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

*(中國計量大學(xué)計量測試工程學(xué)院，杭州 310018)

?(浙江浙能技術(shù)研究院有限公司，杭州 310018)

**(中國測試技術(shù)研究院，成都 610000)

2020年，中國國家主席習(xí)近平在第75屆聯(lián)合國大會期間提出，中國二氧化碳排放力爭在2030年前達到峰值，努力爭取在2060年前實現(xiàn)碳中和[1]。實現(xiàn)這一戰(zhàn)略目標的關(guān)鍵點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，在實現(xiàn)“雙碳戰(zhàn)略”進程中被寄予厚望[4]。此外，氫能技術(shù)可以更經(jīng)濟地實現(xiàn)電能或熱能的長周期、大規(guī)模存儲，解決棄風(fēng)、棄光、棄水問題，是滿足未來生態(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、中游氫儲運、下游加氫站及氫能源燃料電池應(yīng)用等多個環(huán)節(jié)，如圖1所示。隨著氫能產(chǎn)業(yè)的國家布局和迅速發(fā)展，氫儲運和各種貿(mào)易交接環(huán)節(jié)都需要精確的流量計量。然而目前氫能產(chǎn)業(yè)的研究主要集中在制氫、儲氫、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，而對氫產(chǎn)品流量測量及其標準裝置等方面的關(guān)注較少，尤其缺乏成熟的液氫流量計量和標定裝置[6]。到目前為止，國內(nèi)外可以直接用于測量深冷液氫的流量計屈指可數(shù)[7-8]，完善的氫流量計量體系和規(guī)?；臍淞髁坑嬃慨a(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 低溫流量標準裝置發(fā)展現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外研究者大多致力于常溫流量標準裝置的研究[9-14]，而對低溫流量標準裝置的研究比較匱乏。液氫流量標準裝置是檢定和校準液氫流量計的核心裝備，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液氫流量計進行檢定，但其測量結(jié)果存在不可忽略的誤差。例如采用水對渦輪流量計進行標定，如圖2所示，在較大流量時，其結(jié)果與直接用液氫標定的精度可以保持在1.5%以內(nèi)[15]，但是在小流量時，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)的迅速下降和測量結(jié)果誤差的偏大[16]。流量計葉片處易產(chǎn)生空化導(dǎo)致測量發(fā)生漂移現(xiàn)象[17]。另外，使用時需進行管路吹掃和預(yù)冷操作，以防不凝氣體凝結(jié)導(dǎo)致葉輪凍住，降低流量計精度及使用壽命[18]。Serio[19]在液氦質(zhì)量流量計的檢定過程中也發(fā)現(xiàn)，盡管標定的價格昂貴，但是在條件允許的情況下實流檢定是非常必要的。圖2給出了分別用液氫和水對流量計進行檢定時，渦輪流量計校準系數(shù)隨流量的變化，結(jié)果表明兩者的校準系數(shù)C大小及其達到穩(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)文獻中直接采用液氫進行實流檢定的流量標準裝置屈指可數(shù)。

圖2 用液氫和水校準時渦輪流量計校準系數(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60年代，美國航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)因為“阿波羅”登月計劃中檢定火箭推進劑流量計的需要，研制了一套液氫流量計量標準裝置，如圖3[20]所示，也是迄今為止有據(jù)可查最早完成液氫實流檢定的流量標準裝置。其液氫罐由低導(dǎo)電性支架支撐[21]，并用鋁箔進行包裹，以減少輻射傳熱。該裝置采用標準容積法，讓液氫在兩個同軸容器之間循環(huán)，中間通過被檢流量計。通過精確測量容器內(nèi)液位變化和溫度來確定供應(yīng)罐中的質(zhì)量變化率，結(jié)合密度和溫度等參數(shù)修正，并與被檢流量計進行比較，確定被檢流量計的精度。除此之外，液氫流量實流檢定的標準裝置至今未見公開報道，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準裝置[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，但其對觸液材料冷脆、密封與絕熱方面的要求相比液氫容易實現(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國家標準與技術(shù)研究院(National Institute of Standards and Technology, NIST)和荷蘭國家計量院(Van Swinden Laboratory,VSL)，而國內(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以液氮為試驗介質(zhì)，采用動態(tài)替代稱重法對LNG流量計進行流量標定。該裝置主要由液氮儲罐、稱重罐、電子天平、熱交換器、增壓泵等組成，實驗裝置如圖4所示。

