T/CI 588-2024 中低压纯氢掺氢燃气多源多用户管输数值模拟技术指南

ICS 75.060
CCS E 10 T
团体标准
T/CI 588—2024
中低压纯氢/掺氢燃气多源多用户管输数值模拟技术指南
Numerical simulation technical guide for multi-source and multi-user pipelinetransportation of pure hydrogen/hydrogen-blended natural gas under low and mediumpressures
2024 - 11 - 15 发布2024 - 11 - 15 实施
中国国际科技促进会 发布

目次
前言.................................................................................. II
引言................................................................................. III
1 范围................................................................................ 1
2 规范性引用文件...................................................................... 1
3 术语和定义.......................................................................... 1
4 总则................................................................................ 1
5 纯氢/掺氢燃气管输数值模拟过程....................................................... 2
5.1 纯氢/掺氢燃气管输物理模型的建立与计算初值的确定................................. 2
5.2 构建纯氢/掺氢燃气管输的数学模型................................................. 2
5.3 求解纯氢/掺氢燃气管输的数学模型................................................. 2
5.4 形成模拟结果报告................................................................ 2
6 纯氢/掺氢燃气管输问题的简化和计算区域确定........................................... 2
6.1 纯氢/掺氢燃气管输问题的简化..................................................... 2
6.2 纯氢/掺氢燃气管输问题计算区域确定............................................... 2
7 纯氢/掺氢燃气管输数学模型构建....................................................... 2
7.1 变量与参数定义.................................................................. 2
7.2 数学方程........................................................................ 3
7.3 边界条件........................................................................ 4
7.4 初始条件........................................................................ 5
7.5 数学方程参数计算公式............................................................ 6
8 纯氢/掺氢燃气管输数学模型求解....................................................... 6
9 纯氢/掺氢燃气管输模拟结果报告....................................................... 7
