静态质量法液氢流量标准装置研究1)

王佳香 凃程旭 包福兵 ,2) 陈维杰 卓银杰 李 想 许好好 吴舒琴 熊茂涛

*(中国计量大学计量测试工程学院，杭州 310018)

†(浙江浙能技术研究院有限公司，杭州 310018)

**(中国测试技术研究院，成都 610000)

2020年，中国国家主席习近平在第75届联合国大会期间提出，中国二氧化碳排放力争在2030年前达到峰值，努力争取在2060年前实现碳中和[1]。实现这一战略目标的关键点在于减少化石燃料的消耗以及提高可再生能源的份额[2-3]。氢作为零碳、清洁、高效的能源载体，在实现“双碳战略”进程中被寄予厚望[4]。此外，氢能技术可以更经济地实现电能或热能的长周期、大规模存储，解决弃风、弃光、弃水问题，是满足未来生态可再生能源需求的关键方案[5]。氢能源主产业链包括上游氢制备、中游氢储运、下游加氢站及氢能源燃料电池应用等多个环节，如图1所示。随着氢能产业的国家布局和迅速发展，氢储运和各种贸易交接环节都需要精确的流量计量。然而目前氢能产业的研究主要集中在制氢、储氢、技术输氢等氢能装备的产品研制以及燃料电池等方面，而对氢产品流量测量及其标准装置等方面的关注较少，尤其缺乏成熟的液氢流量计量和标定装置[6]。到目前为止，国内外可以直接用于测量深冷液氢的流量计屈指可数[7-8]，完善的氢流量计量体系和规模化的氢流量计量产业仍亟待发展，以满足氢能产业的战略发展需要。

图1 氢能产业链概貌Fig.1 Overview of the hydrogen energy industry chain

1 低温流量标准装置发展现状

目前，国内外研究者大多致力于常温流量标准装置的研究[9-14]，而对低温流量标准装置的研究比较匮乏。液氢流量标准装置是检定和校准液氢流量计的核心装备，是液氢流量溯源链上的关键一环。从安全性和技术可操作性方面考虑，常采用常温流体或者液氮等低温流体对液氢流量计进行检定，但其测量结果存在不可忽略的误差。例如采用水对涡轮流量计进行标定，如图2所示，在较大流量时，其结果与直接用液氢标定的精度可以保持在1.5%以内[15]，但是在小流量时，液氢的低黏度和低密度效应直接导致叶轮轴承的摩擦力占据主导，造成流量系数的迅速下降和测量结果误差的偏大[16]。流量计叶片处易产生空化导致测量发生漂移现象[17]。另外，使用时需进行管路吹扫和预冷操作，以防不凝气体凝结导致叶轮冻住，降低流量计精度及使用寿命[18]。Serio[19]在液氦质量流量计的检定过程中也发现，尽管标定的价格昂贵，但是在条件允许的情况下实流检定是非常必要的。图2给出了分别用液氢和水对流量计进行检定时，涡轮流量计校准系数随流量的变化，结果表明两者的校准系数C大小及其达到稳定的（接近最大流量C值）流量范围存在明显差异。尽管如此，公开的技术文献中直接采用液氢进行实流检定的流量标准装置屈指可数。

图2 用液氢和水校准时涡轮流量计校准系数C的变化[16]Fig.2 Variation of turbine flowmeter calibration coefficient C when calibrating with liquid hydrogen and water[16]

20 世纪60年代，美国航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)因为“阿波罗”登月计划中检定火箭推进剂流量计的需要，研制了一套液氢流量计量标准装置，如图3[20]所示，也是迄今为止有据可查最早完成液氢实流检定的流量标准装置。其液氢罐由低导电性支架支撑[21]，并用铝箔进行包裹，以减少辐射传热。该装置采用标准容积法，让液氢在两个同轴容器之间循环，中间通过被检流量计。通过精确测量容器内液位变化和温度来确定供应罐中的质量变化率，结合密度和温度等参数修正，并与被检流量计进行比较，确定被检流量计的精度。除此之外，液氢流量实流检定的标准装置至今未见公开报道，大多以水、液氮和液氦等作为替代工质。

图3 NASA研制的液氢流量检定标准装置[20]Fig.3 Liquid hydrogen flow verification standard device developed by NASA[20]

液化天然气(liquefied natural gas, LNG)温度比液氢高约95℃，是目前应用最为广泛、商业化程度最高的低温能源，但其对触液材料冷脆、密封与绝热方面的要求相比液氢容易实现。即便如此，全球范围内真正具有LNG流量检定能力的只有美国国家标准与技术研究院(National Institute of Standards and Technology, NIST)和荷兰国家计量院(Van Swinden Laboratory,VSL)，而国内LNG检定系统仍处于研究探索阶段。为了符合安全性要求，NIST以液氮为试验介质，采用动态替代称重法对LNG流量计进行流量标定。该装置主要由液氮储罐、称重罐、电子天平、热交换器、增压泵等组成，实验装置如图4所示。

