試述車用壓縮氫氣加氣機的準確度等級驗證方法

摘 要：在我國經濟高質量發展和雙碳政策的驅動下，車用氫能源必將成為我國又一重要的清潔能源。加氫站的大規模建設必將使車用壓縮氫氣加氣機（下文簡稱：加氫機）得到廣泛應用，其量值準確直接關系到貿易結算的公正。基于此，在分析加氫機的工作原理的基礎上，對其準確度等級的驗證方法進行詳細闡述，希望能夠為相關的技術研究人員提供必要的參考和幫助。

關鍵詞：氫氣；計量；加氫機；檢定裝置

中圖分類號：F19" " " " " " " " " " " " " " " " " " "文獻標識碼：A" " " " " " " " " " " " " " " " "文章編號：2096-6903（2023）09-0049-03

0 引言

按照國家相關法律要求，需應對加氫機實施計量檢定。但目前尚沒有加氫機國家計量檢定規程或計量校準規范。因此，分析研究加氫機的結構及工作原理，進而研究其準確度等級的驗證方法，確保加氫機計量準確度是目前亟待解決的問題。

1 加氫機的工作原理

加氫機作為提供壓縮氫氣加注服務的專用計量器具，其關鍵部件為流量傳感器及加氫量顯示模塊。流量傳感器用于檢測加氫機輸出的加氣量。加氫量顯示模塊用于顯示流量傳感器檢測到的加氣量，一般由質量流量計、電子計控器、加氫槍、電磁閥、安全閥和加氫管線、泄漏報警裝置等組成。加氫站高壓儲氫容器中的壓縮氫氣進入加氫機，經過氣體過濾器、電磁閥、單向閥、質量流量計，通過拉斷閥、加氫管線和加氫槍，注入汽車高壓儲氫氣瓶，完成加氫工作[1]。電子計控器控制整個加氫過程，根據質量流量計在計量過程中輸出流量信號、壓力傳感器輸出壓力信號等進行計算，并顯示和控制電磁閥。電子計控器可以切換不同規格加注口，以適用不同車型的加氫槍要求。加氫機工作原理框圖如圖1所示。

2 加氫機的準確度等級驗證方法分析

加氫機的準確度等級驗證方法在滿足防爆要求前提下，參照車用LNG加液機的驗證方法。可采用質量法氣體流量標準裝置，或采用標準表法流量標準裝置。兩種方法的工作原理圖如圖2、圖3所示。

但由于質量法氣體流量標準裝置的解決方案，在現場實施檢定的時候符合防爆要求很困難。因此，推薦采用標準表法流量標準裝置對加氫機的準確度等級進行現場檢定驗證。

3 加氫機的準確度等級驗證方法實例

3.1 測試目的

通過加氫機標準裝置（以下簡稱：標準裝置）對加氫機的準確度等級進行驗證。

3.2 測試設備

加氫機、加氫機標準裝置和儲氣容器。

3.3 測試介質

測試介質用氫氣作為試驗介質。

3.4 準確度等級及重復性

加氫機的最大允許誤差為±1.5 %，加氫機的測量重復性不超過0.5 %。標準裝置的最大允許誤差為±0.5 %。標準裝置的擴展不確定度（包含因子k=2）應不大于被檢加氫機最大允許誤差絕對值的1/3。

3.5 測試方法

3.5.1 過程控制

具體控制措施有以下3點：①在每個流量區的測試過程中，環境溫度變化應不超過5℃，相對濕度變化應不超過10%。②在一次試驗過程中，測試氣源的各管線壓力波動應不超過5 MPa。③測試人員應遵守被測試單位安全管理制度（如穿戴安全防護防靜電用品、消除火種火源并準備滅火器具等）。

3.5.2 外觀檢查

檢查加氫機的外觀及隨機文件，銘牌應注明制造廠名、產品名稱、型號規格、制造日期、出廠編號、流量范圍、準確度等級、最大允許誤差、最大工作壓力、電源電壓、工作環境、防爆標識等。

3.5.3 密封性試驗

將加氫機與標準裝置連接，關閉加氫機與標準裝置的各排放口閥門，在加氫機最大工作壓力下保持15 min，使用檢漏液檢查全部管路系統，加氫機及附屬裝置各部件連接處，不允許泄漏現象發生，保持壓力15 min后，壓力降不超過0.1 MPa。

