靜態(tài)質(zhì)量法液氫流量標(biāo)準(zhǔn)裝置研究1)

王佳香 凃程旭 包福兵 ,2) 陳維杰 卓銀杰 李 想 許好好 吳舒琴 熊茂濤

*(中國(guó)計(jì)量大學(xué)計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院，杭州 310018)

?(浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，杭州 310018)

**(中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院，成都 610000)

2020年，中國(guó)國(guó)家主席習(xí)近平在第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)期間提出，中國(guó)二氧化碳排放力爭(zhēng)在2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取在2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和[1]。實(shí)現(xiàn)這一戰(zhàn)略目標(biāo)的關(guān)鍵點(diǎn)在于減少化石燃料的消耗以及提高可再生能源的份額[2-3]。氫作為零碳、清潔、高效的能源載體，在實(shí)現(xiàn)“雙碳戰(zhàn)略”進(jìn)程中被寄予厚望[4]。此外，氫能技術(shù)可以更經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)電能或熱能的長(zhǎng)周期、大規(guī)模存儲(chǔ)，解決棄風(fēng)、棄光、棄水問題，是滿足未來(lái)生態(tài)可再生能源需求的關(guān)鍵方案[5]。氫能源主產(chǎn)業(yè)鏈包括上游氫制備、中游氫儲(chǔ)運(yùn)、下游加氫站及氫能源燃料電池應(yīng)用等多個(gè)環(huán)節(jié)，如圖1所示。隨著氫能產(chǎn)業(yè)的國(guó)家布局和迅速發(fā)展，氫儲(chǔ)運(yùn)和各種貿(mào)易交接環(huán)節(jié)都需要精確的流量計(jì)量。然而目前氫能產(chǎn)業(yè)的研究主要集中在制氫、儲(chǔ)氫、技術(shù)輸氫等氫能裝備的產(chǎn)品研制以及燃料電池等方面，而對(duì)氫產(chǎn)品流量測(cè)量及其標(biāo)準(zhǔn)裝置等方面的關(guān)注較少，尤其缺乏成熟的液氫流量計(jì)量和標(biāo)定裝置[6]。到目前為止，國(guó)內(nèi)外可以直接用于測(cè)量深冷液氫的流量計(jì)屈指可數(shù)[7-8]，完善的氫流量計(jì)量體系和規(guī)模化的氫流量計(jì)量產(chǎn)業(yè)仍亟待發(fā)展，以滿足氫能產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略發(fā)展需要。

圖1 氫能產(chǎn)業(yè)鏈概貌Fig.1 Overview of the hydrogen energy industry chain

1 低溫流量標(biāo)準(zhǔn)裝置發(fā)展現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)外研究者大多致力于常溫流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的研究[9-14]，而對(duì)低溫流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的研究比較匱乏。液氫流量標(biāo)準(zhǔn)裝置是檢定和校準(zhǔn)液氫流量計(jì)的核心裝備，是液氫流量溯源鏈上的關(guān)鍵一環(huán)。從安全性和技術(shù)可操作性方面考慮，常采用常溫流體或者液氮等低溫流體對(duì)液氫流量計(jì)進(jìn)行檢定，但其測(cè)量結(jié)果存在不可忽略的誤差。例如采用水對(duì)渦輪流量計(jì)進(jìn)行標(biāo)定，如圖2所示，在較大流量時(shí)，其結(jié)果與直接用液氫標(biāo)定的精度可以保持在1.5%以內(nèi)[15]，但是在小流量時(shí)，液氫的低黏度和低密度效應(yīng)直接導(dǎo)致葉輪軸承的摩擦力占據(jù)主導(dǎo)，造成流量系數(shù)的迅速下降和測(cè)量結(jié)果誤差的偏大[16]。流量計(jì)葉片處易產(chǎn)生空化導(dǎo)致測(cè)量發(fā)生漂移現(xiàn)象[17]。另外，使用時(shí)需進(jìn)行管路吹掃和預(yù)冷操作，以防不凝氣體凝結(jié)導(dǎo)致葉輪凍住，降低流量計(jì)精度及使用壽命[18]。Serio[19]在液氦質(zhì)量流量計(jì)的檢定過程中也發(fā)現(xiàn)，盡管標(biāo)定的價(jià)格昂貴，但是在條件允許的情況下實(shí)流檢定是非常必要的。圖2給出了分別用液氫和水對(duì)流量計(jì)進(jìn)行檢定時(shí)，渦輪流量計(jì)校準(zhǔn)系數(shù)隨流量的變化，結(jié)果表明兩者的校準(zhǔn)系數(shù)C大小及其達(dá)到穩(wěn)定的（接近最大流量C值）流量范圍存在明顯差異。盡管如此，公開的技術(shù)文獻(xiàn)中直接采用液氫進(jìn)行實(shí)流檢定的流量標(biāo)準(zhǔn)裝置屈指可數(shù)。

