一种气压驱动的差分质量法液氢累积流量标准装置的制作方法

1.本发明属于氢能计量技术领域，涉及用于实流检定或校准液氢流量计的液氢标准累积流量生成方法及其装置。


背景技术：

2.氢是一种清洁、高效、零碳的能源载体，来源多样，在供热、交通、工业以及发电等领域发挥燃料和原料的作用，同时也是实现电力、热力、液体燃料等各能源品种之间转化的重要媒介。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。
3.氢能产业链中的氢主要有高压气氢和低温液氢两种状态。液氢的体积能量密度远大于高压气氢，在规模化发展氢能产业的储存、运输方面具有明显优势。因此，液氢未来在民航、海运和城市公共交通运输方面的潜力巨大，是未来氢能大规模产业化的突破口，这也是液氢一开始就作为航空火箭推进剂燃料的主要原因。
4.在液氢的制备、储运、应用和贸易结算等关键环节，液氢流量测量的准确与否至关重要，直接关系到全产业链的生产安全、顺畅运转和贸易公平。准确可靠的液氢流量计及其流量检定系统是保证液氢流量计量合法性的两大关键要素。目前氢能产业的研究主要集中在制氢、储氢、输氢等氢能装备的产品研制以及燃料电池技术等，而对氢产品性能测试和质量检验等方面的关注较少，缺乏成熟的氢能装备性能检测和试验方法、标准以及基础设施。
5.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。由于液氢是深冷的低密度、低粘度流体，采用常温流体或者液氮等低温替代流体对液氢流量计进行检定时，会存在不可忽略的误差，特别是在小流量范围内。同时，如何确保液氢在流动过程中的状态稳定避免发生气化也是液氢流量标准装置面临的严峻挑战。因此，国家氢能战略的加速推进，掌握能够实现液氢实流检定和校准的液氢累积流量标准装置和技术至关重要。


技术实现要素：

6.针对深冷液氢流量计实流检定和校准急需生成的液氢标准流量问题，本发明提出一种基于差分质量法的提供准确液氢标准累积流量的方法及装置。
7.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
8.本发明的气压驱动的差分质量法液氢累积流量标准装置主要包括高压氦气源、预冷系统、两套储罐-称重子系统、被检流量计和配套管路；所述两套储罐-称重子系统均包括液氢储罐、称重单元、真空泵和液氢加液枪，对称设置；所述液氢储罐设置有储罐加注口，所述液氢加液枪通过储罐加注口对液氢储罐内进行液氢充装；所述真空泵对液氢储罐与外围真空套之间的真空层进行持续抽真空；所述液氢储罐设置于称重单元上。
9.所述液氢储罐包括第一液氢储罐和第二液氢储罐；所述第一液氢储罐内设置有第一氦气扩散器和第一液氢扩散器，所述第二液氢储罐内设置有第二氦气扩散器和第二液氢
扩散器，以降低均布速度，避免进出储罐的流动引起罐内过大的压力和液面波动，从而诱发安全隐患。
10.所述高压氦气源经过预冷系统后分为两个输送管路，第一输送管路连接至第一氦气扩散器，第二输送管路连接至第二氦气扩散器；所述第一液氢扩散器通过管路与被检流量计的上游连接；所述被检流量计的下游与第二液氢扩散器连接。
11.进一步说，所述高压氦气源由高压氦气罐或其它形式储罐配合压缩机组成，高压氦气源出口设置有精密减压阀，用于对标准流量大小进行控制。
12.进一步说，所述预冷系统为低温制冷机，或由液氮、液氢构建的绝热预冷槽。所述高压氦气在预冷系统中预冷至液氢温度后，再与液氢接触，避免液氢气化。
13.进一步说，所述的液氢储罐采用静态或动态高真空的绝热结构，降低气流的对流传热和热传导，同时在冷端(内)罐体加设高反射低吸收的绝热层，而在常温端罐体壁面布置低反射高吸收的表面材料，大幅降低辐射换热，抑制液氢气化；其中静态真空可以通过外置的真空泵对真空套与罐体之间的真空层进行持续抽真空。
14.所述液氢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。
15.进一步说，所述两套储罐-称重子系统结构互相对称，根据使用需求在供应储罐和回收储罐的功能中自由切换。
16.进一步说，所述两套储罐-称重子系统均通过两条支路与被检流量计的上下游连接，其中上游第一支路和下游第一支路分别设有第六截止阀和第八截止阀，上游第二支路设有第一气液分离器和第七截止阀，下游第二支路设有第二气液分离器和第九截止阀，所述气液分离器用于去除液氢流动过程中气化的氢气，控制液氢双向流动时的液相状态和流动稳定性。