9.1 结果报告要求.................................................................... 7
9.2 文字说明........................................................................ 7
9.3 列表图形........................................................................ 7
附录A（资料性） 报告的参考格式........................................................8
参考文献............................................................................... 9
T/CI 588—2024
II
前言
本文件按照GB/T 1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定
起草。
请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。
本文件由中国国际科技促进会提出并归口。
本文件起草单位：北京石油化工学院、中国石油大学（华东）、中国科学院金属研究所、深圳市燃
气集团股份有限公司、长江大学、北京市燃气集团研究院、国家石油天然气管网集团有限公司科学技术
研究总院分公司新能源储运研究中心、中国石油天然气股份有限公司规划总院、昆仑数智科技有限责任
公司、福建技术师范学院、宁夏特种设备检验检测院、上海市特种设备监督检验技术研究院、北京青态
科技有限公司、深港天然气管道有限公司。
本文件主要起草人：宇波、李敬法、李玉星、王俭秋、徐彬、郑度奎、彭世垚、刘翠伟、明洪亮、
李璐伶、刘宗奇、王玉生、张伟、李敏、石国赟、徐维普、闫东雷、段鹏飞、王财林、柴冲、张一帆、
王念榕、王晓峰、谭海川、杨涛、方益涛、赵杰、李建立。
T/CI 588—2024
III
引言
我国天然气消费量呈逐年增长的态势，输送天然气的管网规模也在逐年增加。2020年，我国明确提
出2030年“碳达峰”与2060年“碳中和”目标。向天然气中掺混一定比例的氢气可以有效地减少天然气
的使用，有助于双碳目标的实现。氢气的性质与常规天然气组分性质差异较大，掺氢会对管道输运过程
中的水热力特性产生影响，而且为了管道输送安全以及掺氢天然气的使用安全，需要对氢组分进行追踪。
因此，有必要对纯氢/掺氢燃气在管道中的输运情况进行细致的仿真。
本文件从中低压纯氢/掺氢燃气多源多用户管输过程中流量、压力、温度及组分参数的数学方程、
方程参数和边界条件等方面，给出中低压纯氢/掺氢燃气多源多用户管输过程的连续性方程、动量方程、
能量方程、组分输运方程、相应的边界条件公式，以及相应的数值求解方法和流程，以引导、规范中低
压纯氢/掺氢燃气多源多用户管输过程的流量、压力、温度及组分等参数的计算机计算及报告编制。
T/CI 588—2024
1
中低压纯氢/掺氢燃气多源多用户管输数值模拟技术指南
1 范围
本文件提供了中低压纯氢/掺氢燃气多源多用户管输的总则、数值模拟过程、问题的简化和计算区
域的确定、数学模型构建、数学模型求解以及模拟结果报告的编制等方面的指导。
本文件适用于输送压力不超过4MPa的中低压纯氢/掺氢管道，包括纯氢/掺氢燃气多源多用户管输的
数值模拟、现有天然气管道掺氢后管输特性的研究，以及纯氢/掺氢管道运输的设计。其他组分掺入天
然气管道的数值模拟参考使用。
2 规范性引用文件
本文件没有规范性引用文件。
3 术语和定义
下列术语和定义适用于本文件。
3.1
数值模拟numerical simulation
采用有限差分法、有限体积法、有限单元法等数值求解方法，对特定的数学模型进行计算得到近似
的结果，以模拟实际的物理过程。
注：本文件指一种计算机研究方法，在计算机上运用自编程序、开源软件、商业软件实施。
3.2
计算区域computational domain
数值模拟中纯氢/掺氢燃气管道/管网空间区域。
3.3
计算变量calculation parameters
纯氢/掺氢燃气多源多用户管输数值模拟中待求解的独立的物理量。
3.4
掺氢燃气hydrogen-blended natural gas
将一定比例的氢气掺入天然气得到的气体燃料。
3.5
管网pipe network
进行纯氢/掺氢燃气管输数值模拟时，由管道元件、压缩机和阀门等非管道元件、气源以及各元件
之间的连接节点所组成的管道结构。
4 总则
纯氢/掺氢燃气管输过程数值模拟宜按照下列步骤进行：
a) 根据纯氢/掺氢燃气管输的具体问题建立纯氢/掺氢燃气管输物理模型；
b) 针对物理模型建立描述纯氢/掺氢燃气管输过程的包括动量、能量、质量和组分守恒数学模型
