加氫站氫氣準(zhǔn)確計(jì)量的探討

王一非 王友良

〔中國(guó)石化浙江嘉興石油分公司 浙江嘉興 314000〕

近年來(lái)國(guó)家先后出臺(tái)了支持氫能源發(fā)展的相關(guān)政策，加氫站發(fā)展非?？?，前景廣闊。但相關(guān)管理標(biāo)準(zhǔn)和制度相對(duì)滯后，特別是加氫站沒(méi)有對(duì)應(yīng)的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)和制度。目前國(guó)家相關(guān)規(guī)范主要有《GB50516—2010加氫站技術(shù)規(guī)范》[1]、《GB/T31138—2014汽車(chē)用壓縮氫氣加氣機(jī)》[2]等。由于規(guī)范涉及計(jì)量?jī)?nèi)容很少，加氫站都是按照各自標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)量和交接、每日和每月盤(pán)存計(jì)量時(shí)，經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生人為的大損大溢，從而掩蓋了真實(shí)的大損大溢。為了提高加氫站計(jì)量的準(zhǔn)確度，筆者依據(jù)上述兩個(gè)規(guī)范及工作實(shí)際，提出了氫氣準(zhǔn)確計(jì)量方法、計(jì)算公式和計(jì)算系數(shù)表，并結(jié)合具體的計(jì)算案例說(shuō)明了交接、盤(pán)存計(jì)量和損耗管理。經(jīng)過(guò)近半年的應(yīng)用，計(jì)量準(zhǔn)確，損耗正常，目前已在中國(guó)石化某石油分公司某加氫站實(shí)施。

1 氫氣計(jì)量

1.1 理想體積

氫氣的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)是20 ℃和1個(gè)大氣壓[1]。加氫站在采用長(zhǎng)管拖車(chē)運(yùn)輸氫氣時(shí)，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)和實(shí)際工作狀態(tài)下的理想氣體壓力、溫度和體積的關(guān)系為式(1)：

(1)

式中：Vm理為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下理想氣體的體積量，m3；

Vm工為工作狀態(tài)下理想氣體的體積量，m3；

t為工作狀態(tài)下的氣體溫度，℃；

P為工作狀態(tài)下的壓力，bar。

例1：2019年11月30日某加氫站3座儲(chǔ)罐水容積為15 m3，PLC柜上顯示3座儲(chǔ)罐溫度均為25 ℃，壓力100 bar，求標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氫氣的理想氣體體積是多少m3？

解： 根據(jù)理想氣體體積公式(1)：

答：氫氣的理想氣體體積是1455.56 m3。

1.2 壓縮因子Z

壓縮因子Z是理想氣體狀態(tài)方程用于實(shí)際氣體時(shí)必須考慮的一個(gè)校正因子，用以表示實(shí)際氣體受到壓縮后與理想氣體受到同樣的壓力壓縮后在體積上的偏差。壓縮因子Z有三種計(jì)算方法。

1.2.1 標(biāo)準(zhǔn)公式計(jì)算

壓縮因子Z被引用來(lái)修正理想氣體狀態(tài)方程:pV=nRT,pVm=RT

壓縮因子Z的計(jì)算公式為：

(2)

式中：p為理想氣體的壓強(qiáng)，Pa；

V為理想氣體的體積，m3；

n為氣體物質(zhì)的量，mol；

R為是氣體常量8.31441，J/(mol·K)；

T為表示理想氣體的熱力學(xué)溫度，K；

Vm為摩爾體積，L/mol；

Vm(real)為真實(shí)氣體的摩爾體積，L/mol。

當(dāng)實(shí)際氣體處于臨界點(diǎn)(臨界氣壓pc，臨界溫度Tc，臨界摩爾體積Vm，c)時(shí)，此時(shí)的壓縮因子稱(chēng)為臨界壓縮因子ZC。

例2：已知?dú)錃獾呐R界溫度Tc為-240.17 ℃、臨界壓力Pc為1.292 8 MPa、臨界密度ρc為0.031 4 kg/m3，求臨界壓縮因子Zc是多少？

