻氫燃?xì)夤茌敂?shù)值模擬研究報告作者：單位：報告簡介：（此處對中低壓純氫/摻氫燃?xì)夤茌敂?shù)值模擬研究報告進行簡介）一、工程背景（此處對所研究的中低壓純氫/摻氫燃?xì)夤茌敼こ虇栴}進行詳細(xì)介紹）二、物理模型（此處對中低壓純氫/摻氫燃?xì)夤茌敂?shù)值模擬的物理模型進行詳細(xì)介紹，包括但不限于物理過程簡化及計算區(qū)域確定、操作參數(shù)及幾何參數(shù)收集）三、數(shù)學(xué)模型（此處對中低壓純氫/摻氫燃?xì)夤茌敂?shù)值模擬的數(shù)學(xué)模型進行詳細(xì)介紹，包括但不限于變量與參數(shù)定義、流動方程、能量方程、組分方程、邊界條件和初始條件等）四、模型求解（此處對中低壓純氫/摻氫燃?xì)夤茌敂?shù)值模擬的模型求解方法進行詳細(xì)介紹，包括但不限于計算區(qū)域、控制方程、邊界條件的離散過程以及離散方程的求解方法等）五、管輸工藝分析（此處詳細(xì)分析管輸過程中氣體流量、壓力、溫度和氫氣濃度等參數(shù)隨空間、時間的變化過程，以及對于天然氣管道摻入氫氣后對上述過程的影響規(guī)律，提出合適的摻氫比例、合理的運行方案等，以及根據(jù)以上結(jié)果來優(yōu)化管道輸送方案等）圖A.1中低壓純氫/摻氫燃?xì)夤茌敂?shù)值模擬研究報告參考格式參 考 文 獻(xiàn)MM].北京：中國石油大學(xué)出版社，2009.李長俊,黃澤俊,賈文龍.天然氣管道輸送（第四版）[M].北京：石油工業(yè)出版社，2024.NHT/CFD原理與應(yīng)用》[M2024.J20214104):137-152.李敬法,李建立,王玉生,趙杰,李漢勇,宇波.氫能儲運關(guān)鍵技術(shù)研究進展及發(fā)展趨勢探討[J202342(08856-871.J44(2):145-155.李玉星,劉翠偉,彭浩平,韓輝,朱建魯,宋光春,王財林.氫能運輸方式與技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及挑戰(zhàn)[J20243(2):81-93.2024,3(239-49.ZhangHeng,LiJingfa,SuYue,WangPeng,YuBo.Effectsofhydrogenblendingonhydraulican