气压驱动的双向质量法液氢流量标准装置的制作方法

1.本实用新型属于氢能计量技术领域，具体涉及用于实流检定或校准液氢流量计的一种气压驱动的双向质量法液氢标准流量装置。


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。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，通过自主创新，建立能够实现液氢实流检定和校准的液氢流量标准装置以支撑氢能产业链的健康快速发展显得尤为必要和迫切。


技术实现要素：

5.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，本实用新型提出了一种气压驱动的双向质量法液氢标准流量装置。
6.为了实现上述目的，本实用新型的技术方案为
7.本实用新型包括低温高压氦气源、预冷系统、供应液氢罐、标准液氢罐、高精度称重单元、液氢加液枪、被检流量计和回收管路，所述低温高压氦气源的出口经过预冷系统后分为两个支路，第一支路连接供应液氢罐，第二支路通过回收管路连接标准液氢罐；
8.所述供应液氢罐内设有第一氦气扩散器、第一液氢扩散器和第二液氢扩散器，所述标准液氢罐的罐体设有第二氦气扩散器、第三液氢扩散器和第四液氢扩散器；所述第一液氢扩散器通过管路与被检流量计进口连接，被检流量计出口与标准液氢罐相连，标准液氢罐放置于高精度称重单元上方；
9.所述供应液氢罐和标准液氢罐上均设有储罐加注口，通过液氢加液枪对供应液氢罐和标准液氢罐注入液氢。
10.进一步说，所述供应液氢罐和被检流量计之间设置气液分离器，用于去除液氢流动中气化形成的氢气。
11.进一步说，所述供应液氢罐和标准液氢罐外围设置有一层真空套，所述供应液氢罐和标准液氢罐的罐内和真空套内均设有温度计、压力表。
12.进一步说，所述低温高压氦气源由高压气瓶配合压缩机组成，低温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。
13.进一步说，所述回收管路与标准液氢罐连接处设置有快插接头。
14.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。
15.与现有技术相比，本实用新型具有的有益效果是：
16.1、本实用新型采用高压氦气源驱动液氢流量流动，可以通过高压低温氦气进行准确调节，提供的小流量范围内的标准流量稳定性高，且相比于液氢泵的驱动方式成本更低。
17.2、在进行逆向质量法气压驱动检定方式时，标准液氢罐中的液氢经高压氦气源加压后，排出液氢流经被检流量计，以计算出液氢标准累积流量q
β
，通过这种方式，可以减少附加管容对测量结果的影响。
18.3、本实用新型提供的液氢流量计的检定和校准需要液氢实流标准流量，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。
19.4、本实用新型产生标准流量的过程中，液氢损耗非常小，可以重复使用液氢储罐内所存的液氢。
20.5、标准液氢罐与管路系统的脱离方式，采用液氢加液枪-加液枪接口(可燃介质接口)和快插接口(不可燃介质接口)两种快速离合方式，可迅速将标准液氢罐独立于称重单元之上，提高测量效率和精度；其中液氢加液枪的离合方式可采用远程执行器进行自动控制，提升系统的安全性和兼容性。
21.6、供应液氢罐、标准液氢罐和管路系统的绝热真空、温度、压力都得到实时监控并配备超限声光预警，系统的整体安全性更高。
附图说明
22.图1是气压驱动的质量法液氢流量标准装置示意图；
23.图2是具有预冷系统的低温高压氦气源装置示意图；
24.图3是供应液氢罐示意图；
25.图4是被检流量计测试段示意图；
26.图5是标准液氢罐及高精度称重单元装置示意图；
27.图6是气压驱动的逆向质量法液氢流量标准装置示意图。
28.图中：1、低温高压氦气源；2、供应液氢罐；3、标准液氢罐；4、精密减压阀；5、第三截止阀；6、绝热预冷槽；7、第一温度计；8、第一压力表；9、高精度称重单元；10、第一截止阀；11、第一安全阀；15、第一储罐加注口；16、第一液氢加液枪；17、第一导轨；19、气液分离器；20、被检流量计；21、第二储罐加注口；23、快插接头；24、回收管路；25、第二截止阀；26、第六温度计；27、第六压力表；28、第二液氢加液枪；29、第二导轨；101、声光报警器；201、液位计；
