加氢站氢气准确计量的探讨

王一非 王友良

〔中国石化浙江嘉兴石油分公司 浙江嘉兴 314000〕

近年来国家先后出台了支持氢能源发展的相关政策，加氢站发展非常快，前景广阔。但相关管理标准和制度相对滞后，特别是加氢站没有对应的计量标准和制度。目前国家相关规范主要有《GB50516—2010加氢站技术规范》[1]、《GB/T31138—2014汽车用压缩氢气加气机》[2]等。由于规范涉及计量内容很少，加氢站都是按照各自标准进行计量和交接、每日和每月盘存计量时，经常会产生人为的大损大溢，从而掩盖了真实的大损大溢。为了提高加氢站计量的准确度，笔者依据上述两个规范及工作实际，提出了氢气准确计量方法、计算公式和计算系数表，并结合具体的计算案例说明了交接、盘存计量和损耗管理。经过近半年的应用，计量准确，损耗正常，目前已在中国石化某石油分公司某加氢站实施。

1 氢气计量

1.1 理想体积

氢气的标准状态是20 ℃和1个大气压[1]。加氢站在采用长管拖车运输氢气时，在标准状态和实际工作状态下的理想气体压力、温度和体积的关系为式(1)：

(1)

式中：Vm理为标准状态下理想气体的体积量，m3；

Vm工为工作状态下理想气体的体积量，m3；

t为工作状态下的气体温度，℃；

P为工作状态下的压力，bar。

例1：2019年11月30日某加氢站3座储罐水容积为15 m3，PLC柜上显示3座储罐温度均为25 ℃，压力100 bar，求标准状态下氢气的理想气体体积是多少m3？

解： 根据理想气体体积公式(1)：

答：氢气的理想气体体积是1455.56 m3。

1.2 压缩因子Z

压缩因子Z是理想气体状态方程用于实际气体时必须考虑的一个校正因子，用以表示实际气体受到压缩后与理想气体受到同样的压力压缩后在体积上的偏差。压缩因子Z有三种计算方法。

1.2.1 标准公式计算

压缩因子Z被引用来修正理想气体状态方程:pV=nRT,pVm=RT

压缩因子Z的计算公式为：

(2)

式中：p为理想气体的压强，Pa；

V为理想气体的体积，m3；

n为气体物质的量，mol；

R为是气体常量8.31441，J/(mol·K)；

T为表示理想气体的热力学温度，K；

Vm为摩尔体积，L/mol；

Vm(real)为真实气体的摩尔体积，L/mol。

当实际气体处于临界点(临界气压pc，临界温度Tc，临界摩尔体积Vm，c)时，此时的压缩因子称为临界压缩因子ZC。

例2：已知氢气的临界温度Tc为-240.17 ℃、临界压力Pc为1.292 8 MPa、临界密度ρc为0.031 4 kg/m3，求临界压缩因子Zc是多少？

解：由氢气的摩尔质量M=2.015 9 g/mol和临界密度ρc=0.031 4 kg/ m3，

得临界摩尔体积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：临界压缩因子Zc是0.302 68。

例3：在标准状态101.325 kPa、 20 ℃下，氢气的摩尔体积Vm为 22.414 1 L/mol，求氢气的压缩因子Z(临界温度、临界压力、临界密度、临界压缩因子见例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

根据公式(3):

Z=0.302 68×0.078 376×349.126 021/8.282 29=0.999 997=1.00000

答：氢气的压缩因子Z为1.000 00。

1.2.2 小程序计算

生产厂家为校正加氢计量设备的准确性，需要氢气的压缩因子Z值，而用公式计算工作量会非常大，一般会利用微信小程序中“物性Online”功能输入“温度、压力”等相关参数，便可得到不同状态下氢气的压缩因子Z，这种方法取得的压缩因子Z是准确的(每次取值需支付费用)。

1.2.3 常用参数计算

压缩因子Z计算繁琐, 一般加氢站不太用公式计算氢气的压缩因子Z，也不太用微信“物性Online小程序”得到不同状态下氢气的压缩因子Z，但上述两种办法得到的压缩因子Z，可列成速算表(如表1氢气压缩因子Z速算表)，通过查表得到压缩因子Z。

表1 氢气压缩因子Z速算表

另外一种办法就是利用常用参数计算。在实际工作中，推导出压缩因子Z常用公式，基本能准确计算出氢气的压缩因子Z数值。其近似公式如下：

(4)

例4：求例1题中氢气的压缩因子Z。

解: 由温度25 ℃和压力100 bar查表1得压缩因子Z=1.0638

另外一种计算方法，根据近似公式(4)

(25+273.15)=1.063 5

最后取较准确的压缩因子Z=1.063 8

答: 氢气的压缩因子Z为1.063 8。

1.3 实际体积

(5)