图4 美国NIST的液氮流量检定标准装置[22]Fig.4 Liquid nitrogen flow verification standard device of NIST in the United States[22]

随着LNG的广泛应用，我国的科研人员也对LNG的计量检测进行了充分的研究[22-26]。中国测试研究院(National Institute of Measurement and Testing Technology, NIMTT)开展了LNG加气机计量检测方面的初步研究工作。基于低温液体质量法研制了一套计量准确度高、结构简单、操作方便的LNG加气机检定装置，扩展不确定度为 0.17% (k= 2)[27]。装置主要由加液管路、回气管路、放空管路和数据采集系统四部分组成。检定装置现场试运行情况表明：其性能比较稳定，既可用于LNG加气机整机和液相流量计的单独检定，又可对相同规格的LNG流量计进行检定。最近，南京艾默生过程控制有限公司建立了深冷流量测试站，能有效地测量78 K的液氮流量，已取得荷兰国家计量院的计量器具许可认证。南京艾默生的深冷流量测试站建立了两套深冷检定系统，分别采用质量法和标准表法。质量法不确定度为0.11% (k= 2)，标准表法流量范围为45～120 kg/min，标准表法不确定度为0.16%(k= 2)。表1汇总比较了国内外各种机构的低温流体流量检定装置。

表1 国内外各机构低温流体流量检定装置Table 1 Low temperature flow verification device of various institutions at home and abroad

2 静态质量法液氢流量标准装置研究

作为构建液氢流量标准装置的前期探索，本文设计的液氢流量标准装置采用静态质量法，以供应储罐–回收储罐为主体形式，装置原理如图5所示。在此基础上充分利用双储罐结构和质量法结构的相似性，增加一套称重器即可构建储罐–称重器双子系统，两套储罐–称重子系统的供应/回收可以自由切换。该双系统结构都配以高精度的称重器，以同时监测校准过程中供应子系统的质量衰减和回收子系统的质量增加，获取更多维度的储罐质量变化信息。对比分析静态和动态质量称重结果的关联与差异性，为建立静态和动态质量称重智能补偿算法和高精度附加管容修正算法提供强有力的数据支撑。其中，动态质量称重时，管道与罐体不脱开，具有快速、方便、测量时间短等优势[28]。尽管如此，罐体受到连接管路的干扰而影响称重测量结果。采用静态质量法称重时，管路系统与储罐完全脱离，因此可以达到更高的精确度。基于此，本设计同时包含静态称重法（储罐B和称重单元B）和动态称重法（储罐A和称重单元A）两个测量子系统，拟定静态质量法作为原级标准，动态质量法的子系统主要作为前沿计量技术研究和后续工作标准。

图5 装置原理示意图Fig.5 Device schematic diagram

本装置主要包括氮气源、氦气源、储罐A、称重单元A、气液分离器、液氢泵组、标准流量计、被检流量计、真空冷箱、换向执行器、加氢枪、储罐B、升温管、稀释罐、特排管道和配套管路，其中换向执行器由两个截止阀构成，液氢流量标准装置3D示意图如图6所示。储罐的真空层和罐体内部都配有温度计和压力计进行实时安全监测，并都配有安全阀来确保绝热失效等紧急情况下的系统安全。检定液氢流量计之前，换向执行器切换到旁通管路位置，确定储罐B的初始质量mB0，系统处于自循环状态，即液氢泵驱动储罐A内液氢经气液分离器、被检流量计、换向执行器，由旁通管路返回至储罐A内。待检测流量稳定后，启动换向执行器，将液氢从旁通管路切换到储罐B。换向执行器动作的同时，启动计时器计时和被检流量计的脉冲计数器计数。当达到预定液氢量或时间，将换向执行器换回到旁通管路，断开与储罐B的连接管路，待储罐B的液位稳定后，确定储罐B的总质量mB1和计时器显示时间t。换向执行器在执行换向时所受到的压差不同，导致两个截止阀开关行程时间不一致，影响装置的实际测试时间，将该时间差称为换向执行器时间差。用换向执行器时间差对计时器测量的时间进行修正，获得装置实际测试时间[29]。

图6 液氢流量标准装置3D示意图Fig.6 Schematic diagram of the liquid hydrogen flow standard device