及描述摩阻随流量变化等的数学模型；
c) 根据计算区域进行网格划分并离散所构建的数学模型，获得离散方程组；
d) 对所获得的离散方程组进行数值求解，预测纯氢/掺氢燃气管输过程中流量、压力、温度、组
分等物理量的变化；
e) 将模拟结果通过报告呈现，对所研究的纯氢/掺氢燃气管输过程进行解释或说明，并对纯氢/
掺氢燃气管输工艺或控制过程进行指导等。
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2
5 纯氢/掺氢燃气管输数值模拟过程
5.1 纯氢/掺氢燃气管输物理模型的建立与计算初值的确定
根据纯氢/掺氢燃气管输的具体问题，在仔细分析其物理过程的基础上，舍弃次要因素，抓住主要
因素，通过合理的简化，确定物理模型及计算区域，并收集纯氢/掺氢燃气管输过程所需的操作参数及
计算区域的几何参数。
5.2 构建纯氢/掺氢燃气管输的数学模型
在纯氢/掺氢燃气管输物理模型的基础上，宜根据质量、动量、能量、组分守恒原理，采用一组数
学方程来刻画纯氢/掺氢燃气管输过程中流量（m）、压力（p）、温度（T）和氢气浓度（ c
i）等参数在
空间上的分布和随时间的变化。这组数学方程包括以下四个部分：
a) 数学方程：物理模型上质量、动量、能量以及氢气浓度在空间上的分布和随时间的变化的偏
微分方程组；
b) 边界条件：物理模型边界上的气源流量（m）、压力（p）、氢气掺入流量（
H2 m ）等参数随时
间变化关系式；
c) 初始条件：输送起始时刻物理模型上压力（
0 p ）和温度（
0 T ）等参数的分布数据；
d) 数学方程参数：基于与纯氢/掺氢燃气管输相关试验或已公开的文献，确定数学模型方程中的
参数计算公式，如掺氢天然气的摩阻（ ）、比定压热容（ p c ）等。
5.3 求解纯氢/掺氢燃气管输的数学模型
宜根据计算区域的几何形状，选择合适的网格划分方法，对计算区域进行网格划分。宜采用有限差
分法、有限体积法、有限单元法等数值方法离散纯氢/掺氢燃气管输的数学模型，得到离散方程组。可
在计算机上运用自编程序，求解纯氢/掺氢燃气管输数学模型的离散方程组，获得压力、流量等物理量
的数值计算结果。
5.4 形成模拟结果报告
对数值计算结果进行一系列加、减、乘、除、平均、积分等数学运算，得到研究或工程需要的数据，
可采用列表、作图和文字等形式呈现，形成模拟结果报告。
6 纯氢/掺氢燃气管输问题的简化和计算区域确定
6.1 纯氢/掺氢燃气管输问题的简化
根据纯氢/掺氢燃气管输的具体问题，抓住主要因素，舍弃次要因素，进行以下假设和简化：
a) 将纯氢/掺氢燃气管输过程简化为气体仅沿着管道轴线方向的一维流动问题；
b) 掺入氢气后，氢气立刻与天然气均匀混合；
c) 能量交换主要包括管道内部的对流换热以及气体与外界的换热，忽略管道内部气体的导热过
程；
d) 天然气组分已知，可通过状态方程求解得到气体物理性质。
6.2 纯氢/掺氢燃气管输问题计算区域确定
根据纯氢/掺氢燃气管输的具体问题，确定管道轴线为计算区域的尺寸，主要包括：
a) 确定管道的长度（l）、直径（d）、倾角（ ）几何参数；
b) 确定管道的连接关系等拓扑结构参数。
7 纯氢/掺氢燃气管输数学模型构建
7.1 变量与参数定义
7.1.1 计算变量
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3
计算变量为纯氢/掺氢燃气管输数值模拟过程中求解的物理量（见表1）。
表1 计算变量表
符号名称单位说明
m 质量流量kg/s 气体流量
p 压力Pa 气体压力
T 温度K 开尔文温度和摄氏度的关系：
K = °C+273.15
ci 摩尔分数% 组分i的含量与气体总量的比值
7.1.2 模型参数
模型参数为纯氢/掺氢燃气管输数值模拟过程中需要输入的参数，包括管道几何参数（见表2）、基
本参数（见表3）。
表2 管道几何参数
符号名称单位说明
l 管道长度m
d 管道内径m 管道几何参数
θ 管道倾角rad
表3 基本参数
符号名称单位说明
0 p 初始压力Pa 取管道实际压力或人为给出
0 T 初始温度K 取管道实际温度或人为给出
i0 c 初始浓度% 取管道实际浓度或人为给出
7.2 数学方程
7.2.1 概述
管道是管网中最为重要的元件，纯氢/掺氢燃气管输数值模拟即通过数值计算方法再现管道内纯氢/
掺氢燃气的流动状态。用来描述纯氢/掺氢燃气在管道内流动状态的控制方程称为管道的数学模型，主
要包含连续性方程、动量方程和能量方程，其中前两者又可称为水力方程，后者称为热力方程。同时给
出管道内部组分对流扩散方程以及水力摩阻系数的计算公式。根据气体组分的流动特征，给出气体组分
追踪的数学模型。
7.2.2 连续性方程
由质量守恒定律，可得到纯氢/掺氢燃气在管道内流动的连续性方程式（1）。
( A) ( wA) 0
t x
   
