加氫站氫氣準確計量的探討

2021-11-04 10:55:10王一非王友良

石油庫與加油站 2021年4期

王一非王友良

〔中國石化浙江嘉興石油分公司浙江嘉興 314000〕

近年來國家先后出臺了支持氫能源發展的相關政策，加氫站發展非?？?，前景廣闊。但相關管理標準和制度相對滯后，特別是加氫站沒有對應的計量標準和制度。目前國家相關規范主要有《GB50516—2010加氫站技術規范》[1]、《GB/T31138—2014汽車用壓縮氫氣加氣機》[2]等。由于規范涉及計量內容很少，加氫站都是按照各自標準進行計量和交接、每日和每月盤存計量時，經常會產生人為的大損大溢，從而掩蓋了真實的大損大溢。為了提高加氫站計量的準確度，筆者依據上述兩個規范及工作實際，提出了氫氣準確計量方法、計算公式和計算系數表，并結合具體的計算案例說明了交接、盤存計量和損耗管理。經過近半年的應用，計量準確，損耗正常，目前已在中國石化某石油分公司某加氫站實施。

1 氫氣計量

1.1 理想體積

氫氣的標準狀態是20 ℃和1個大氣壓[1]。加氫站在采用長管拖車運輸氫氣時，在標準狀態和實際工作狀態下的理想氣體壓力、溫度和體積的關系為式(1)：

(1)

式中：Vm理為標準狀態下理想氣體的體積量，m3；

Vm工為工作狀態下理想氣體的體積量，m3；

t為工作狀態下的氣體溫度，℃；

P為工作狀態下的壓力，bar。

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

解：根據理想氣體體積公式(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是理想氣體狀態方程用于實際氣體時必須考慮的一個校正因子，用以表示實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有三種計算方法。

1.2.1 標準公式計算

壓縮因子Z被引用來修正理想氣體狀態方程:pV=nRT,pVm=RT

壓縮因子Z的計算公式為：

(2)

式中：p為理想氣體的壓強，Pa；

V為理想氣體的體積，m3；

n為氣體物質的量，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溫度，K；

Vm為摩爾體積，L/mol；

Vm(real)為真實氣體的摩爾體積，L/mol。

當實際氣體處于臨界點(臨界氣壓pc，臨界溫度Tc，臨界摩爾體積Vm，c)時，此時的壓縮因子稱為臨界壓縮因子ZC。

例2：已知氫氣的臨界溫度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：在標準狀態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 小程序計算

生產廠家為校正加氫計量設備的準確性，需要氫氣的壓縮因子Z值，而用公式計算工作量會非常大，一般會利用微信小程序中“物性Online”功能輸入“溫度、壓力”等相關參數，便可得到不同狀態下氫氣的壓縮因子Z，這種方法取得的壓縮因子Z是準確的(每次取值需支付費用)。

1.2.3 常用參數計算

壓縮因子Z計算繁瑣, 一般加氫站不太用公式計算氫氣的壓縮因子Z，也不太用微信“物性Online小程序”得到不同狀態下氫氣的壓縮因子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計算。在實際工作中，推導出壓縮因子Z常用公式，基本能準確計算出氫氣的壓縮因子Z數值。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

另外一種計算方法，根據近似公式(4)

(25+273.15)=1.063 5

最后取較準確的壓縮因子Z=1.063 8

答: 氫氣的壓縮因子Z為1.063 8。

1.3 實際體積

(5)

式中：Vm實為標準狀態下的實際氣體體積，m3。

例5：求例1中3座氫氣儲罐實際體積量為多少？

解：根據實際體積公式(5)

3座氫氣儲罐實際氣體體積

Vm實=1 455.56÷1.063 8=1 368.26 m3

答：3座氫氣儲罐實際氣體的體積是1 368.26 m3。

1.4 密度

根據理想氣體狀態方程pV=(mRT/M)=nRT

用密度ρ表示該關系：pM=ρRT

ρ=pM/RT

(6)