式中：Vm实为标准状态下的实际气体体积，m3。

例5：求例1中3座氢气储罐实际体积量为多少？

解：根据实际体积公式(5)

3座氢气储罐实际气体体积

Vm实=1 455.56÷1.063 8=1 368.26 m3

答：3座氢气储罐实际气体的体积是1 368.26 m3。

1.4 密度

根据理想气体状态方程pV=(mRT/M)=nRT

用密度ρ表示该关系：pM=ρRT

ρ=pM/RT

(6)

式中：p为理想气体的压强，Pa；

V为理想气体的体积，m3；

m为质量，kg；

M为摩尔质量，g/mol；

ρ为密度，kg/ m3；

n为气体物质的量，mol；

T为理想气体的热力学温度，K；

R为气体常量8.31441，J/(mol·K)。

例6：在标准状态(20℃和1个大气压)下，氢气的密度为多少kg/ m3？

解：氢气的摩尔质量为2.015 9 g/mol，

根据密度公式(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：氢气的密度为0.083 8 kg/ m3。

以上是在理想状态情况下氢气的密度计算公式。在不同温度和压力下，氢气密度速算表详见表2。

表2 氢气密度速算表 (kg/m3)

1.5 质量

氢气储罐的容量是指在标准状态下的容量。当温度和压力发生变化，储罐容量大小也会变化。但由于氢气储罐强度高，钢板厚，故不考虑修正。氢气质量两种计算方法:

第一种计算方法：氢气转换到标准状态后的质量，其公式(7)：

M=ρ0×Vm实

(7)

式中：ρ0为标准状态下氢气的密度，kg/ m3。

第二种计算方法：实时状态下的质量，其公式(8)：

M=ρH2×V

(8)

式中：ρH2为实时状态下氢气的密度，kg/m3；

V为储罐水容积，m3。

例7：求例1中3座氢气储罐的质量为多少kg？

解：第一种计算方法(用公式7)：

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

氢气质量M=ρ0×Vm真=0.083 8×

1 368.26=114.66 kg

第二种计算方法(用公式8)：

由温度25 ℃和压力100 bar，查表2得ρH2=7.6711 kg/m3

氢气质量M=ρH2×V=7.6711×15=115.07 kg

取第二种计算方法的结果作为氢气的质量，M=115.07 kg

(注：两种方法计算结果有误差，主要是氢气的摩尔质量、压力和温度保留的小数位数等原因引起的)

答：3座储罐的氢气质量为115.07 kg。

2 交接计量

2.1 进货计量

一般氢气的制造工厂以氢气长管拖车压力和温度变化来计算氢气结算量。氢气长管拖车氢气结算量主要影响因素是温度和压力，尤其是温度。由于氢气长管长，存在传热不均匀，或温度计安装位置不妥等因素，就有可能影响温度值，从而导致结算量不准。安装卸氢柱的加氢站，则可用卸气柱卸氢量进行比对；如未安装卸氢柱的加氢站，则应通过复核结算量和每日计量来核对结算量是否准确。

例8：某加氢站2019年11月21日沪G9747氢气长管拖车水容积为23.48 m3，进站压力为180 bar，进站温度为20 ℃，卸气柱泵码数为5119.74；离站压力为79 bar，离站温度为19 ℃，卸气柱泵码数为5289.48，问结算量是多少kg？进货损耗多少kg？ 进货损耗率是多少？损耗是否正常？

解：1、卸气前的质量[用公式(1)、(5)和(7)]

(1)标准状态下理想气体体积

(2)标准状态下实际气体体积

由温度20 ℃和压力180 bar查表1压缩因子速算得Z=1.105 9

(3)卸气前的质量

标准状态下氢气的密度为0.083 8 kg/ m3

M=ρ0×Vm实=0.083 8×3 771.708=316.069 kg

2、卸气后的质量[用公式(1)、(5)和(7)]

(4)标准状态下理想气体体积

(5)标准状态下实际气体体积

由温度19 ℃和压力79 bar查表1压缩因子速算得Z′=1.053 5

(6)卸气后的质量

3、结算量Δm=316.069-146.117=169.95 kg

4、卸气柱卸气量Δm′=5 289.48-

5 119.74=169.74 kg

进货损耗量为Δm-Δm′=169.95-

169.74=0.21 kg

6、氢气密度仅是天然气密度的十分之一，直接影响计量器具准确性和稳定性，总量又较小，故进货损耗和损耗率控制在10 kg和5 %以内是合理的。

答：结算量是169.95 kg，进货损耗0.21 kg， 进货损耗率是0.12 %，损耗正常。

2.2 零售计量

加氢机计量采用的是质量流量计计量，其最小分度值为10 g。加氢机的最大示值误差不超过±2.5 %，最大重复性误差不超过1 %。加氢站的损耗主要由每天营业结束后压缩机停泵、仪表检定和设备检维修等正常放空引起的正常损耗，以及由设备质量、不合理工艺和计量偏差等原因产生的非正常损耗。