202、第二安全阀；203、第一氦气扩散器；204、第二温度计；205、第二压力表；206、第三温度计；207、第三压力表；208、第一液氢扩散器；209、真空套；210、第二液氢扩散器；301、第三安全阀；302、第四温度计；303、第四压力表；304、第五温度计；305、第五压力表；306、第三液氢扩散器；307、第四液氢扩散器；308、第二氦气扩散器；601、预冷槽管路；602、预冷槽槽体。
具体实施方式
29.为了使本领域的技术人员更好地理解本实用新型中的技术方案，下面将结合本实用新型中的附图，对实用新型中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然所描述的仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于实用新型的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于实用新型保护的范围。
30.本实用新型包括低温高压氦气源、预冷系统、供应液氢罐、标准液氢罐、高精度称重单元、液氢加液枪、被检流量计、回收管路、气液分离器以及管路上设置的精密减压阀、温度计、压力表、安全阀、截止阀、快插接头和声光报警器。
31.所述低温高压氦气源的出口经过精密减压阀、预冷系统后分两个支路，第一支路连接供应液氢罐，第二支路通过回收管路连接标准液氢罐，所述回收管路上设置有快插接头。
32.所述供应液氢罐的罐体设有第一氦气扩散器、第一液氢扩散器和第二液氢扩散器，所述标准液氢罐的罐体设有第二氦气扩散器、第三液氢扩散器和第四液氢扩散器，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。所述第一液氢扩散器通过管路连接气液分离器的进口，气液分离器的出口与被检流量计进口连接，被检流量计出口与标准液氢罐相连，标准液氢罐放置于高精度称重单元上方。
33.所述供应液氢罐和标准液氢罐上均设有储罐加注口。所述供应液氢罐、标准液氢罐与液氢管路的离合机构采用液氢加液枪配合储罐加注口的形式，液氢加液枪采用手动加液，或通过气动导轨或电机直线导轨、机械臂等进行驱动加液。
34.进一步说，所述的供应液氢罐、标准液氢罐外围采用真空套的绝热结构，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。
35.进一步说，所述供应液氢罐、标准液氢罐的真空套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，避免管路和储氢罐内压力过高。
36.进一步说，所述低温高压氦气源可以为高压气瓶或其它形式储罐配合压缩机组成，标准流量大小通过精密减压阀进行控制。
37.进一步说，所述高压氦气在预冷系统中预冷至液氢温度再与液氢接触，避免液氢气化；预冷系统可以为单独的低温制冷机或液氮和液氢等低温流体构建的预冷槽构成。
38.进一步说，所述预冷系统、被检流量计的上下游直管段，均设置有温度计和压力计，用于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。
39.进一步说，所述高精度称重单元对标准液氢罐进行测量之前，第二液氢加液枪和回收管路都预先截断后与标准液氢罐快速脱离，避免对测量结果产生影响。
40.进一步说，所述气液分离器设置于被检流量计的上游，用于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。
41.进一步说，所述液氢流量标准装置所有的传感信号和流量信号，通过上位机进行接收、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。
42.实施例1