本文静态质量法液氢流量标准装置主要有以下设计参数：工作流体温度为–250℃～–240℃，工作压力为0.25～0.5 MPa，管道直径为DN30～DN50，最大质量流量为100 kg/h，扩展不确定度为0.25% (k= 2)。液氢是超低温度流体，在装置内极容易发生相变而转化为气液两相流，从而影响装置的测量不确定度。为此，本方案在液氢泵前增设制冷机，确保液氢泵前的液氢为过冷态、液氢泵后的液氢为全液状态。同时控制储罐A与储罐B之间压差在9.8 kN以内，避免液氢泵做功过大而产生多余的热量。液氢流量标准装置工作流程主要包括功能性测试、吹扫、预冷、检定、复位和排空，工作运行流程如图7所示。

图7 液氢流量标准装置总体流程Fig.7 Overall flow of the liquid hydrogen flow standard device

（1）功能性测试主要包含保压测试和密封测试，确保装置处于正常运行状态。

（2）吹扫阶段采用氦气对装置进行吹扫。向装置内通入氦气吹扫装置内残留的杂质，防止氧气残留所引发的安全问题。在使用氦气吹扫装置前，使用真空泵抽取装置内残余空气，降低装置内氧气含量。系统抽真空后，使整个装置内处于负压状态，加速氮气吹扫。

（3）预冷阶段采用液氢梯度预冷，由液氢气化预冷和液氢预冷两部分组成。储罐A内通入少量液氢并由储罐的自增压装置使液氢气化得到冷氢气，由气化得到的冷氢气吹扫系统管路，使装置初步预冷至50 K。冷氢气预冷结束经升温管加热，在稀释罐中由氮气稀释至低于爆炸浓度下限（体积分数4%）后由特排管道排出。由检测系统检测气体杂质中氢气浓度，判断是否达到排放要求。系统预冷至50 K后，向储罐A内通入约70%容积的液氢，启动液氢泵驱动液氢在装置内循环，液氢循环预冷装置至20 K。

（4）检定阶段分为检测准备、检测、检测结束。调节液氢泵或调节阀控制检测流量大小，断开与储罐B连接的加氢枪，记录储罐B的初始质量mB0，连接加氢枪与储罐B。待液氢自循环流动状态稳定，换向执行器执行换向，此时记录储罐A的初始质量mA0和称重初始时间点t0，储罐A内液氢经被检流量计流入至储罐B内。检测时间完成后，换向执行器再次执行换向，记录称重截止时间点t1和储罐A终止质量mA1。再次脱开加氢枪，储罐B静态质量称重为mB1。则A罐动态质量流量QA和B罐静态质量流量QB为

式中QA表示储罐A动态质量流量，kg/h；mA0和mA1分别表示储罐A的初始质量和终止质量，kg；QB表示储罐B静态质量流量，kg/h；mB0和mB1分别表示储罐B的初始质量和终止质量，kg；t0和t1分别表示称重的初始时间点和截止时间点，h。

（5）系统检测试验完毕后，短期内再次使用液氢流量标准装置，则系统执行复位。依靠储罐B自增压装置将B罐内液氢重新返回至A罐，装置内液氢处于低压存储。

（6）如装置长期静置，则需要对装置内液氢进行排空。依靠自增压装置使储罐内液氢气化，依次排空储罐A、储罐B及管路。为防止液氢残留在装置内，排空完成后对装置进行氮气吹扫，最后氮气封存。

3 总结

综上，低温液体流量标准装置的国内外研究迄今还处于探索期，国外只有极少数的专用低温流量标准装置在顶尖航空航天和计量研究机构中投入使用，国内尚没有液氢标定装置和标准。而基于热物性相似，采用液氮和液氦等低温流体替代液氢和LNG，可规避液氢和LNG实流试验带来的极端安全问题，同时较大程度复现液氢深低温、超低密度和黏度的工质特性，因此被广泛采用。尽管如此，在低流量区或速度式流量计，非液氢的实流检定仍然会带来不可忽视的误差。为构建液氢流量标准装置奠定技术基础，考虑到质量法的不确定度最低也最为稳定，本文对静态质量法液氢流量标准装置进行研究。相比于国内外已有的低温流量标准装置，本系统采用的换向执行器切换实现对储罐B的精准定时加注，利用加氢枪的快速插拔实现与主体管路快速脱离或连通，满足对储罐B的静态质量称重。最后，基于B罐在不同流量点下测得的质量差和对应的计时时长，获取标准的质量流量，从而对被检流量计进行检定校准，并利用工艺流程推演验证了方案的可行性。本设计拟定静态质量法作为原级标准，动态质量法作为前沿计量技术研究，为完善液氢流量计量体系提供理论参考。