圖2 用液氫和水校準(zhǔn)時(shí)渦輪流量計(jì)校準(zhǔn)系數(shù)C的變化[16]Fig.2 Variation of turbine flowmeter calibration coefficient C when calibrating with liquid hydrogen and water[16]

20 世紀(jì)60年代，美國(guó)航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)因?yàn)椤鞍⒉_”登月計(jì)劃中檢定火箭推進(jìn)劑流量計(jì)的需要，研制了一套液氫流量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置，如圖3[20]所示，也是迄今為止有據(jù)可查最早完成液氫實(shí)流檢定的流量標(biāo)準(zhǔn)裝置。其液氫罐由低導(dǎo)電性支架支撐[21]，并用鋁箔進(jìn)行包裹，以減少輻射傳熱。該裝置采用標(biāo)準(zhǔn)容積法，讓液氫在兩個(gè)同軸容器之間循環(huán)，中間通過被檢流量計(jì)。通過精確測(cè)量容器內(nèi)液位變化和溫度來(lái)確定供應(yīng)罐中的質(zhì)量變化率，結(jié)合密度和溫度等參數(shù)修正，并與被檢流量計(jì)進(jìn)行比較，確定被檢流量計(jì)的精度。除此之外，液氫流量實(shí)流檢定的標(biāo)準(zhǔn)裝置至今未見公開報(bào)道，大多以水、液氮和液氦等作為替代工質(zhì)。

圖3 NASA研制的液氫流量檢定標(biāo)準(zhǔn)裝置[20]Fig.3 Liquid hydrogen flow verification standard device developed by NASA[20]

液化天然氣(liquefied natural gas, LNG)溫度比液氫高約95℃，是目前應(yīng)用最為廣泛、商業(yè)化程度最高的低溫能源，但其對(duì)觸液材料冷脆、密封與絕熱方面的要求相比液氫容易實(shí)現(xiàn)。即便如此，全球范圍內(nèi)真正具有LNG流量檢定能力的只有美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(National Institute of Standards and Technology, NIST)和荷蘭國(guó)家計(jì)量院(Van Swinden Laboratory,VSL)，而國(guó)內(nèi)LNG檢定系統(tǒng)仍處于研究探索階段。為了符合安全性要求，NIST以液氮為試驗(yàn)介質(zhì)，采用動(dòng)態(tài)替代稱重法對(duì)LNG流量計(jì)進(jìn)行流量標(biāo)定。該裝置主要由液氮儲(chǔ)罐、稱重罐、電子天平、熱交換器、增壓泵等組成，實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。

圖4 美國(guó)NIST的液氮流量檢定標(biāo)準(zhǔn)裝置[22]Fig.4 Liquid nitrogen flow verification standard device of NIST in the United States[22]

隨著LNG的廣泛應(yīng)用，我國(guó)的科研人員也對(duì)LNG的計(jì)量檢測(cè)進(jìn)行了充分的研究[22-26]。中國(guó)測(cè)試研究院(National Institute of Measurement and Testing Technology, NIMTT)開展了LNG加氣機(jī)計(jì)量檢測(cè)方面的初步研究工作。基于低溫液體質(zhì)量法研制了一套計(jì)量準(zhǔn)確度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便的LNG加氣機(jī)檢定裝置，擴(kuò)展不確定度為 0.17% (k= 2)[27]。裝置主要由加液管路、回氣管路、放空管路和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)四部分組成。檢定裝置現(xiàn)場(chǎng)試運(yùn)行情況表明：其性能比較穩(wěn)定，既可用于LNG加氣機(jī)整機(jī)和液相流量計(jì)的單獨(dú)檢定，又可對(duì)相同規(guī)格的LNG流量計(jì)進(jìn)行檢定。最近，南京艾默生過程控制有限公司建立了深冷流量測(cè)試站，能有效地測(cè)量78 K的液氮流量，已取得荷蘭國(guó)家計(jì)量院的計(jì)量器具許可認(rèn)證。南京艾默生的深冷流量測(cè)試站建立了兩套深冷檢定系統(tǒng)，分別采用質(zhì)量法和標(biāo)準(zhǔn)表法。質(zhì)量法不確定度為0.11% (k= 2)，標(biāo)準(zhǔn)表法流量范圍為45～120 kg/min，標(biāo)準(zhǔn)表法不確定度為0.16%(k= 2)。表1匯總比較了國(guó)內(nèi)外各種機(jī)構(gòu)的低溫流體流量檢定裝置。