17.进一步说，所述液氢储罐与液氢管路的离合机构采用加液枪-加注口的形式，液氢加液枪可手动加液，或液氢加液枪设置在导轨上，通过气动或电机直线导轨、机械臂等进行驱动，带动液氢加液枪进行加液或脱离液氢储罐，满足远程无人操控的要求。
18.进一步说，所述液氢储罐配有安全阀，来确保绝热失效等紧急情况下的系统安全，避免液氢储罐内压力超限。
19.进一步说，所述的预冷系统管路、预冷系统与储罐-称重子系统连接管路、标准累积流量测试段的被检流量计上下游管路，均配有温度计和压力计对管路流体进行实时测量，为标准流量修正和不确定度评定提供依据。
20.进一步说，所述液氢累积流量标准装置所有的传感信号和流量信号，通过统一的软件平台进行接收、存储和运算，生成检定技术报告的同时，对系统整体的功能进行实时监测和安全预警。
21.气压驱动的差分质量法液氢累积流量标准装置的工作过程是：
22.该液氢累积流量标准装置检定流量计微小流量状态时，利用具有预冷系统的低温高压氦气源，驱动液氢供应储罐内的液氢流经装有被检流量计的测试段，再流入液氢回收储罐中，稳定地向回收储罐持续加液，从而产生一个标准液氢累积流量。所述两个液氢储罐均设置在高精度的称重单元上，称重单元用于测量校准过程中，加液时间差δt内供应储罐的质量衰减δma和回收储罐的质量增加δmb。标准液氢累积流量q通过差分质量法，由两套称重单元加液前后质量差δma和δmb绝对值和的一半，与加液前后所需时间δt之比求得，
即：
[0023][0024]
所述供应储罐的质量衰减δma，为高压氦气源驱动液氢流动前后供应储罐的质量差。回收储罐的质量增加δmb同样测量。称重单元对液氢储罐进行测量之前，液氢加液枪和真空套抽吸管路都预先截断后与液氢储罐快速脱开，避免对测量结果产生影响。
[0025]
所述校准过程时间段δt，以开启高压氦气源驱动液氢流动的时间点为开始时刻，当称重单元质量趋于稳定后，关闭高压氦气源驱动的时间点为结束时刻。
[0026]
与现有技术相比较，本发明的有益效果是：
[0027]
(1)可提供液氢流量计检定和校准需要的液氢实流标准累积流量，能够直接溯源到相应计量等级的标准砝码，完成质量的溯源；
[0028]
(2)产生的标准累积流量范围可以通过高压氦气源进行准确调节；
[0029]
(3)采用两套结构互相对称的储罐-称重子系统，在供应储罐和回收储罐中自由切换；
[0030]
(4)供应储罐和回收储罐均配有高精度的称重单元，同时监测校准过程中供应储罐的质量衰减和回收储罐的质量增加，构成差分质量系统，减小所产生的标准累积流量的不确定度；
[0031]
(5)两套储罐-称重子系统间的结果互为参考，可以提高附加管容补偿算法精度，有效剔除粗大误差和操作不当、系统故障等突发情况导致的错误测量结果；
[0032]
(6)液氢储罐和管路系统的绝热真空、温度、压力都得到实时监控，确保液氢在流动过程中的状态稳定，避免发生气化，系统的整体安全性更高。
附图说明
[0033]
图1是差分质量法液氢累积流量标准装置示意图；
[0034]
图2是具有预冷系统的低温高压氦气源装置示意图；
[0035]
图3是储罐-称重子系统装置示意图；
[0036]
图4是标准累积流量测试段示意图。
[0037]
图中：1、氦气罐；2、精密减压阀；3-1、第一截止阀；3-2、第二截止阀；3-3、第三截止阀；3-4、第四截止阀；3-5、第五截止阀；3-6、第六截止阀；3-7、第七截止阀；3-8、第八截止阀；3-9、第九截止阀；3-10、第十截止阀；3-11、第十一截止阀；3-12、第十二截止阀；3-13、第十三截止阀；4、绝热预冷槽；401、预冷槽槽体；402、预冷槽管路；5、第一液氢储罐；501、液位计；502、第一氦气扩散器；503、真空套；504、储罐加注口；505、第一液氢扩散器；6、第一称重单元；7、被检流量计；8、第二液氢储罐；801、第二液氢扩散器；802、第二氦气扩散器；9、第二称重单元；10-1、第一单向阀；10-2、第二单向阀；11-1、第一温度计；11-2、第二温度计；11-3、第三温度计；11-4、第四温度计；11-5、第五温度计；11-6、第六温度计；12-1、第一压力表；12-2、第二压力表；12-3、第三压力表；12-4、第四压力表；12-5、第五压力表；12-6、第六压力表；13-1、第一安全阀；13-2、第二安全阀；14-1、第一液氢加液枪；14-2、第二液氢加液枪；15-1、第一导轨；15-2、第二导轨；16-1、第一真空泵；16-2、第二真空泵；17-1、第一气液分离器；17-2、第二气液分离器。