解：由氫氣的摩爾質(zhì)量M=2.015 9 g/mol和臨界密度ρc=0.031 4 kg/ m3，

得臨界摩爾體積Vm,c=M/ρc=2.015 9/[1 000×0.031 4]=0.064 200 6 L/mol

Zc=1.292 8×0.064 200 6×1 000/

[8.314 41×(-240.17+273.15)]=0.302 68

答：臨界壓縮因子Zc是0.302 68。

例3：在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)101.325 kPa、 20 ℃下，氫氣的摩爾體積Vm為 22.414 1 L/mol，求氫氣的壓縮因子Z(臨界溫度、臨界壓力、臨界密度、臨界壓縮因子見(jiàn)例2)。

解：pr=p/pc=101.325/1 292.8=0.078 376

Vr=Vm/Vm,c=22.414 1/0.064 200 6=349.126 021

Tr=T/Tc=273.15/(-240.17+273.15)=8.282 29

根據(jù)公式(3):

Z=0.302 68×0.078 376×349.126 021/8.282 29=0.999 997=1.00000

答：氫氣的壓縮因子Z為1.000 00。

1.2.2 小程序計(jì)算

生產(chǎn)廠家為校正加氫計(jì)量設(shè)備的準(zhǔn)確性，需要?dú)錃獾膲嚎s因子Z值，而用公式計(jì)算工作量會(huì)非常大，一般會(huì)利用微信小程序中“物性O(shè)nline”功能輸入“溫度、壓力”等相關(guān)參數(shù)，便可得到不同狀態(tài)下氫氣的壓縮因子Z，這種方法取得的壓縮因子Z是準(zhǔn)確的(每次取值需支付費(fèi)用)。

1.2.3 常用參數(shù)計(jì)算

壓縮因子Z計(jì)算繁瑣, 一般加氫站不太用公式計(jì)算氫氣的壓縮因子Z，也不太用微信“物性O(shè)nline小程序”得到不同狀態(tài)下氫氣的壓縮因子Z，但上述兩種辦法得到的壓縮因子Z，可列成速算表(如表1氫氣壓縮因子Z速算表)，通過(guò)查表得到壓縮因子Z。

表1 氫氣壓縮因子Z速算表

另外一種辦法就是利用常用參數(shù)計(jì)算。在實(shí)際工作中，推導(dǎo)出壓縮因子Z常用公式，基本能準(zhǔn)確計(jì)算出氫氣的壓縮因子Z數(shù)值。其近似公式如下：

(4)

例4：求例1題中氫氣的壓縮因子Z。

解: 由溫度25 ℃和壓力100 bar查表1得壓縮因子Z=1.0638

另外一種計(jì)算方法，根據(jù)近似公式(4)

(25+273.15)=1.063 5

最后取較準(zhǔn)確的壓縮因子Z=1.063 8

答: 氫氣的壓縮因子Z為1.063 8。

1.3 實(shí)際體積

(5)

式中：Vm實(shí)為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的實(shí)際氣體體積，m3。

例5：求例1中3座氫氣儲(chǔ)罐實(shí)際體積量為多少？

解：根據(jù)實(shí)際體積公式(5)

3座氫氣儲(chǔ)罐實(shí)際氣體體積

Vm實(shí)=1 455.56÷1.063 8=1 368.26 m3

答：3座氫氣儲(chǔ)罐實(shí)際氣體的體積是1 368.26 m3。

1.4 密度

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程pV=(mRT/M)=nRT

用密度ρ表示該關(guān)系：pM=ρRT

ρ=pM/RT

(6)

式中：p為理想氣體的壓強(qiáng)，Pa；

V為理想氣體的體積，m3；

m為質(zhì)量，kg；

M為摩爾質(zhì)量，g/mol；

ρ為密度，kg/ m3；

n為氣體物質(zhì)的量，mol；

T為理想氣體的熱力學(xué)溫度，K；

R為氣體常量8.31441，J/(mol·K)。

例6：在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(20℃和1個(gè)大氣壓)下，氫氣的密度為多少kg/ m3？

解：氫氣的摩爾質(zhì)量為2.015 9 g/mol，

根據(jù)密度公式(6)ρ=pM/RT

ρ=(0.101 325×2.015 9×1 000)/(8.314 41×293.15)=204.261 07/2 437.369 29=0.083 8 kg/ m3