43.将下列部件按图1所示方式连接，本领域专业技术人员均能顺利完成本实用新型装置的实施。气压驱动的质量法液氢流量标准装置包含低温高压氦气源1、供应液氢罐2、标准液氢罐3、高精度称重单元9、精密减压阀4、第三截止阀5、绝热预冷槽6、第一温度计7、第一压力表8、第一截止阀10、第一安全阀11、第一氦气扩散器203、液位计201、第一液氢扩散器208、真空套209、第二液氢扩散器210、第一储罐加注口15、第一液氢加液枪16、第一导轨17、气液分离器19、被检流量计20、第二储罐加注口21、快插接头23、回收管路24、第二液氢加液枪28、第二导轨29、声光报警器101。
44.液氢流量标准装置在工作中，检定系统内的液氢，根据所需要的检定流量范围不同，存在压缩氦气驱动和液氢低温泵直接驱动两种驱动方式，为系统中被检流量计提供稳定流量。当被检流量计处于小流量状态时，由于液氢低温泵无法提供一个稳定的小流量驱动，而高压气源可以进一个小流量稳流的驱动，本实施例中采用高压氦气源方式驱动。
45.如图1所示，本实用新型配置一个具有预冷系统的、包含惰性气体氦气的低温高压氦气源1，所述低温高压氦气源1的氦气流经供应液氢罐2上端的第一氦气扩散器203，用于稳定的驱动供应液氢罐2内的液氢流动。精密减压阀4通过压力降压来控制氦气驱动的作用。绝热预冷槽6将输入的氦气降温至液氢温度，以尽可能地避免氦气与液氢相互接触时的温度差引起的测量误差以及避免液氢气化。液氢流量标准装置配备的第一温度计7、第一压力表8，是用来实时记录实验温度值以及压力值，以进行实时安全监测。温度值和压力值这两个因素与液氢流量标准装置对被检流量计20的检测有着不可忽视的影响。第一安全阀11来确保绝热失效等紧急情况下的系统安全，避免管路和储氢罐内压力超限。第一截止阀10用来控制停止关闭流量的流动状态。氦气进入供应液氢罐2、液氢进入或流出供应液氢罐2分别配有第一氦气扩散器203与第一液氢扩散器208，其用以降低均布速度，避免液氢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。液位计201设置在供应液氢罐2罐内，可以在液氢流动时，实时测量供应液氢罐2里面的流量液位，来为实验提供参考的体积标准流量。
46.所述的供应液氢罐2、标准液氢罐3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。供应液氢罐2罐体内周围有一层真空套209，与供应液氢罐2内部之间的绝热层保持持续真空状态。真空套209和供应液氢罐2体内部也都配有温度计和压力计进行实时安全监测。第一液氢加液枪16可以在供应液氢罐2的第一储罐加注口15中手动加入液氢，也可以将第一液氢加液枪16设置在第一导轨17上，通过驱动第一导轨17带动第一液氢加液枪16，以满足远程安全操控的要求。在被检流量计20与供应液氢罐2的连接管路上，设置一个气液分离器19，以满足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。
47.高精度称重单元9设置于标准液氢罐3下方，用于对标准液氢罐3进行一个液氢流量输出与液氢流量输入时的静态流量流动实时的称重。
48.实验工作时，以打开低温高压氦气源1为起始点开始计时，氦气在经过绝热预冷槽6之后，通过第一氦气扩散器203流入供应液氢罐2的罐体内部，液氢被挤压，驱动供应液氢罐2里的液氢经过第一液氢扩散器208流出罐体，稳定地向标准液氢罐3持续加液，从而产生一个液氢标准累积流量q
β
，满足测试管路上被检流量计20的检定校准需要。通过关闭低温高压氦气源1，以停止实验中液氢的流动，随即拔开第二液氢加液枪16，此时停止计时。此时所述液氢标准累积流量q
β
由高精度称重单元9上的标准液氢罐3加液前后的质量差δm
β
和加液时间δt算得，从而得到一个液氢标准累积流量为：
49.其中，δt为装置停止计时和开始计时的时间差。
50.再将液氢标准累积流量q
β
值与被检流量计20所显示的值进行比较分析，来实现流量现场检定的校准系统的检测目的。
51.高精度称重单元9的液氢静态质量流量称重法来满足对被检流量计20进行一个校准与测量，本装置通过两个液氢储罐供应液氢罐2和标准液氢罐3之间的来回输入与输出，节约了液氢流量进行多次实验时的损失所造成的成本。当达到稳定时，停止液氢的流动，进行高精度称重单元的静态称重，与被检流量计20显示的质量流量进行对比、检定。以达到成熟的氢能装备性能检测，未来，该装置的成功试验，或许能成为该液氢行业检定的行业标准。质量称重法相较于容积法，它实现了真正意义上的高精度直接测量质量流量，具有高精度、宽量程、低压损以及长寿命的特点。