具体实施方式
[0038]
下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0039]
本发明的气压驱动的差分质量法液氢累积流量标准装置，包括高压氦气源、预冷系统、两套储罐-称重子系统、被检流量计和配套管路；所述两套储罐-称重子系统均包括液氢储罐、称重单元、真空泵和液氢加液枪且相互对称；所述液氢储罐设置有储罐加注口，所述液氢加液枪通过储罐加注口对液氢储罐内进行液氢充装；所述真空泵可对液氢储罐与外围真空套之间的真空层进行持续抽真空；所述液氢储罐设置于称重单元上。
[0040]
将下列部件按图1所示方式连接，该专业技术人员均能顺利完成本发明装置的实施。本发明装置主要包含氦气罐1，精密减压阀2，绝热预冷槽4，第一液氢储罐5，第二液氢储罐8，第一称重单元6、第二称重单元9，被检流量计7，第一液氢加液枪14-1，第二液氢加液枪14-2，第一导轨15-1，第二导轨15-2，第一真空泵16-1，第二真空泵16-2，第一气液分离器17-1，第二气液分离器17-2，以及设置在配套管路上的截止阀、单向阀、温度计、压力表、安全阀。
[0041]
所述第一液氢储罐5和第二液氢储罐8可在供应储罐和回收储罐中自由切换。
[0042]
所述第一液氢储罐5内设置有第一氦气扩散器502和第一液氢扩散器505；所述第二液氢储罐8内设置有第二氦气扩散器802和第二液氢扩散器801。
[0043]
如图2所示，为系统配置一个具有预冷系统的包含惰性氦气气体的低温高压氦气源。氦气罐1中储存有高压氦气，通过人为地调节精密减压阀2来改变氦气的压力，从而实现氦气的输出量的控制，第一截止阀3-1则是控制氦气的流量输出工作。从氦气罐1流出的高压氦气经过精密减压阀2控制，流入绝热预冷槽4，绝热预冷槽4将输入的氦气降温至所储存的液氢温度，以尽可能的避免液氢气化引起的测量误差。401是预冷槽槽体，用于预冷时存放氦气；402是预冷槽管路，用于氦气的运输。同时绝热预冷槽设置有第二温度计11-2、第二压力表12-2，用来实时记录实验温度和压力，进行实时的安全监测，可以根据第二温度计11-2的显示值调节绝热预冷槽的温度。该具有预冷系统的低温高压氦气源装置可以对整个装置进行预冷，使装置的温度能够降低到液氢的温度，并且可以通过释放高压氦气驱动液氢流出。
[0044]
如图3所示，为系统的两套储罐-称重子系统之一的第一液氢储罐5及第一称重单元6示意图。低温高压氦气通过第一氦气扩散器502进入第一液氢储罐5；通过第一液氢扩散器505，使预冷时氦气流出，以及检定时液氢进入或流出第一液氢储罐5。两种扩散器用以降低均布速度，避免液氢进出第一液氢储罐5的流动，所引起的罐内过大的压力和液面波动而诱发的安全隐患。第一液氢储罐5罐体内配备第四温度计11-4、第四压力表12-4用来实时记录第一液氢储罐5罐体内部液氢的温度和压力值，起到安全监测的作用。第一液氢储罐5罐体周围设置有一层真空套503，第一真空泵16-1与第一液氢储罐5之间设置有第五截止阀3-5，通过管路与第一液氢储罐5相连，控制第一真空泵抽取第一液氢储罐5与真空套503之间的真空层里空气，使得与所述真空层为持续抽真空状态，提升液氢储罐的绝热水平。第三温度计11-3与第三压力表12-3用来监测真空层中的实时温度与压力值。第二安全阀13-2安装在第一液氢储罐5里面，来确保绝热失效等紧急情况下的系统安全，避免管路和第一液氢储罐5内压力超限。液位计501可以显示当前第一液氢储罐5的液氢液位值，以提供参考的体积标准流量。第一液氢储罐5留有储罐加注口504，以满足外界加液需求。第一液氢加液枪14-1
可以在第一液氢储罐5的储罐加注口504中手动加入液氢，也可以通过架设在第一导轨15-1上，由第一导轨15-1进行驱动加液氢，以满足远程安全操控的要求。第一称重单元6可以进行实时计时称重，第一液氢储罐5置于第一称重单元6上，对第一液氢储罐5加液前后的质量进行测量。