答：氫氣的密度為0.083 8 kg/ m3。

以上是在理想狀態(tài)情況下氫氣的密度計(jì)算公式。在不同溫度和壓力下，氫氣密度速算表詳見(jiàn)表2。

表2 氫氣密度速算表 (kg/m3)

1.5 質(zhì)量

氫氣儲(chǔ)罐的容量是指在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的容量。當(dāng)溫度和壓力發(fā)生變化，儲(chǔ)罐容量大小也會(huì)變化。但由于氫氣儲(chǔ)罐強(qiáng)度高，鋼板厚，故不考慮修正。氫氣質(zhì)量?jī)煞N計(jì)算方法:

第一種計(jì)算方法：氫氣轉(zhuǎn)換到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)后的質(zhì)量，其公式(7)：

M=ρ0×Vm實(shí)

(7)

式中：ρ0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氫氣的密度，kg/ m3。

第二種計(jì)算方法：實(shí)時(shí)狀態(tài)下的質(zhì)量，其公式(8)：

M=ρH2×V

(8)

式中：ρH2為實(shí)時(shí)狀態(tài)下氫氣的密度，kg/m3；

V為儲(chǔ)罐水容積，m3。

例7：求例1中3座氫氣儲(chǔ)罐的質(zhì)量為多少kg？

解：第一種計(jì)算方法(用公式7)：

根據(jù)例5中Vm真=1 368.26 m3和例6中密度ρ0=0.083 8 kg/m3

氫氣質(zhì)量M=ρ0×Vm真=0.083 8×

1 368.26=114.66 kg

第二種計(jì)算方法(用公式8)：

由溫度25 ℃和壓力100 bar，查表2得ρH2=7.6711 kg/m3

氫氣質(zhì)量M=ρH2×V=7.6711×15=115.07 kg

取第二種計(jì)算方法的結(jié)果作為氫氣的質(zhì)量，M=115.07 kg

(注：兩種方法計(jì)算結(jié)果有誤差，主要是氫氣的摩爾質(zhì)量、壓力和溫度保留的小數(shù)位數(shù)等原因引起的)

答：3座儲(chǔ)罐的氫氣質(zhì)量為115.07 kg。

2 交接計(jì)量

2.1 進(jìn)貨計(jì)量

一般氫氣的制造工廠以氫氣長(zhǎng)管拖車(chē)壓力和溫度變化來(lái)計(jì)算氫氣結(jié)算量。氫氣長(zhǎng)管拖車(chē)氫氣結(jié)算量主要影響因素是溫度和壓力，尤其是溫度。由于氫氣長(zhǎng)管長(zhǎng)，存在傳熱不均勻，或溫度計(jì)安裝位置不妥等因素，就有可能影響溫度值，從而導(dǎo)致結(jié)算量不準(zhǔn)。安裝卸氫柱的加氫站，則可用卸氣柱卸氫量進(jìn)行比對(duì)；如未安裝卸氫柱的加氫站，則應(yīng)通過(guò)復(fù)核結(jié)算量和每日計(jì)量來(lái)核對(duì)結(jié)算量是否準(zhǔn)確。

例8：某加氫站2019年11月21日滬G9747氫氣長(zhǎng)管拖車(chē)水容積為23.48 m3，進(jìn)站壓力為180 bar，進(jìn)站溫度為20 ℃，卸氣柱泵碼數(shù)為5119.74；離站壓力為79 bar，離站溫度為19 ℃，卸氣柱泵碼數(shù)為5289.48，問(wèn)結(jié)算量是多少kg？進(jìn)貨損耗多少kg？ 進(jìn)貨損耗率是多少？損耗是否正常？

解：1、卸氣前的質(zhì)量[用公式(1)、(5)和(7)]

(1)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下理想氣體體積

(2)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下實(shí)際氣體體積

由溫度20 ℃和壓力180 bar查表1壓縮因子速算得Z=1.105 9

(3)卸氣前的質(zhì)量

標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氫氣的密度為0.083 8 kg/ m3

M=ρ0×Vm實(shí)=0.083 8×3 771.708=316.069 kg

2、卸氣后的質(zhì)量[用公式(1)、(5)和(7)]