式中：p為理想氣體的壓強，Pa；

V為理想氣體的體積，m3；

m為質量，kg；

M為摩爾質量，g/mol；

ρ為密度，kg/ m3；

n為氣體物質的量，mol；

T為理想氣體的熱力學溫度，K；

R為氣體常量8.31441，J/(mol·K)。

例6：在標準狀態(20℃和1個大氣壓)下，氫氣的密度為多少kg/ m3？

解：氫氣的摩爾質量為2.015 9 g/mol，

根據密度公式(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。

以上是在理想狀態情況下氫氣的密度計算公式。在不同溫度和壓力下，氫氣密度速算表詳見表2。

表2 氫氣密度速算表 (kg/m3)

1.5 質量

氫氣儲罐的容量是指在標準狀態下的容量。當溫度和壓力發生變化，儲罐容量大小也會變化。但由于氫氣儲罐強度高，鋼板厚，故不考慮修正。氫氣質量兩種計算方法:

第一種計算方法：氫氣轉換到標準狀態后的質量，其公式(7)：

M=ρ0×Vm實

(7)

式中：ρ0為標準狀態下氫氣的密度，kg/ m3。

第二種計算方法：實時狀態下的質量，其公式(8)：

M=ρH2×V

(8)

式中：ρH2為實時狀態下氫氣的密度，kg/m3；

V為儲罐水容積，m3。

例7：求例1中3座氫氣儲罐的質量為多少kg？

解：第一種計算方法(用公式7)：

根據例5中Vm真=1 368.26 m3和例6中密度ρ0=0.083 8 kg/m3

氫氣質量M=ρ0×Vm真=0.083 8×

1 368.26=114.66 kg

第二種計算方法(用公式8)：

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

氫氣質量M=ρH2×V=7.6711×15=115.07 kg

取第二種計算方法的結果作為氫氣的質量，M=115.07 kg

(注：兩種方法計算結果有誤差，主要是氫氣的摩爾質量、壓力和溫度保留的小數位數等原因引起的)

答：3座儲罐的氫氣質量為115.07 kg。

2 交接計量

2.1 進貨計量

一般氫氣的制造工廠以氫氣長管拖車壓力和溫度變化來計算氫氣結算量。氫氣長管拖車氫氣結算量主要影響因素是溫度和壓力，尤其是溫度。由于氫氣長管長，存在傳熱不均勻，或溫度計安裝位置不妥等因素，就有可能影響溫度值，從而導致結算量不準。安裝卸氫柱的加氫站，則可用卸氣柱卸氫量進行比對；如未安裝卸氫柱的加氫站，則應通過復核結算量和每日計量來核對結算量是否準確。

例8：某加氫站2019年11月21日滬G9747氫氣長管拖車水容積為23.48 m3，進站壓力為180 bar，進站溫度為20 ℃，卸氣柱泵碼數為5119.74；離站壓力為79 bar，離站溫度為19 ℃，卸氣柱泵碼數為5289.48，問結算量是多少kg？進貨損耗多少kg？進貨損耗率是多少？損耗是否正常？

解：1、卸氣前的質量[用公式(1)、(5)和(7)]

(1)標準狀態下理想氣體體積

(2)標準狀態下實際氣體體積

由溫度20 ℃和壓力180 bar查表1壓縮因子速算得Z=1.105 9

(3)卸氣前的質量

標準狀態下氫氣的密度為0.083 8 kg/ m3

M=ρ0×Vm實=0.083 8×3 771.708=316.069 kg

2、卸氣后的質量[用公式(1)、(5)和(7)]

(4)標準狀態下理想氣體體積

(5)標準狀態下實際氣體體積

由溫度19 ℃和壓力79 bar查表1壓縮因子速算得Z′=1.053 5

(6)卸氣后的質量

3、結算量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，直接影響計量器具準確性和穩定性，總量又較小，故進貨損耗和損耗率控制在10 kg和5 %以內是合理的。