表1 國(guó)內(nèi)外各機(jī)構(gòu)低溫流體流量檢定裝置Table 1 Low temperature flow verification device of various institutions at home and abroad

2 靜態(tài)質(zhì)量法液氫流量標(biāo)準(zhǔn)裝置研究

作為構(gòu)建液氫流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的前期探索，本文設(shè)計(jì)的液氫流量標(biāo)準(zhǔn)裝置采用靜態(tài)質(zhì)量法，以供應(yīng)儲(chǔ)罐–回收儲(chǔ)罐為主體形式，裝置原理如圖5所示。在此基礎(chǔ)上充分利用雙儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)和質(zhì)量法結(jié)構(gòu)的相似性，增加一套稱重器即可構(gòu)建儲(chǔ)罐–稱重器雙子系統(tǒng)，兩套儲(chǔ)罐–稱重子系統(tǒng)的供應(yīng)/回收可以自由切換。該雙系統(tǒng)結(jié)構(gòu)都配以高精度的稱重器，以同時(shí)監(jiān)測(cè)校準(zhǔn)過程中供應(yīng)子系統(tǒng)的質(zhì)量衰減和回收子系統(tǒng)的質(zhì)量增加，獲取更多維度的儲(chǔ)罐質(zhì)量變化信息。對(duì)比分析靜態(tài)和動(dòng)態(tài)質(zhì)量稱重結(jié)果的關(guān)聯(lián)與差異性，為建立靜態(tài)和動(dòng)態(tài)質(zhì)量稱重智能補(bǔ)償算法和高精度附加管容修正算法提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支撐。其中，動(dòng)態(tài)質(zhì)量稱重時(shí)，管道與罐體不脫開，具有快速、方便、測(cè)量時(shí)間短等優(yōu)勢(shì)[28]。盡管如此，罐體受到連接管路的干擾而影響稱重測(cè)量結(jié)果。采用靜態(tài)質(zhì)量法稱重時(shí)，管路系統(tǒng)與儲(chǔ)罐完全脫離，因此可以達(dá)到更高的精確度。基于此，本設(shè)計(jì)同時(shí)包含靜態(tài)稱重法（儲(chǔ)罐B和稱重單元B）和動(dòng)態(tài)稱重法（儲(chǔ)罐A和稱重單元A）兩個(gè)測(cè)量子系統(tǒng)，擬定靜態(tài)質(zhì)量法作為原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，動(dòng)態(tài)質(zhì)量法的子系統(tǒng)主要作為前沿計(jì)量技術(shù)研究和后續(xù)工作標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 裝置原理示意圖Fig.5 Device schematic diagram

本裝置主要包括氮?dú)庠?、氦氣源、?chǔ)罐A、稱重單元A、氣液分離器、液氫泵組、標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)、被檢流量計(jì)、真空冷箱、換向執(zhí)行器、加氫槍、儲(chǔ)罐B、升溫管、稀釋罐、特排管道和配套管路，其中換向執(zhí)行器由兩個(gè)截止閥構(gòu)成，液氫流量標(biāo)準(zhǔn)裝置3D示意圖如圖6所示。儲(chǔ)罐的真空層和罐體內(nèi)部都配有溫度計(jì)和壓力計(jì)進(jìn)行實(shí)時(shí)安全監(jiān)測(cè)，并都配有安全閥來(lái)確保絕熱失效等緊急情況下的系統(tǒng)安全。檢定液氫流量計(jì)之前，換向執(zhí)行器切換到旁通管路位置，確定儲(chǔ)罐B的初始質(zhì)量mB0，系統(tǒng)處于自循環(huán)狀態(tài)，即液氫泵驅(qū)動(dòng)儲(chǔ)罐A內(nèi)液氫經(jīng)氣液分離器、被檢流量計(jì)、換向執(zhí)行器，由旁通管路返回至儲(chǔ)罐A內(nèi)。待檢測(cè)流量穩(wěn)定后，啟動(dòng)換向執(zhí)行器，將液氫從旁通管路切換到儲(chǔ)罐B。換向執(zhí)行器動(dòng)作的同時(shí)，啟動(dòng)計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)和被檢流量計(jì)的脈沖計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。當(dāng)達(dá)到預(yù)定液氫量或時(shí)間，將換向執(zhí)行器換回到旁通管路，斷開與儲(chǔ)罐B的連接管路，待儲(chǔ)罐B的液位穩(wěn)定后，確定儲(chǔ)罐B的總質(zhì)量mB1和計(jì)時(shí)器顯示時(shí)間t。換向執(zhí)行器在執(zhí)行換向時(shí)所受到的壓差不同，導(dǎo)致兩個(gè)截止閥開關(guān)行程時(shí)間不一致，影響裝置的實(shí)際測(cè)試時(shí)間，將該時(shí)間差稱為換向執(zhí)行器時(shí)間差。用換向執(zhí)行器時(shí)間差對(duì)計(jì)時(shí)器測(cè)量的時(shí)間進(jìn)行修正，獲得裝置實(shí)際測(cè)試時(shí)間[29]。