3.5.4 計量性能

3.5.4.1 測試流量區

測試流量按加氫機的額定工作壓力分不同流量區進行試驗，分別是R（1）、R（2）、R（3）和R（4），每個流量區分別檢定3次。各流量區的充裝壓力控制范圍見表1。

3.5.4.2 測試步驟

具體有以下7點：①測試條件應符合相應要求。②標準裝置應可靠接地，通電預熱時間不少于30 min。③按照圖1方式連接好被檢加氫機和標準裝置，測試介質應充滿管道。④清除高壓氫氣罐表面的霜和水。⑤開啟加氫機，打開加氫槍閥門和高壓氫氣罐閥門進行加氣，觀察精密壓力傳感器示值，當高壓氫氣罐的壓力達到流量區要求的起始壓力時，停止加氣，關閉加氫槍閥門和高壓氫氣罐閥門。⑥將加氫機示值回零，同時將標準裝置回零（或記錄標準裝置初始值）。⑦開啟加氫機，打開加氫槍閥門和高壓氫氣罐閥門進行加氣，觀察精密壓力傳感器示值，當高壓氫氣罐的壓力達到流量區要求的終止壓力時，停止加氣，關閉加氫槍閥門和高壓氫氣罐閥門。

3.5.4.3 數據處理

一是標準裝置的數據采集。靜態法記錄加氣全過程，加氣機和標準裝置示值均回零。加氣完成后，記錄加氫機累積流量示值，同時記錄標準裝置累積流量示值，用公式（1）計算加氫機的單次測量示值相對誤差Eij。

式中：（mJ）ij為i流量區第次測量時加氫機面板顯示的累積流量示值，單位kg；（mB）ij為流量區第次測量時校準裝置的累積流量示值，單位kg；Eij為流量區第j次測量的單次示值相對誤差，單位%。

二是示值誤差計算。流量區3次測量完成后，取3次示值相對誤差的平均值作為該流量點的示值誤差Ei，見式（2）。

式中：Ei為i流量區的示值誤差，單位%；n為測量次數，n=3。取各流量區中示值誤差絕對值最大的值作為加氫機的示值誤差。

重復性計算。重復性Er用公式（3）計算。

式中：Eimax為i流量區中單次測量示值相對誤差的最大值，單位%；Eimin為i流量區中單次測量示值相對誤差的最小值，單位%；dn為極差系數（當測量次數為3時，dn=1.69）；（Er）i為i流量區的測量重復性，單位%。取各流量區中重復性最大的值作為加氫機的重復性。

3.6 加氫機的測量不確定度

3.6.1 校準用設備引入的不確定度分量ur（Ms）

標準表法壓縮氫氣流量標準裝置的不確定度U，其相對標準不確定度見式（4）。

式中：U為標準裝置的擴展不確定度；ur（Ms）為校準用設備引入的相對標準不確定度分量。

3.6.2 被校加氫機引入的不確定度分量ur（Ms）

計算被校加氫機測量重復性引入的相對標準不確定度分量，見式（5）。

式中：（Er）i為各流量區的測量重復性；n為測量次數；ur（M1）為被校加氫機測量重復性引入的相對標準不確定度分量。

計算被校加氫機最小質量變量引入的相對標準不確定度分量，見式（6）。

式中：δx為加氫機的最小質量變量，單位kg；M為試驗中最小用氣量，單位kg；ur（M2）為被校加氫機最小質量變量引入的相對標準不確定度分量。

計算被校加氫機后端管路容積變化引入的相對標準不確定度分量，見式（7）。

式中：Δp為試驗過程中管道壓力差的最大值，單位MPa；V為加氫機后端管路容積（含不銹鋼管及高壓軟管），單位m3；ρ為校準介質工況（20℃、0.1 MPa）下密度，單位kg/m3，一般取0.084 kg/m3；ur（M3）為加氫機后端管路容積變化引入的相對標準不確定度分量。

綜合以上各分量，計量被校加氫機引入的不確定度分量，見式（8）。

如果最小質量變量引入的不確定度分量遠小于重復性引入的不確定度分量，可不考慮最小質量變量引入的不確定度分量。如果最小質量變量引入的不確定度分量大于重復性引入的不確定度分量，可不考慮重復性引入的不確定度分量。

3.6.3 相對合成標準不確定度

加氫機示值誤差不確定度評定的相對合成標準不確定度按公式（9）計算。

式中：ur為加氫機示值誤差的相對合成標準不確定度；ur（Ms）為校準用設備引入的相對標準不確定度分量。

3.6.4 加氫機示值誤差的擴展不確定度

加氫機示值誤差的擴展不確定度見式（10）。

Ur=k×ur" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（10）

式中：k為擴展因子（k=2）；Ur為加氫機示值誤差的擴展不確定度。

將加氫機取各流量區中擴展不確定度最大的值作為加氫機的擴展不確定度。

3.7 測試數據

測試數據如表2所示。

3.8 結果分析

加氫機符合最大允許誤差為±1.5 %，測量重復性不超過0.5 %的技術指標要求。

4 結束語

未來氫能源必將更廣泛應用，將逐漸替代傳統的化石能源，成為我國能源消耗的重要組成部分。加氫機的廣泛應用必將推動新一輪新能源汽車的迭代升級，為我國環境減排做出更大貢獻。

參考文獻

[1] 李壯.氫能源：人類發展的新篇章[J].南京工業大學，2016 （8）：98-101.