圖4 美國NIST的液氮流量檢定標準裝置[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，我國的科研人員也對LNG的計量檢測進行了充分的研究[22-26]。中國測試研究院(National Institute of Measurement and Testing Technology, NIMTT)開展了LNG加氣機計量檢測方面的初步研究工作。基于低溫液體質(zhì)量法研制了一套計量準確度高、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便的LNG加氣機檢定裝置，擴展不確定度為 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)場試運行情況表明：其性能比較穩(wěn)定，既可用于LNG加氣機整機和液相流量計的單獨檢定，又可對相同規(guī)格的LNG流量計進行檢定。最近，南京艾默生過程控制有限公司建立了深冷流量測試站，能有效地測量78 K的液氮流量，已取得荷蘭國家計量院的計量器具許可認證。南京艾默生的深冷流量測試站建立了兩套深冷檢定系統(tǒng)，分別采用質(zhì)量法和標準表法。質(zhì)量法不確定度為0.11% (k= 2)，標準表法流量范圍為45～120 kg/min，標準表法不確定度為0.16%(k= 2)。表1匯總比較了國內(nèi)外各種機構(gòu)的低溫流體流量檢定裝置。

表1 國內(nèi)外各機構(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)量法液氫流量標準裝置研究

作為構(gòu)建液氫流量標準裝置的前期探索，本文設(shè)計的液氫流量標準裝置采用靜態(tài)質(zhì)量法，以供應(yīng)儲罐–回收儲罐為主體形式，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)建儲罐–稱重器雙子系統(tǒng)，兩套儲罐–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，以同時監(jiān)測校準過程中供應(yīng)子系統(tǒng)的質(zhì)量衰減和回收子系統(tǒng)的質(zhì)量增加，獲取更多維度的儲罐質(zhì)量變化信息。對比分析靜態(tài)和動態(tài)質(zhì)量稱重結(jié)果的關(guān)聯(lián)與差異性，為建立靜態(tài)和動態(tài)質(zhì)量稱重智能補償算法和高精度附加管容修正算法提供強有力的數(shù)據(jù)支撐。其中，動態(tài)質(zhì)量稱重時，管道與罐體不脫開，具有快速、方便、測量時間短等優(yōu)勢[28]。盡管如此，罐體受到連接管路的干擾而影響稱重測量結(jié)果。采用靜態(tài)質(zhì)量法稱重時，管路系統(tǒng)與儲罐完全脫離，因此可以達到更高的精確度?；诖?，本設(shè)計同時包含靜態(tài)稱重法（儲罐B和稱重單元B）和動態(tài)稱重法（儲罐A和稱重單元A）兩個測量子系統(tǒng)，擬定靜態(tài)質(zhì)量法作為原級標準，動態(tài)質(zhì)量法的子系統(tǒng)主要作為前沿計量技術(shù)研究和后續(xù)工作標準。

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

本裝置主要包括氮氣源、氦氣源、儲罐A、稱重單元A、氣液分離器、液氫泵組、標準流量計、被檢流量計、真空冷箱、換向執(zhí)行器、加氫槍、儲罐B、升溫管、稀釋罐、特排管道和配套管路，其中換向執(zhí)行器由兩個截止閥構(gòu)成，液氫流量標準裝置3D示意圖如圖6所示。儲罐的真空層和罐體內(nèi)部都配有溫度計和壓力計進行實時安全監(jiān)測，并都配有安全閥來確保絕熱失效等緊急情況下的系統(tǒng)安全。檢定液氫流量計之前，換向執(zhí)行器切換到旁通管路位置，確定儲罐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)動儲罐A內(nèi)液氫經(jīng)氣液分離器、被檢流量計、換向執(zhí)行器，由旁通管路返回至儲罐A內(nèi)。待檢測流量穩(wěn)定后，啟動換向執(zhí)行器，將液氫從旁通管路切換到儲罐B。換向執(zhí)行器動作的同時，啟動計時器計時和被檢流量計的脈沖計數(shù)器計數(shù)。當達到預(yù)定液氫量或時間，將換向執(zhí)行器換回到旁通管路，斷開與儲罐B的連接管路，待儲罐B的液位穩(wěn)定后，確定儲罐B的總質(zhì)量mB1和計時器顯示時間t。換向執(zhí)行器在執(zhí)行換向時所受到的壓差不同，導(dǎo)致兩個截止閥開關(guān)行程時間不一致，影響裝置的實際測試時間，將該時間差稱為換向執(zhí)行器時間差。用換向執(zhí)行器時間差對計時器測量的時間進行修正，獲得裝置實際測試時間[29]。

