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掺氢天然气管网数值仿真轻量化算法

天然气工业 2024年第2期44卷 156-165页

作者：石国赟宇波北京石油化工学院机械工程学院北京市安全生产工程技术研究院北京航空航天大学航空发动机研究院

目前针对管网数值仿真算法的优化主要集中在代数方程组的求解上。针对管网流动数值仿真算法提升计算效率方案中缺少针对封闭关系与状态方程的优化,分析了目前优化方案各模块的耗时情况,发现了仿真程序中耗时模块为封闭关系与状态方程求... 详细信息

目前针对管网数值仿真算法的优化主要集中在代数方程组的求解上。针对管网流动数值仿真算法提升计算效率方案中缺少针对封闭关系与状态方程的优化,分析了目前优化方案各模块的耗时情况,发现了仿真程序中耗时模块为封闭关系与状态方程求解。最后,结合计算机库函数的缺点以及现代CPU中SIMD (Single Instruction Multiple Data)模型的特点,提出了针对封闭关系与状态方程的轻量化算法,并验证了算法的高效性。研究结果表明:(1)封闭关系与状态方程模型中的耗时原因为直接调用库函数的次幂运算、指数运算、对数运算以及除法运算;(2)由于次幂运算效率远低于其他运算,通过变换消除了模型中几乎所有的次幂运算;(3)利用SIMD指令来计算指数运算与对数运算,实现了在单核CPU上同时计算多个数据的指数与对数,最后通过数学变换将所有除法转换为乘法;(4)轻量化算法加速效果显著,其整体加速比为18,而在状态方程求解模块的加速比更是高达70以上。结论认为,该轻量化算法在不影响计算精度的条件下提高了计算速度,对于提高掺氢天然气管网在线仿真与智能管网的建设具有重要的理论价值和技术支撑。

关键词：天然气管网数值仿真计算效率状态方程加速比掺氢

甲烷掺氢自点火非平衡态热力学[火用]损分析

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西安交通大学学报 2022年第11期56卷 138-147页

作者：伍宏环洪聪结曹军黄佐华张英佳西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室西安710049

为明晰天然气掺氢发动机非平衡燃烧过程主要[火用]损源,本文利用自点火压力时程对文献中5个代表性CH_(4)/H_(2)燃烧动力学模型性能进行再评估,基于非平衡态热力学理论初步建立了基元反应[火用]损评估方法,结合详细动力学模型分析了不同... 详细信息

为明晰天然气掺氢发动机非平衡燃烧过程主要[火用]损源,本文利用自点火压力时程对文献中5个代表性CH_(4)/H_(2)燃烧动力学模型性能进行再评估,基于非平衡态热力学理论初步建立了基元反应[火用]损评估方法,结合详细动力学模型分析了不同约束条件下(温度、当量比、掺氢比)CH_(4)/H_(2)混合气自点火过程中基元反应[火用]损贡献及其变化规律。结果表明,反应初始温度升高,化学反应[火用]损减少,不完全燃烧损失增加。H_(2)掺混虽未显著降低CH_(4)燃烧最低[火用]损值,但有效扩展了CH_(4)低[火用]损燃烧区。对比了不同温度、不同掺氢比下[火用]损速率和总[火用]损的时程演化,分析了H_(2)和H自由基产率及其主导基元反应[火用]损贡献,揭示了初始温度和掺氢对燃烧[火用]损影响的动力学机制。进一步对比不同反应路径关键物种吉布斯自由能,从热力学角度解释了CH_(4)高/低温氧化路径[火用]损差异。研究结果在基元反应水平上揭示了H_(2)介入对CH_(4)燃烧[火用]损的影响机制,可为探索减少天然气掺氢发动机[火用]损的控制方法提供理论依据。

关键词：自点火掺氢非平衡态热力学反应[火用]损基元反应

掺氢比例波动时氢混燃气轮机动态响应特性研究

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热力发电 2023年第11期52卷 95-104页

作者：林育超李永毅何怡冲张国强管志敏杨泽雨华北电力大学能源动力与机械工程学院北京102206 华北电力大学河北省低碳高效发电技术重点实验室河北保定071003

在“双碳”目标的推动下,燃气轮机掺氢及纯氢燃烧技术备受关注,通过可再生能源制取“绿氢”并用于电力生产是未来能源领域的发展方向。而氢气来源的波动势必会引起氢混燃气轮机燃料掺氢比例的变化,为此研究了掺氢比例波动时燃气轮机的... 详细信息

在“双碳”目标的推动下,燃气轮机掺氢及纯氢燃烧技术备受关注,通过可再生能源制取“绿氢”并用于电力生产是未来能源领域的发展方向。而氢气来源的波动势必会引起氢混燃气轮机燃料掺氢比例的变化,为此研究了掺氢比例波动时燃气轮机的动态响应特性。以某F级重型燃气轮机为研究对象,采用模块化建模方法构建了机组的动态模型,对掺氢比例波动时不同负荷下机组关键参数的响应特性及部件运行的安全性进行了仿真分析。结果表明:当氢气掺混比发生波动时,透平入口温度(T3)将出现剧烈波动,在高负荷区将出现T3超温现象,叶片工作环境恶化,影响机组安全运行;氢气掺混比例波动幅度越大,机组负荷越高,T3超温现象越显著;而氢气掺混比例波动对压气机的影响相对较小,压气机仍能维持合理的喘振裕度。