(4)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下理想氣體體積

(5)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下實(shí)際氣體體積

由溫度19 ℃和壓力79 bar查表1壓縮因子速算得Z′=1.053 5

(6)卸氣后的質(zhì)量

3、結(jié)算量Δm=316.069-146.117=169.95 kg

4、卸氣柱卸氣量Δm′=5 289.48-

5 119.74=169.74 kg

進(jìn)貨損耗量為Δm-Δm′=169.95-

169.74=0.21 kg

6、氫氣密度僅是天然氣密度的十分之一，直接影響計(jì)量器具準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，總量又較小，故進(jìn)貨損耗和損耗率控制在10 kg和5 %以內(nèi)是合理的。

答：結(jié)算量是169.95 kg，進(jìn)貨損耗0.21 kg， 進(jìn)貨損耗率是0.12 %，損耗正常。

2.2 零售計(jì)量

加氫機(jī)計(jì)量采用的是質(zhì)量流量計(jì)計(jì)量，其最小分度值為10 g。加氫機(jī)的最大示值誤差不超過(guò)±2.5 %，最大重復(fù)性誤差不超過(guò)1 %。加氫站的損耗主要由每天營(yíng)業(yè)結(jié)束后壓縮機(jī)停泵、儀表檢定和設(shè)備檢維修等正常放空引起的正常損耗，以及由設(shè)備質(zhì)量、不合理工藝和計(jì)量偏差等原因產(chǎn)生的非正常損耗。

結(jié)合氫氣特性，加氫站零售損耗率宜控制在±5 %內(nèi)。要將加氫站損耗控制在合理范圍內(nèi)，必須做好每日計(jì)量工作，及時(shí)掌握損溢動(dòng)態(tài)。若發(fā)現(xiàn)大損大溢，必須第一時(shí)間組織人員查明原因和采取措施。

例9：某加氫站，2019年11月21日滬G9747氫氣長(zhǎng)管拖車(chē)水容積為23.48 m3，進(jìn)站壓力為180 bar，進(jìn)站溫度為20 ℃，卸氣柱泵碼數(shù)為5119.74；離站壓力為79 bar，離站溫度為19 ℃，卸氣柱泵碼數(shù)為5289.48。11月21日3座儲(chǔ)氫罐PLC柜上顯示溫度和壓力早晚狀態(tài)一致(均為25 ℃和300 bar),早晨營(yíng)業(yè)前0013號(hào)加氫槍泵碼數(shù)為3 852.53，0015號(hào)加氫槍泵碼數(shù)為4 350.25；當(dāng)天晚上營(yíng)業(yè)結(jié)束0013號(hào)加氫槍泵碼數(shù)為3 940.67，0015號(hào)加氫槍泵碼數(shù)為4 431.51。請(qǐng)問(wèn)當(dāng)天零售損耗量是多少kg？零售損耗率是多少？損耗是否正常？

解:1、零售量=營(yíng)業(yè)結(jié)束加氫槍泵碼數(shù)-營(yíng)業(yè)前加氫槍泵碼數(shù)

=3 940.67+4 431.51-3 852.53-

4 350.25=169.40 kg

2、見(jiàn)例8當(dāng)天進(jìn)氣量為169.95 kg

3、營(yíng)業(yè)前后3座儲(chǔ)氫罐狀態(tài)一致，營(yíng)業(yè)前后實(shí)物庫(kù)存量相等

4、零售損耗量=營(yíng)業(yè)結(jié)束實(shí)物庫(kù)存量+進(jìn)氣量-零售量-營(yíng)業(yè)前實(shí)物庫(kù)存量

=169.95-169.40=0.55 kg

5、零售損耗量0.55 kg，主要是營(yíng)業(yè)結(jié)束后壓縮機(jī)停泵放空引起的；另外損耗率0.32 %小于5 %，零售損耗率正常

答：當(dāng)天零售損耗量是0.55 kg，零售損耗率是0.32 %，損耗正常。

3 盤(pán)存計(jì)量

做到日清月結(jié)，結(jié)合更換氫氣長(zhǎng)管拖車(chē)和交接班，每日計(jì)量一次，每月盤(pán)存和核銷(xiāo)一次。盤(pán)存計(jì)量時(shí)，在PLC控制柜上，摘抄各儲(chǔ)氫罐壓力和溫度值，現(xiàn)場(chǎng)摘抄卸氫柱走字?jǐn)?shù)和加氫機(jī)走字?jǐn)?shù)，通過(guò)公式或小程序計(jì)算儲(chǔ)氫罐庫(kù)存量。隨時(shí)掌握損溢動(dòng)態(tài)，發(fā)現(xiàn)有異常情況，第一時(shí)間查找損溢原因。