结合氢气特性，加氢站零售损耗率宜控制在±5 %内。要将加氢站损耗控制在合理范围内，必须做好每日计量工作，及时掌握损溢动态。若发现大损大溢，必须第一时间组织人员查明原因和采取措施。

例9：某加氢站，2019年11月21日沪G9747氢气长管拖车水容积为23.48 m3，进站压力为180 bar，进站温度为20 ℃，卸气柱泵码数为5119.74；离站压力为79 bar，离站温度为19 ℃，卸气柱泵码数为5289.48。11月21日3座储氢罐PLC柜上显示温度和压力早晚状态一致(均为25 ℃和300 bar),早晨营业前0013号加氢枪泵码数为3 852.53，0015号加氢枪泵码数为4 350.25；当天晚上营业结束0013号加氢枪泵码数为3 940.67，0015号加氢枪泵码数为4 431.51。请问当天零售损耗量是多少kg？零售损耗率是多少？损耗是否正常？

解:1、零售量=营业结束加氢枪泵码数-营业前加氢枪泵码数

=3 940.67+4 431.51-3 852.53-

4 350.25=169.40 kg

2、见例8当天进气量为169.95 kg

3、营业前后3座储氢罐状态一致，营业前后实物库存量相等

4、零售损耗量=营业结束实物库存量+进气量-零售量-营业前实物库存量

=169.95-169.40=0.55 kg

5、零售损耗量0.55 kg，主要是营业结束后压缩机停泵放空引起的；另外损耗率0.32 %小于5 %，零售损耗率正常

答：当天零售损耗量是0.55 kg，零售损耗率是0.32 %，损耗正常。

3 盘存计量

做到日清月结，结合更换氢气长管拖车和交接班，每日计量一次，每月盘存和核销一次。盘存计量时，在PLC控制柜上，摘抄各储氢罐压力和温度值，现场摘抄卸氢柱走字数和加氢机走字数，通过公式或小程序计算储氢罐库存量。随时掌握损溢动态，发现有异常情况，第一时间查找损溢原因。

例10：2019年11月30日8点，某加氢站3座储氢罐(水容积为15 m3)PLC柜上显示温度和压力为25 ℃和100 bar,0013号加氢枪泵码数为5 981.47，0015号加氢枪泵码数为7 331.21，卸氢柱泵码数为15 494.97；到12月31日8点某加氢站3座储氢罐PLC柜上显示温度和压力为25 ℃和300 bar,0013号加氢枪泵码数为8 733.77，0015号加氢枪泵码数为8 943.13，卸氢柱泵码数为19 966.35；12月份加氢站共进氢气25车次，进气量为4 619.88 kg。请问月初实物库存量是多少kg？月末实物库存量是多少kg？进货损耗量是多少kg？进货损耗率是多少kg？零售量是多少kg？零售损耗量是多少kg？零售损耗率是多少？损耗是否正常？

解：1、由温度25 ℃和压力100 bar查表1密度ρH2=7.671 1 kg/m3

月初实物库存量M=ρH2×V=7.671 1×15=115.07 kg

2、由温度25℃和压力300 bar查表1得ρH2=20.537 kg/m3

月末实物库存量M=ρH2×V=20.537×15=308.06 kg

3、实收量=月末卸氢柱泵码数-月初卸氢柱泵码数

=19 966.35-154 94.97=4 471.38 kg

进货损耗量=进气量一实收量=4 619.88-4 471.38=148.5 kg

5、零售量=月末加氢机泵码数-月初加氢机泵码数

=8 733.77+8 943.13-5 981.47-

7 331.21=4 364.22 kg

6、零售损耗量=月初实物库存量+进气量-零售量-月末实物库存量

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

8、零售损耗率1.44 %小于5 %，在正常合理范围内。

答：月初实物库存量是115.07 kg，月末实物库存量是308.06 kg，进货损耗量是148.5 kg，进货损耗率是3.21 %，零售量是4 364.22 kg，零售损耗量是62.67 kg，零售损耗率是1.44 %，损耗正常。

4 结束语

(1)笔者基于加氢站计量实际情况，提炼出加氢站氢气计量的方法、计算公式与计算系数表，以及加氢站交接结算量、盘存计量和损耗管理，避免或减少大损大溢，具有实际指导意义。

(2)基于加氢站盘存计量标准与制度相对滞后及准确计算的复杂性，建议相关部门尽快研究并制定氢气长管拖车交接计量、盘存计量和损耗管理的行业标准或企业制度，并开发准确计算的软件，以规范加氢站交接、盘存计量和损耗管理，避免人为的大损大溢。