关键词：燃气轮机动态特性掺氢安全运行

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掺氢对自由活塞发动机性能及排放的影响研究

工程热物理学报 2021年第11期42卷 3016-3022页

作者：黄福军孔文俊中国科学院工程热物理研究所北京100190 中国科学院大学工程科学学院北京100049 北京航空航天大学宇航学院北京100083

本文以自由活塞发动机为对象,实验探究了在甲烷燃料中掺加不同体积分数的氢气对自由活塞发动机性能和排放特性的影响。研究结果表明:燃料掺氢后,发动机的性能得到了显著的提升,指示功率最大提升了60.1%,指示热效率最大提升了59.2%。掺... 详细信息

本文以自由活塞发动机为对象,实验探究了在甲烷燃料中掺加不同体积分数的氢气对自由活塞发动机性能和排放特性的影响。研究结果表明:燃料掺氢后,发动机的性能得到了显著的提升,指示功率最大提升了60.1%,指示热效率最大提升了59.2%。掺氢量达到4%时发动机性能达到最佳,继续增加掺氢量时由于点火定时过于提前,发动机性能下降。掺氢后发动机贫燃运行范围得到了拓宽,发动机运行稳定性得到了提升。掺氢后提高了燃料燃烧速率,减少了碳烟生成。

关键词：自由活塞发动机掺氢发动机贫燃运行范围碳烟生成

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掺氢输送管道材料的适应性及评价方法

力学与实践 2023年

作者：吴华徐莹莹徐凌米杰李林峰唐永帆王业熙中国石油西南油气田公司天然气研究院中国石油西南油气田公司规划计划处安科工程技术研究院中国石油西南油气田公司气田开发管理部中国石油西南油气田公司新能源事业部

天然气管网掺氢输送可有效解决氢能利用过程中的输送问题，但这会给管道带来安全风险。本文详细评述了掺氢输送管道金属和非金属材料的种类、适应性影响因素及其评价方法，建议完善和利用现有金属和非金属材料宏观性能表征及微观机理分... 详细信息

天然气管网掺氢输送可有效解决氢能利用过程中的输送问题，但这会给管道带来安全风险。本文详细评述了掺氢输送管道金属和非金属材料的种类、适应性影响因素及其评价方法，建议完善和利用现有金属和非金属材料宏观性能表征及微观机理分析方法，结合实际工况环境及材料关键性能指标，建立掺氢输送管道的适应性评价方法和评价限值要求，并完善实际掺氢试运行评价方法和评判标准。本文可为天然气管网掺氢输送工程提供重要参考。

关键词：掺氢适应性评价天然气管网管线钢非金属材料

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掺氢比对高Ka数射流预混湍流火焰的影响

燃烧科学与技术 2021年第1期27卷 52-59页

作者：俞森彬刘潇周波隆德大学能源科学系瑞典隆德22100 哈尔滨工程大学动力与能源工程学院哈尔滨150001 南方科技大学力学与航空航天工程系深圳518055

在同步多物种平面激光诱导荧光(PLIF)测量的实验基础上,采用大涡模拟(LES)湍流模型耦合输运概率密度函数(TPDF)燃烧模型,以及44组分及268步CH4化学反应机理模拟了CH4/H2/空气混合气的不同掺氢比(0,20%,50%)时对高Ka数下预混湍流射流火... 详细信息

在同步多物种平面激光诱导荧光(PLIF)测量的实验基础上,采用大涡模拟(LES)湍流模型耦合输运概率密度函数(TPDF)燃烧模型,以及44组分及268步CH4化学反应机理模拟了CH4/H2/空气混合气的不同掺氢比(0,20%,50%)时对高Ka数下预混湍流射流火焰的影响.结果表明,LES耦合TPDF模型可以较为准确地捕捉火焰高度,模拟该类火焰的速度分布、反应锋面CH的分布以及火焰褶皱及局部熄火等现象.随着掺氢比的升高,火焰高度降低,火焰根部的局部熄火得到显著改善.相比于掺氢,在未掺氢时,由于其更小的临界拉伸率及更少的H2与伴生火焰带来的自由基反应的机会,使得火焰根部出现局部熄火更为频繁.同时进一步发现,火焰根部的燃烧模式与主燃烧区域存在很大区别,火焰根部的扩散作用更为显著.