52.如图2所示，为具有预冷系统的低温高压氦气源装置示意图。声光报警器101连接着低温高压氦气源1的出口端，起到实时监测系统工作安全的作用，在发生实验危险时，可以实现声光报警功能。在进行微小流量静态质量测量时，系统管路中第一压力表8与低温高压氦气源1相连接，用来实时监测低温高压氦气源1变化的压力值。精密减压阀4连接系统管路中，可通过调节精密减压阀4来改变氦气的压力，从而实现氦气的输出量的控制。从低温高压氦气源1流出的高压氦气经过精密减压阀4后，流入预冷系统，进行一个高压氦气的预冷降温，再与液氢接触，避免液氢气化。所述预冷系统可以为单独的低温制冷机，或者是装有液氮、液氢等低温流体的预冷槽构成，本实施例选用低温流体构建的绝热预冷槽6。601是预冷槽管路，用于载体的运输。602是预冷槽槽体，用作于预冷时存放载体。系统管路中第一温度计7用于实时监测绝热预冷槽的温度，可以根据温度计显示的值调节绝热预冷槽6的温度。该具有预冷系统的低温高压氦气源装置起到一个释放高压氦气驱动液氢流出的作用，且具有安全报警功能。
53.如图3所示，为供应液氢罐示意图。供应液氢罐2罐体内配备第三温度计206、第三压力表207，用来实时记录罐体内部液氢的温度以及压力值，起到安全监测的作用。第二温度计204与第二压力表205是用来监测真空套层中的实时温度与压力值。温度与压力值这两个因素与装置对后续需要被检测的流量计的检测有着不可忽视的影响。第二安全阀202安装在供应液氢罐2内，来确保绝热失效等紧急情况下的系统安全，避免管路和供应液氢罐2内压力超限。
54.供应液氢罐2设置有第一储罐加注口15，用于加液/输液，以满足外界加液需求。第
一液氢加液枪16可以通过第一储罐加注口15在供应液氢罐2的中手动加入液氢，也可以通过第一导轨17进行驱动，以满足远程安全操控的要求。加注的液氢通过第二液氢扩散器210注入供应液氢罐2内。当开启工作时，氦气通过第一氦气扩散器203进入供应液氢罐2，驱动供应液氢罐2里的液氢往外流出，液氢则经过第一液氢扩散器208向罐外溢出，流到系统中的配套管路中。供应液氢罐2配备的第一氦气扩散器203与第一液氢扩散器208、第二液氢扩散器210，是用来降低均布速度，避免氦气进入、液氢进出储罐时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。液位计201可以显示当前供应液氢罐2的液氢液位值，以提供参考的体积标准流量。供应液氢罐2对液氢具有很好的存储功能，且可以满足实验时外界加液需求，是整套装置最为重要的环节之一。
55.如图4所示，是被检流量计测试段示意图。本系统利用高压气源驱动小流量液氢流入到被检流量计20的测试段，再从被检流量计20的测试段流出到标准液氢罐3中，其中被检流量计20即可以记录瞬时流量，也可以记录累积流量。所述被检流量计20上下游两段均设有压力表和温度计。
56.如图5所示，是标准液氢罐及高精度称重单元装置示意图。高精度称重单元9是一个可以实时计时称重的单元体重秤，其放置于标准液氢罐3下面，用于实时测量该标准液氢罐3的重量。标准液氢罐3罐体内配备第五温度计304、第五压力表305，用来实时记录罐体内部液氢的温度以及压力值，起到安全监测的作用。第四温度计302与第四压力表303是用来监测真空套层中的实时温度与压力值。第三安全阀301安装在标准液氢罐3里面，来确保绝热失效等紧急情况下的系统安全，避免管路和储氢罐内压力超限。
57.第二液氢加液枪28可以在标准液氢罐3的第二储罐加注口21中手动加入液氢，也可以通过第二导轨29进行驱动，以满足远程安全操控的要求。回收管路24上设置有第六温度计26、第六压力表27和第二截止阀25，所述第二截止阀25用来控制回流的流量；所述第六温度计26和第六压力表27，用来监测回流管路的压力与温度。
58.对标准液氢罐3加注的液氢通过第四液氢扩散器307注入标准液氢罐3内。所述回收管路24连接第二氦气扩散器308。
59.当被检流量计20里的液氢，通过第三液氢扩散器306流入到标准液氢罐3，时间达到测试需求时，将标准液氢罐3上方与回收管路24连接的快速插头23断开，第二液氢加液枪28脱离标准液氢罐3的第二储罐加注口，使得标准液氢罐3脱离整个装置系统来完成自身的单元称重环节。