[0045]
所述第二液氢储罐8设置在第二称重单元9上，可由第二真空泵16-2对第二液氢储罐8的真空层进行持续抽真空；并与第一液氢储罐5和第一称重单元6分别构成两套一样的储罐-称重子系统，两套储罐-称重子系统互相对称。
[0046]
如图4所示，为标准累积流量测试段。被检流量计7的上下游分别通过两个支路与第一液氢储罐5和第二液氢储罐8连接。
[0047]
其中上游第一支路配有第六截止阀3-6，下游第一支路配有第八截止阀3-8；上游第二支路配有第一气液分离器17-1和第七截止阀3-7，下游第二支路配有第九截止阀3-9和第二气液分离器17-2。所述气液分离器用来去除液氢流动过程中气化的氢气，确保液氢的液相状态和流动稳定。被检流量计7的上下游还分别配有第五温度计11-5、第五压力表12-5和第六温度计11-6、第六压力表12-6。当第一液氢储罐5为供应储罐、第二液氢储罐8为回收储罐时，打开第七截止阀3-7、第八截止阀3-8，关闭第六截止阀3-6、第九截止阀3-9，使得第一液氢储罐5中的液氢依次通过第一气液分离器17-1、第七截止阀3-7、被检流量计7、第八截止阀3-8到达第二液氢储罐8；反之，当第二液氢储罐8为供应储罐、第一液氢储罐5为回收储罐时，打开第六截止阀3-6、第九截止阀3-9，关闭第七截止阀3-7、第八截止阀3-8，使得第二液氢储罐8中的液氢依次通过第二气液分离器17-2、第九截止阀3-9、被检流量计7、第六截止阀3-6到达第一液氢储罐5。第一液氢储罐5和第二液氢储罐8可以通过此结构在供应储罐和回收储罐中来回切换，节约了液氢流量多次实验时所造成的损失成本。
[0048]
以第一液氢储罐5为供应储罐、第二液氢储罐8为回收储罐为例，具体工作过程为：
[0049]
第一步：检定工作前，先进行预冷阶段。关闭第四截止阀3-4、第六截止阀3-6、第九截止阀3-9、第十三截止阀3-13；打开第一截止阀3-1、第二截止阀3-2、第三截止阀3-3、第五截止阀3-5、第七截止阀3-7、第八截止阀3-8、第十截止阀3-10、第十一截止阀3-11、第十二截止阀3-12；可开启第一真空泵16-1和第二真空泵16-2，对第一液氢储罐5和第二液氢储罐8的真空层进行持续抽真空。氦气罐1开通，高压氦气通过精密减压阀2的控制通入绝热预冷槽4中，当高压氦气的温度降低到与储存的液氢温度一样后，再通过管道经第一单向阀10-1通向第一氦气扩散器502，流入第一液氢储罐5的罐体内部，随后从第一液氢扩散器505流出，继续流向预冷管道上连接的第一气液分离器17-1、被检流量计7。然后从第二液氢扩散器801流入第二液氢储罐8，最后氦气从第二氦气扩散器802排出第二液氢储罐8，最后经过第十一截止阀3-11排出，实现一个完整预冷过程。等通入低温高压氦气一段时间，整个装置的温度降低到低温液氢的温度值后，关闭氦气罐1，再进行实验阶段。
[0050]
第二步：检定时，第一液氢加液枪14-1通过第一液氢储罐5上的储罐加注口504，手动加入液氢，也可以通过第一导轨15-1进行驱动加入液氢。当液氢达到一定液位时，停止液氢的加注，此时移除第一液氢加液枪14-1，并记录第一称重单元6和第二称重单元9此时测得的数据。
[0051]
打开氦气罐1，开始时序记录，高压氦气经过绝热预冷槽4后通向第一氦气扩散器502流入第一液氢储罐5内部，通过挤压使得第一液氢储罐5内的液氢经第一液氢扩散器505
流出罐体，经过第一气液分离器17-1，流过被检流量计7，稳定地向第二液氢储罐8持续加液，从而产生一个标准液氢累积流量。当高压氦气通入一段时间后，通过控制关闭氦气罐1来停止实验中液氢的流动，达到一个静态质量稳定的过程。此时关闭氦气罐1，结束时序记录，并记录第一称重单元6和第二称重单元9此时测得的数据。
[0052]
通过系统记录的时序差值即加液时间δt，以及第一称重单元6和第二称重单元9测得的第一液氢储罐5的质量衰减δma和第二液氢储罐8的质量增加δmb，求得标准液氢累积流量q。通过差分质量法，由两套储罐-称重子系统加液前后质量差δma和dmb绝对值和的一半，与加液时间δt之比求得标准液氢累积流量q，即：
[0053][0054]
通过将标准液氢累积流量q与被检流量计7测得的累积流量q1进行比对，对被检流量计7完成校准。