关键词：分布反应区局部熄火燃烧模式大涡模拟-TPDF燃烧模型掺氢

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纯氢与掺氢天然气管道摩阻系数预测

天然气工业 2024年第5期44卷 127-135页

作者：朱建鲁吕浩王鑫周慧刘翠伟李玉星李璐玲段鹏飞任诚中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院中国石油技术开发有限公司深圳市燃气集团有限公司中石化湖南石油化工有限公司

纯氢与掺氢天然气管道是实现氢气长距离、大规模输送的最佳方式之一,其中摩阻系数是气体管道水力计算的关键参数,现有的经验公式不能满足预测掺氢天然气的摩阻系数要求。为改进传统的摩阻系数计算公式在纯氢与掺氢天然气管道系统的适用... 详细信息

纯氢与掺氢天然气管道是实现氢气长距离、大规模输送的最佳方式之一,其中摩阻系数是气体管道水力计算的关键参数,现有的经验公式不能满足预测掺氢天然气的摩阻系数要求。为改进传统的摩阻系数计算公式在纯氢与掺氢天然气管道系统的适用性,搭建了纯氢和掺氢天然气管输调压综合实验平台,开展纯氢和不同比例的掺氢天然气管输流动实验,根据实验采集的流量、温度、压力和管道的长度、管径等参数计算管道的摩阻系数,同时建立了摩阻系数与雷诺数、粗糙度之间的关系,并修正了传统摩阻系数公式,最后利用湖南省巴陵—长岭纯氢气管道的实际运行数据进行了验证。研究结果表明:①由于氢气与天然气物性差异较大,掺氢比会影响流动摩阻系数,相同条件下掺氢比越大摩阻系数越小;②传统摩阻系数计算公式存在30%左右的误差,创新提出的适用于纯氢和掺氢天然气的3段式摩阻系数经验公式,相对误差最大11.84%,能够有效降低误差;③与巴陵—长岭纯氢气管道实际的运行数据相比,修正后摩阻系数预测公式的平均误差为0.62%,该公式可以满足实际工程的误差要求。结论认为,得到的纯氢与掺氢天然气管道摩阻系数修正公式可应用于纯氢与掺氢天然气管道工程设计,具有重要的工程应用价值和前景。

关键词：管道输送氢气掺氢天然气摩阻系数公式修正管输工艺设计

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燃气轮机掺氢燃烧技术

南方能源建设 2023年第6期10卷 14-25页

作者：李小龙洪小飞陈宇卿中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司广东广州510663 广东粤电大亚湾综合能源有限公司广东惠州516211

[目的]随着国家为能源行业设立了碳达峰、碳中和的宏伟目标,对电站燃气轮机低碳排放技术改进的需求日益增长。国内对该目标的关键技术路径的探索亟待展开。燃气轮机的贫预混燃烧技术能使燃烧偏离理论空气量,是目前降低NO_(x)排放主要技... 详细信息

[目的]随着国家为能源行业设立了碳达峰、碳中和的宏伟目标,对电站燃气轮机低碳排放技术改进的需求日益增长。国内对该目标的关键技术路径的探索亟待展开。燃气轮机的贫预混燃烧技术能使燃烧偏离理论空气量,是目前降低NO_(x)排放主要技术,同时通过在天然气中掺混氢气燃烧,能够有效降低化石能源的消耗以及降低碳排放量。[方法]采用Chemkin-Pro软件建立一维预混自由传播火焰模型,比较不同当量比、初始温度、初始压力、掺氢比对燃烧温度、燃烧速率、污染物生成浓度、燃烧自由基、链式反应等的影响;模拟燃烧过程的温度分布、燃料组分变化及其排放特性。[结果]发现了通过在天然气中掺混氢气燃烧,能够有效降低化石能源的消耗以及降低碳排放量。但天然气掺氢的贫预混燃烧所带来的较高的火焰温度反而会促进NO_(x)的生成,同时,在较低的当量比下将会产生更多的CO。[结论]基于以上研究,获得了掺氢燃烧的关键数据,为掺氢燃烧技术路径的完成奠定了基础。

关键词：掺氢 NO_(x)排放预混燃烧当量比层流燃烧速度

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国内天然气分析测试标准掺氢适应性探讨

石油与天然气化工 2023年第3期52卷 103-106,117页

作者：张佩颖罗勤周理王宏莉中国石油西南油气田公司天然气研究院全国天然气标准化技术委员会秘书处

目的确认国内现行的天然气分析测试标准对掺氢天然气分析计算的适应性,以促进掺氢天然气标准化工作。方法通过对国内天然气分析测试标准进行分析,筛选出与掺氢天然气相关的标准共10项,研究了天然气组成分析标准和物性计算标准在掺氢条... 详细信息

目的确认国内现行的天然气分析测试标准对掺氢天然气分析计算的适应性,以促进掺氢天然气标准化工作。方法通过对国内天然气分析测试标准进行分析,筛选出与掺氢天然气相关的标准共10项,研究了天然气组成分析标准和物性计算标准在掺氢条件下的适应性。结果以GB/T 13610-2020《天然气的组成分析气相色谱法》为代表的天然气组成分析标准和以GB/T 17747.2-2011《天然气压缩因子的计算第2部分:用摩尔组成进行计算》为代表的物性计算标准规定的氢气摩尔分数最高为10%,在高含量氢气的条件下,相关标准需要修订;若管道掺氢后下游氢气不分离,天然气互换性及其标准化亟需研究。结论提出的标准制修订框架对今后掺氢标准化工作思路具有参考意义。

关键词：掺氢天然气长输管道分析测试标准化