60.实施例2
61.如图6所示，是气压驱动的逆向质量法液氢流量标准装置。可采用该装置进行逆向质量法气压驱动检定方式。
62.该装置与实施例1中气压驱动的质量法液氢流量标准装置相比，气液分离器19和被检流量计20的安装位置进行了调换，其他部件同实施例1相同。
63.检定前，先向标准液氢罐3充装一定体积的液氢，关闭第三截止阀5。检定开始后，由高压氦气源1向标准液氢罐3加压，排出标准液氢罐3中的液氢，
64.当开启工作时，高压氦气通过第二氦气扩散器308进入标准液氢罐3，驱动标准液氢罐3里的液氢往外流出，液氢则经过第三液氢扩散器306向罐外溢出，流到系统中的配套管路中。排出的液氢经气液分离后，经过被检流量计20，检测段中的被检流量计20用于瞬时
流量记录或者累计流量记录。标准累积流量由标准液氢罐3检定前后的质量差确定。再将标准液氢罐3的累计流量与被检流量计20的流量进行对比，完成检定工作。被检流量计20的流量流入供应液氢罐2中，此时的供应液氢罐2作为接收液氢的作用。通过这种逆向直接驱动称重单元上标准液氢罐的方式，以减少该系统上附加管容对标准累计流量称重的影响。标准液氢储罐3在高精度称重单元9上可以完成高效、高精度的称重，基于m-t法的测量，质量流量精度高，可靠性好，有望为液氢流量标准装置的检定标准提供参考指标。
65.气压驱动的双向质量法液氢流量标准装置使用时，首先将液氢流量标准装置进行氦气预冷过程；其次通过标准液氢罐检定前后的质量差和时间差，计算得到液氢标准累积流量；最后用液氢标准累积流量与被检流量计完成检定工作。
66.具体工作步骤为：
67.1、该装置检定系统在进行检定工作前，先要进行整个装置的预冷过程，防止液氢在流动过程中由温度影响发生气化导致的称重单元的测量误差。在预冷阶段，高压氦气源开通，其产生的高压氦气通入绝热预冷槽，温度降低到与储存液氢的温度一样后，再通过氦气扩散器流入供应液氢罐的罐体内部，从供应液氢罐流出后继续经过气液分离器、被检流量计、标准液氢罐，最后低温高压氦气从标准液氢储罐内排出至回收管路，实现一个完整的预冷过程。等通入低温高压氦气一段时间，整个系统装置的温度都能达到低温液氢的温度值后，再进入下一个阶段。
68.2、对供应液氢罐、标准液氢罐进行液氢充装。在液氢充装阶段，通过第一液氢加液枪、第二液氢加液枪分别对供应液氢罐、标准液氢罐进行加液，并配合压力表、液位计等指示，完成对供应液氢罐、标准液氢罐的液氢充装。
69.3、在装置整体预冷和液氢充装完毕后，流量标准装置检定流量计流量前，打开第三截止阀，并关闭第二截止阀。
70.4、系统开始计时，氦气流经精密减压阀、绝热预冷槽、第三截止阀后，驱动供应液氢罐中的液氢流经被检流量计，流经被检流量计的液氢稳定地向高精度称重单元上的标准液氢罐持续加液，从而产生一个标准液氢流量。
71.5、关闭高压氦气源，控制液氢停止流动，同时拔出第二液氢加液枪，此时系统停止计时。所述的液氢标准累积流量q
β
由标准液氢罐加液前后的质量差δm
β
和加液时间δt算得，即：
[0072][0073]
其中，δt为该装置停止计时和开始计时的时间差。
[0074]
再将液氢标准累积流量q
β
值与被检流量计所显示的值进行比较分析，来实现流量实流检定校准工作。
[0075]
6、该装置在进行逆向检定工作时，关闭第三截止阀，并打开第二截止阀，开启低温高压氦气源，高压氦气通过回收管路，逆向驱动标准液氢罐的液氢经第三液氢扩散器流出，流出的液氢经过气液分离后，流经被检流量计，被检流量计用于瞬时流量记录或者累计流量记录。液氢标准累积流量q
β
值由标准液氢罐计时前后的质量差确定。再将标准液氢罐的累计流量与被检流量计的流量值进行对比，完成逆向检定工作。
[0076]
该装置中，标准液氢罐的离合方式可以选配相应的执行器进行远程操控，提升系
统的安全性和兼容性；液氢罐和管路系统的绝热真空、温度、压力都得到实时监控并配备超限声光预警，系统的整体安全性更高。该液氢流量标准装置系统可以确保液氢在流动过程中的状态稳定，避免发生气化。该液氢流量标准装置的建立能够实现液氢实流检定和校准。该系统可提供液氢流量计检定和校准需要的液氢实流标准流量，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。