例10：2019年11月30日8點(diǎn)，某加氫站3座儲(chǔ)氫罐(水容積為15 m3)PLC柜上顯示溫度和壓力為25 ℃和100 bar,0013號(hào)加氫槍泵碼數(shù)為5 981.47，0015號(hào)加氫槍泵碼數(shù)為7 331.21，卸氫柱泵碼數(shù)為15 494.97；到12月31日8點(diǎn)某加氫站3座儲(chǔ)氫罐PLC柜上顯示溫度和壓力為25 ℃和300 bar,0013號(hào)加氫槍泵碼數(shù)為8 733.77，0015號(hào)加氫槍泵碼數(shù)為8 943.13，卸氫柱泵碼數(shù)為19 966.35；12月份加氫站共進(jìn)氫氣25車(chē)次，進(jìn)氣量為4 619.88 kg。請(qǐng)問(wèn)月初實(shí)物庫(kù)存量是多少kg？月末實(shí)物庫(kù)存量是多少kg？進(jìn)貨損耗量是多少kg？進(jìn)貨損耗率是多少kg？零售量是多少kg？零售損耗量是多少kg？零售損耗率是多少？損耗是否正常？

解：1、由溫度25 ℃和壓力100 bar查表1密度ρH2=7.671 1 kg/m3

月初實(shí)物庫(kù)存量M=ρH2×V=7.671 1×15=115.07 kg

2、由溫度25℃和壓力300 bar查表1得ρH2=20.537 kg/m3

月末實(shí)物庫(kù)存量M=ρH2×V=20.537×15=308.06 kg

3、實(shí)收量=月末卸氫柱泵碼數(shù)-月初卸氫柱泵碼數(shù)

=19 966.35-154 94.97=4 471.38 kg

進(jìn)貨損耗量=進(jìn)氣量一實(shí)收量=4 619.88-4 471.38=148.5 kg

5、零售量=月末加氫機(jī)泵碼數(shù)-月初加氫機(jī)泵碼數(shù)

=8 733.77+8 943.13-5 981.47-

7 331.21=4 364.22 kg

6、零售損耗量=月初實(shí)物庫(kù)存量+進(jìn)氣量-零售量-月末實(shí)物庫(kù)存量

=115.07+4 619.88-4 364.22-308.06=62.67 kg

8、零售損耗率1.44 %小于5 %，在正常合理范圍內(nèi)。

答：月初實(shí)物庫(kù)存量是115.07 kg，月末實(shí)物庫(kù)存量是308.06 kg，進(jìn)貨損耗量是148.5 kg，進(jìn)貨損耗率是3.21 %，零售量是4 364.22 kg，零售損耗量是62.67 kg，零售損耗率是1.44 %，損耗正常。

4 結(jié)束語(yǔ)

(1)筆者基于加氫站計(jì)量實(shí)際情況，提煉出加氫站氫氣計(jì)量的方法、計(jì)算公式與計(jì)算系數(shù)表，以及加氫站交接結(jié)算量、盤(pán)存計(jì)量和損耗管理，避免或減少大損大溢，具有實(shí)際指導(dǎo)意義。

(2)基于加氫站盤(pán)存計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)與制度相對(duì)滯后及準(zhǔn)確計(jì)算的復(fù)雜性，建議相關(guān)部門(mén)盡快研究并制定氫氣長(zhǎng)管拖車(chē)交接計(jì)量、盤(pán)存計(jì)量和損耗管理的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或企業(yè)制度，并開(kāi)發(fā)準(zhǔn)確計(jì)算的軟件，以規(guī)范加氫站交接、盤(pán)存計(jì)量和損耗管理，避免人為的大損大溢。