 
  ··················································(1)
式中：
ρ ——气体密度，单位为千克每立方米（kg/m3）；
A ——管道横截面面积，单位为平方米（m2）；
w ——气体流速，单位为米每秒（m/s）；
t ——时间，单位为秒（s）；
x ——空间，单位为米（m）。
7.2.3 动量方程
由动量守恒定律，可得到纯氢/掺氢燃气在管道内流动的动量方程式（2）。
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4
( ) ( 2 ) ( ) sin
2
Aw w A Ap Aw w g A
t x x d
   
 
  
    
   ··························· (1)
式中：
ρ——气体密度，单位为千克每立方米（kg/m3）；
A——管道横截面面积，单位为平方米（m2）；
w——气体流速，单位为米每秒（m/s）；
t ——时间，单位为秒（s）；
x ——空间，单位为米（m）；
p——压力，单位为帕斯卡（Pa）；
λ——水力摩阻系数，无量纲；
g——重力加速度，单位为米每二次方秒（m/s2）；
d——管道内径，单位为米（m）；
θ——管道倾角，单位为弧度（rad）。
7.2.4 能量方程
由能量守恒定律，可得到纯氢/掺氢燃气在管道内流动的能量方程式（3）。
2 2
[( ) ] [( ) ]
2 2
q w w Q e gs A h gs wA wA
t x x
  
  
      
   ························· (1)
式中：
t——时间，单位为秒（s）；
e——气体单位内能，单位为焦耳每千克（J/kg）；
w——气体流速，单位为米每秒（m/s）；
g——重力加速度，单位为米每二次方秒（m/s2）；
x——空间，单位为米（m）；
s——管道高程，单位为米（m）；
ρ——气体密度，单位为千克每立方米（kg/m3）；
A——管道横截面面积，单位为平方米（m2）；
h——气体单位焓，单位为焦耳每千克（J/kg）；
Qq
——单
位
质
量
的
气
体
的
热
损
失
，
单
位
为
焦
耳
每
千
克
（
J/kg）。
7.2.5 组分输运方程
由组分守恒定律，可得到纯氢/掺氢燃气在管道内流动的组分输运方程式（4）。
2
m 2
i i i c u c K c
t x x
  
 
   ·················································(1)
式中：
i c ——管道横截面气体平均浓度,%；
t——时间，单位为秒（s）；
m u ——气体平均流速，单位为米每秒（m/s）；
x——空间，单位为米（m）；
K——有效扩散系数，单位为平方米每秒（m2/s）。
7.3 边界条件
7.3.1 流动方程边界条件
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5
流动方程的边界条件分为两种，一种为外部边界条件，一般为气源处节点的流量或压力；另外一种
为内部边界条件，表达为内部连接节点上的流量平衡和压力平衡。据此，可得到流动方程的边界条件公
式（5）～公式（8）。
m  ms t  ························································(1)
s p  p ·························································· (2)
n out
in, out,
1 1
Ni N
i j
i j
m m
 
  ··················································· (3)
in,1 in,Nin out,1 out,Nout p  p  p  p ········································(4)
式中：
m ——气体质量流量，单位为千克每秒（kg/s）；
ms
——气源节点处质量流量，单位为千克每秒（kg/s）；
min,i
——第
i
个
与
节
点
相
连
接
且
气
体
流
进
节
点
的
元
件
气
体
质
量
流
量
，
单
位
为
千
克
每
秒
（
kg/s）；
mout,j
——第
j
个
与
节
点
相
连
接
且
气
体
流
出
节
点
的
元
件
气
体
质
量
流
量
，
单
位
为
千
克
每
秒
（
kg/s）；
Nin——与
节
点
相
连
接
且
气
体
流
入
节
点
的
元
件
个
数
；
Nout——与
节
点
相
连
接
且
气
体
流
出
节
点
的
元
件
个
数
；
pin,1
——与
节
点
相
连
接
的
第
1
个
元
件
进
口
压
力
，
单
位
为
帕
斯
卡
（
Pa）；
pin,Nin——与
节
点
相
连
接
的
第
Nin个
元
件
进
口
压
力
，
单
位
为
帕
斯
卡
（
Pa）；
pout,1
——与
节
点
相
连
接
的
第
1
个
元
件
出
口
压
力
，
单
位
为
帕
斯
卡
（
Pa）；
pout,Nout——与
节
点
相
连
接
的
第
Nout个
元
件
出
口
压
力
，
单
位
为
帕
斯
卡
（
Pa）。
7.3.2 能量方程边界条件
能量方程的边界条件分为两种，一种为外部边界条件，一般为气源处节点的温度；另外一种为内部
边界条件，表达为内部连接节点上的能量平衡，即元件出口处的温度处处相等。据此，可得到能量方程
的边界条件公式（9）。
in out
out,1 out, out in, out,
1 1
N N
N p i p j
i j
T T c mT c m
 