圖6 液氫流量標(biāo)準(zhǔn)裝置3D示意圖Fig.6 Schematic diagram of the liquid hydrogen flow standard device

本文靜態(tài)質(zhì)量法液氫流量標(biāo)準(zhǔn)裝置主要有以下設(shè)計(jì)參數(shù)：工作流體溫度為–250℃～–240℃，工作壓力為0.25～0.5 MPa，管道直徑為DN30～DN50，最大質(zhì)量流量為100 kg/h，擴(kuò)展不確定度為0.25% (k= 2)。液氫是超低溫度流體，在裝置內(nèi)極容易發(fā)生相變而轉(zhuǎn)化為氣液兩相流，從而影響裝置的測(cè)量不確定度。為此，本方案在液氫泵前增設(shè)制冷機(jī)，確保液氫泵前的液氫為過冷態(tài)、液氫泵后的液氫為全液狀態(tài)。同時(shí)控制儲(chǔ)罐A與儲(chǔ)罐B之間壓差在9.8 kN以內(nèi)，避免液氫泵做功過大而產(chǎn)生多余的熱量。液氫流量標(biāo)準(zhǔn)裝置工作流程主要包括功能性測(cè)試、吹掃、預(yù)冷、檢定、復(fù)位和排空，工作運(yùn)行流程如圖7所示。

圖7 液氫流量標(biāo)準(zhǔn)裝置總體流程Fig.7 Overall flow of the liquid hydrogen flow standard device

（1）功能性測(cè)試主要包含保壓測(cè)試和密封測(cè)試，確保裝置處于正常運(yùn)行狀態(tài)。

（2）吹掃階段采用氦氣對(duì)裝置進(jìn)行吹掃。向裝置內(nèi)通入氦氣吹掃裝置內(nèi)殘留的雜質(zhì)，防止氧氣殘留所引發(fā)的安全問題。在使用氦氣吹掃裝置前，使用真空泵抽取裝置內(nèi)殘余空氣，降低裝置內(nèi)氧氣含量。系統(tǒng)抽真空后，使整個(gè)裝置內(nèi)處于負(fù)壓狀態(tài)，加速氮?dú)獯祾摺?/p>

（3）預(yù)冷階段采用液氫梯度預(yù)冷，由液氫氣化預(yù)冷和液氫預(yù)冷兩部分組成。儲(chǔ)罐A內(nèi)通入少量液氫并由儲(chǔ)罐的自增壓裝置使液氫氣化得到冷氫氣，由氣化得到的冷氫氣吹掃系統(tǒng)管路，使裝置初步預(yù)冷至50 K。冷氫氣預(yù)冷結(jié)束經(jīng)升溫管加熱，在稀釋罐中由氮?dú)庀♂屩恋陀诒舛认孪蓿w積分?jǐn)?shù)4%）后由特排管道排出。由檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)氣體雜質(zhì)中氫氣濃度，判斷是否達(dá)到排放要求。系統(tǒng)預(yù)冷至50 K后，向儲(chǔ)罐A內(nèi)通入約70%容積的液氫，啟動(dòng)液氫泵驅(qū)動(dòng)液氫在裝置內(nèi)循環(huán)，液氫循環(huán)預(yù)冷裝置至20 K。