答：結算量是169.95 kg，進貨損耗0.21 kg，進貨損耗率是0.12 %，損耗正常。

2.2 零售計量

加氫機計量采用的是質量流量計計量，其最小分度值為10 g。加氫機的最大示值誤差不超過±2.5 %，最大重復性誤差不超過1 %。加氫站的損耗主要由每天營業結束后壓縮機停泵、儀表檢定和設備檢維修等正常放空引起的正常損耗，以及由設備質量、不合理工藝和計量偏差等原因產生的非正常損耗。

結合氫氣特性，加氫站零售損耗率宜控制在±5 %內。要將加氫站損耗控制在合理范圍內，必須做好每日計量工作，及時掌握損溢動態。若發現大損大溢，必須第一時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氫氣長管拖車水容積為23.48 m3，進站壓力為180 bar，進站溫度為20 ℃，卸氣柱泵碼數為5119.74；離站壓力為79 bar，離站溫度為19 ℃，卸氣柱泵碼數為5289.48。11月21日3座儲氫罐PLC柜上顯示溫度和壓力早晚狀態一致(均為25 ℃和300 bar),早晨營業前0013號加氫槍泵碼數為3 852.53，0015號加氫槍泵碼數為4 350.25；當天晚上營業結束0013號加氫槍泵碼數為3 940.67，0015號加氫槍泵碼數為4 431.51。請問當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=營業結束加氫槍泵碼數-營業前加氫槍泵碼數

=3 940.67+4 431.51-3 852.53-

4 350.25=169.40 kg

2、見例8當天進氣量為169.95 kg

3、營業前后3座儲氫罐狀態一致，營業前后實物庫存量相等

4、零售損耗量=營業結束實物庫存量+進氣量-零售量-營業前實物庫存量

=169.95-169.40=0.55 kg

5、零售損耗量0.55 kg，主要是營業結束后壓縮機停泵放空引起的；另外損耗率0.32 %小于5 %，零售損耗率正常

答：當天零售損耗量是0.55 kg，零售損耗率是0.32 %，損耗正常。

3 盤存計量

做到日清月結，結合更換氫氣長管拖車和交接班，每日計量一次，每月盤存和核銷一次。盤存計量時，在PLC控制柜上，摘抄各儲氫罐壓力和溫度值，現場摘抄卸氫柱走字數和加氫機走字數，通過公式或小程序計算儲氫罐庫存量。隨時掌握損溢動態，發現有異常情況，第一時間查找損溢原因。

例10：2019年11月30日8點，某加氫站3座儲氫罐(水容積為15 m3)PLC柜上顯示溫度和壓力為25 ℃和100 bar,0013號加氫槍泵碼數為5 981.47，0015號加氫槍泵碼數為7 331.21，卸氫柱泵碼數為15 494.97；到12月31日8點某加氫站3座儲氫罐PLC柜上顯示溫度和壓力為25 ℃和300 bar,0013號加氫槍泵碼數為8 733.77，0015號加氫槍泵碼數為8 943.13，卸氫柱泵碼數為19 966.35；12月份加氫站共進氫氣25車次，進氣量為4 619.88 kg。請問月初實物庫存量是多少kg？月末實物庫存量是多少kg？進貨損耗量是多少kg？進貨損耗率是多少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

月初實物庫存量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

月末實物庫存量M=ρH2×V=20.537×15=308.06 kg

3、實收量=月末卸氫柱泵碼數-月初卸氫柱泵碼數

=19 966.35-154 94.97=4 471.38 kg

進貨損耗量=進氣量一實收量=4 619.88-4 471.38=148.5 kg

5、零售量=月末加氫機泵碼數-月初加氫機泵碼數

=8 733.77+8 943.13-5 981.47-

7 331.21=4 364.22 kg

6、零售損耗量=月初實物庫存量+進氣量-零售量-月末實物庫存量

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