   ·································· (1)
式中：
Tout,1
——与
节
点
相
连
接
的
第
1
个
元
件
的
出
口
气
体
温
度
，
单
位
为
卡
尔
文
（
K）；
Tout,Nout——与
节
点
相
连
接
的
第
Nout个
元
件
的
出
口
气
体
温
度
，
单
位
为
卡
尔
文
（
K）；
cp——气体比定压热容，单位为焦耳每千克开尔文[J/(kg·K)]；
m——气体质量流量，单位为千克每秒（kg/s）；
Nin——与
节
点
相
连
接
且
气
体
流
入
节
点
的
元
件
个
数
；
Nout——与
节
点
相
连
接
且
气
体
流
出
节
点
的
元
件
个
数
。
7.3.3 组分输运方程边界条件
组分输运方程的边界条件分为两种，一种为外部边界条件，一般为气源处某种组分的浓度；另外一
种为内部边界条件，表达为内部连接节点上的组分平衡。据此，可得到组分输运方程边界条件公式（10）。
    in out
in, out,
1 1
N N
i j
i j
c k c k
 
 
··············································· (1)
式中：
Nin——与节点相连接且气流流入节点的元件个数；
c(k)in,i——与节点相连接气体流入节点的第i个元件的组分k的浓度；
Nout——与节点相连接且气流流出节点的元件个数；
c(k)out,j——与节点相连接气体流出节点的第j个元件的组分k的浓度。
7.4 初始条件
T/CI 588—2024
6
7.4.1 流动方程初始条件
根据待模拟的实际问题而定。
7.4.2 能量方程初始条件
根据待模拟的实际问题而定。
7.4.3 组分输运方程初始条件
根据待模拟的实际问题而定。
7.5 数学方程参数计算公式
7.5.1 水力摩阻计算公式
雷诺数计算见公式(11)，层流区（Re < 2000）计算见公式(12)，临界区或临界过渡区（2000 < Re
< 4000）计算见公式(13)，紊流区（Re > 4000）计算见公式(14)。
Re wd 