（4）檢定階段分為檢測(cè)準(zhǔn)備、檢測(cè)、檢測(cè)結(jié)束。調(diào)節(jié)液氫泵或調(diào)節(jié)閥控制檢測(cè)流量大小，斷開與儲(chǔ)罐B連接的加氫槍，記錄儲(chǔ)罐B的初始質(zhì)量mB0，連接加氫槍與儲(chǔ)罐B。待液氫自循環(huán)流動(dòng)狀態(tài)穩(wěn)定，換向執(zhí)行器執(zhí)行換向，此時(shí)記錄儲(chǔ)罐A的初始質(zhì)量mA0和稱重初始時(shí)間點(diǎn)t0，儲(chǔ)罐A內(nèi)液氫經(jīng)被檢流量計(jì)流入至儲(chǔ)罐B內(nèi)。檢測(cè)時(shí)間完成后，換向執(zhí)行器再次執(zhí)行換向，記錄稱重截止時(shí)間點(diǎn)t1和儲(chǔ)罐A終止質(zhì)量mA1。再次脫開加氫槍，儲(chǔ)罐B靜態(tài)質(zhì)量稱重為mB1。則A罐動(dòng)態(tài)質(zhì)量流量QA和B罐靜態(tài)質(zhì)量流量QB為

式中QA表示儲(chǔ)罐A動(dòng)態(tài)質(zhì)量流量，kg/h；mA0和mA1分別表示儲(chǔ)罐A的初始質(zhì)量和終止質(zhì)量，kg；QB表示儲(chǔ)罐B靜態(tài)質(zhì)量流量，kg/h；mB0和mB1分別表示儲(chǔ)罐B的初始質(zhì)量和終止質(zhì)量，kg；t0和t1分別表示稱重的初始時(shí)間點(diǎn)和截止時(shí)間點(diǎn)，h。

（5）系統(tǒng)檢測(cè)試驗(yàn)完畢后，短期內(nèi)再次使用液氫流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，則系統(tǒng)執(zhí)行復(fù)位。依靠?jī)?chǔ)罐B自增壓裝置將B罐內(nèi)液氫重新返回至A罐，裝置內(nèi)液氫處于低壓存儲(chǔ)。

（6）如裝置長(zhǎng)期靜置，則需要對(duì)裝置內(nèi)液氫進(jìn)行排空。依靠自增壓裝置使儲(chǔ)罐內(nèi)液氫氣化，依次排空儲(chǔ)罐A、儲(chǔ)罐B及管路。為防止液氫殘留在裝置內(nèi)，排空完成后對(duì)裝置進(jìn)行氮?dú)獯祾撸詈蟮獨(dú)夥獯妗?/p>

3 總結(jié)

綜上，低溫液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的國(guó)內(nèi)外研究迄今還處于探索期，國(guó)外只有極少數(shù)的專用低溫流量標(biāo)準(zhǔn)裝置在頂尖航空航天和計(jì)量研究機(jī)構(gòu)中投入使用，國(guó)內(nèi)尚沒有液氫標(biāo)定裝置和標(biāo)準(zhǔn)。而基于熱物性相似，采用液氮和液氦等低溫流體替代液氫和LNG，可規(guī)避液氫和LNG實(shí)流試驗(yàn)帶來(lái)的極端安全問題，同時(shí)較大程度復(fù)現(xiàn)液氫深低溫、超低密度和黏度的工質(zhì)特性，因此被廣泛采用。盡管如此，在低流量區(qū)或速度式流量計(jì)，非液氫的實(shí)流檢定仍然會(huì)帶來(lái)不可忽視的誤差。為構(gòu)建液氫流量標(biāo)準(zhǔn)裝置奠定技術(shù)基礎(chǔ)，考慮到質(zhì)量法的不確定度最低也最為穩(wěn)定，本文對(duì)靜態(tài)質(zhì)量法液氫流量標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行研究。相比于國(guó)內(nèi)外已有的低溫流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，本系統(tǒng)采用的換向執(zhí)行器切換實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)罐B的精準(zhǔn)定時(shí)加注，利用加氫槍的快速插拔實(shí)現(xiàn)與主體管路快速脫離或連通，滿足對(duì)儲(chǔ)罐B的靜態(tài)質(zhì)量稱重。最后，基于B罐在不同流量點(diǎn)下測(cè)得的質(zhì)量差和對(duì)應(yīng)的計(jì)時(shí)時(shí)長(zhǎng)，獲取標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量流量，從而對(duì)被檢流量計(jì)進(jìn)行檢定校準(zhǔn)，并利用工藝流程推演驗(yàn)證了方案的可行性。本設(shè)計(jì)擬定靜態(tài)質(zhì)量法作為原級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，動(dòng)態(tài)質(zhì)量法作為前沿計(jì)量技術(shù)研究，為完善液氫流量計(jì)量體系提供理論參考。