圖6 液氫流量標準裝置3D示意圖Fig.6 Schematic diagram of the liquid hydrogen flow standard device

本文靜態(tài)質(zhì)量法液氫流量標準裝置主要有以下設(shè)計參數(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，從而影響裝置的測量不確定度。為此，本方案在液氫泵前增設(shè)制冷機，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)。同時控制儲罐A與儲罐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。液氫流量標準裝置工作流程主要包括功能性測試、吹掃、預(yù)冷、檢定、復(fù)位和排空，工作運行流程如圖7所示。

圖7 液氫流量標準裝置總體流程Fig.7 Overall flow of the liquid hydrogen flow standard device

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

（2）吹掃階段采用氦氣對裝置進行吹掃。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，使整個裝置內(nèi)處于負壓狀態(tài)，加速氮氣吹掃。

（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。儲罐A內(nèi)通入少量液氫并由儲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，在稀釋罐中由氮氣稀釋至低于爆炸濃度下限（體積分數(shù)4%）后由特排管道排出。由檢測系統(tǒng)檢測氣體雜質(zhì)中氫氣濃度，判斷是否達到排放要求。系統(tǒng)預(yù)冷至50 K后，向儲罐A內(nèi)通入約70%容積的液氫，啟動液氫泵驅(qū)動液氫在裝置內(nèi)循環(huán)，液氫循環(huán)預(yù)冷裝置至20 K。

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

式中QA表示儲罐A動態(tài)質(zhì)量流量，kg/h；mA0和mA1分別表示儲罐A的初始質(zhì)量和終止質(zhì)量，kg；QB表示儲罐B靜態(tài)質(zhì)量流量，kg/h；mB0和mB1分別表示儲罐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間點和截止時間點，h。

（5）系統(tǒng)檢測試驗完畢后，短期內(nèi)再次使用液氫流量標準裝置，則系統(tǒng)執(zhí)行復(fù)位。依靠儲罐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。

（6）如裝置長期靜置，則需要對裝置內(nèi)液氫進行排空。依靠自增壓裝置使儲罐內(nèi)液氫氣化，依次排空儲罐A、儲罐B及管路。為防止液氫殘留在裝置內(nèi)，排空完成后對裝置進行氮氣吹掃，最后氮氣封存。

3 總結(jié)

綜上，低溫液體流量標準裝置的國內(nèi)外研究迄今還處于探索期，國外只有極少數(shù)的專用低溫流量標準裝置在頂尖航空航天和計量研究機構(gòu)中投入使用，國內(nèi)尚沒有液氫標定裝置和標準。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實流試驗帶來的極端安全問題，同時較大程度復(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，非液氫的實流檢定仍然會帶來不可忽視的誤差。為構(gòu)建液氫流量標準裝置奠定技術(shù)基礎(chǔ)，考慮到質(zhì)量法的不確定度最低也最為穩(wěn)定，本文對靜態(tài)質(zhì)量法液氫流量標準裝置進行研究。相比于國內(nèi)外已有的低溫流量標準裝置，本系統(tǒng)采用的換向執(zhí)行器切換實現(xiàn)對儲罐B的精準定時加注，利用加氫槍的快速插拔實現(xiàn)與主體管路快速脫離或連通，滿足對儲罐B的靜態(tài)質(zhì)量稱重。最后，基于B罐在不同流量點下測得的質(zhì)量差和對應(yīng)的計時時長，獲取標準的質(zhì)量流量，從而對被檢流量計進行檢定校準，并利用工藝流程推演驗證了方案的可行性。本設(shè)計擬定靜態(tài)質(zhì)量法作為原級標準，動態(tài)質(zhì)量法作為前沿計量技術(shù)研究，為完善液氫流量計量體系提供理論參考。