························································(1)
64
Re
  ··························································(2)
  0.00253 Re ·····················································(3)
1 2lg( 2.51 )
3.7
e K
 d Re 
   ············································· (4)
式中：
Re——雷诺数；
ρ ——气体密度，单位为千克每立方米（kg/m3）；
w ——气体流速，单位为米每秒（m/s）；
d ——管道内径，单位为米（m）；
μ ——气体动力粘度，单位为帕秒（Pa·s）；
λ ——水力摩阻系数，无量纲；
Ke ——管道内部的当量粗糙度，单位为米（m）。
7.5.2 有效扩散系数计算公式
K宜根据流动所处的流态进行具体计算。
7.5.3 气体状态方程的选取
在计算纯氢/掺氢燃气物性参数时，宜根据掺氢比的范围选用合适的气体状态方程，包括RK
（Redlich-Kwong） 方程、PR(Peng-Robinson)方程、BWRS(Benedict-Webb-Rubin-Starling)方程、
AGA8-92DC方程、GERG-2008方程、NIST(National Institute of Standards and Technology)的经验公
式等。
8 纯氢/掺氢燃气管输数学模型求解
8.1 建立数学模型后，在计算机上可运用自编程序，采用有限差分法、有限体积法、有限单元法等数
值求解方法，进行求解计算。
8.2 关键求解步骤宜包括：
a) 计算区域的离散；
b) 控制方程和边界条件的离散；
c) 离散方程的求解。
T/CI 588—2024
7
8.3 数值模拟结果宜不受计算区域离散方式、网格大小和所采用的代数方程组求解方法的影响，不同
计算区域离散方式、网格大小和所采用代数方程组求解方法组合所计算出的结果，相对偏差宜小于某一
值（一般取3%）。还可采用实际管网采集的数据对计算结果进行对比。
9 纯氢/掺氢燃气管输模拟结果报告
9.1 结果报告编制规则
对纯氢/掺氢燃气管输问题的数值计算结果进行相应数学运算或处理，得到研究或工程需要的数据，
可采用列表、作图等形式呈现，形成结果报告。结果报告中还宜有对所研究的纯氢/掺氢燃气管输过程
的解释或说明，以及对纯氢/掺氢燃气管输工艺或控制过程的评价或指导等内容，这些内容具有重要的
工程意义及未来前瞻性指导价值。结果报告格式包括但不限于附录A所提供参考格式。
9.2 文字说明
文字报告宜包括：对所研究纯氢/掺氢燃气管输工程问题的说明、物理模型建立的说明、数学模型
的说明、求解方法的说明，对研究或工程需要的数据、列表或图形的解释，对纯氢/掺氢燃气管输工艺
和控制过程的评价及指导作用的说明。
9.3 列表图形
报告中宜包含管道沿线气体流量(m)、压力(p)、温度(T)与组分（ i c ）随空间分布的列表和图形；
管道某点气体流量(m)、压力(p)、温度(T)与组分( i c )随时间发展的列表和图形等；管道沿线流量(m)、
压力(p)、温度(T)与组分（ i c ）的时空云图或等值线图等；气源不同流量、压力、温度和组分条件下管
道某点气体流量(m)、压力(p)、温度(T)与组分( i c )随时间发展的列表和图形等。相关图表可增加文字
说明。
T/CI 588—2024
8
A
A
附录A
（资料性）
报告的参考格式
报告的参考格式见图A.1。
中低压纯氢/掺氢燃气管输数值模拟研究报告
作者：
单位：
报告简介：（此处对中低压纯氢/掺氢燃气管输数值模拟研究报告进行简介）
一、工程背景
（此处对所研究的中低压纯氢/掺氢燃气管输工程问题进行详细介绍）
二、物理模型
（此处对中低压纯氢/掺氢燃气管输数值模拟的物理模型进行详细介绍，包括但不限于物理过程
简化及计算区域确定、操作参数及几何参数收集）
三、数学模型
（此处对中低压纯氢/掺氢燃气管输数值模拟的数学模型进行详细介绍，包括但不限于变量与参
数定义、流动方程、能量方程、组分方程、边界条件和初始条件等）
四、模型求解
（此处对中低压纯氢/掺氢燃气管输数值模拟的模型求解方法进行详细介绍，包括但不限于计算
区域、控制方程、边界条件的离散过程以及离散方程的求解方法等）
五、管输工艺分析
（此处详细分析管输过程中气体流量、压力、温度和氢气浓度等参数随空间、时间的变化过程，
以及对于天然气管道掺入氢气后对上述过程的影响规律，提出合适的掺氢比例、合理的运行方案等，
以及根据以上结果来优化管道输送方案等）
图A.1 中低压纯氢/掺氢燃气管输数值模拟研究报告参考格式
T/CI 588—2024
9
参考文献
[1] 李敬法，宇波，李玉星，万忠民，杨光. 纯氢及掺氢天然气输送技术与管理[M].北京：中国石
化出版社，2024.
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