简述
- 可再生能源崛起：风能、水能和太阳能是能源转型的核心。它们有助于减少对化石燃料的依赖并推动脱碳进程，由此成为了可持续能源体系的基石：既能满足日益增长的需求，又能保护气候。
- 天然气作为过渡能源：尽管可再生能源发展迅速，但未来几年天然气仍将发挥重要作用，在能源可靠性与经济性方面提供保障。当更清洁的替代能源持续扩张并得到更广泛应用时，天然气作为过渡能源可确保供能的稳定性。
- 氢气与储氢：为了平衡可再生能源对天气的依赖性以及季节性的消费波动，我们需要新的解决方案。氢气正逐渐成为一种多用途能源，而先进的储氢技术对于储存多余能源和提供稳定性至关重要，有助于更接近碳中和供能的目标。
天然气管网中的氢气
利用可再生能源制氢并将其输送至现有天然气管网，这在实现碳中和供能的道路上发挥着重要作用。氢气可在可再生能源丰富的地区制备。此外，氢气可作为一种额外的能源载体，通过现有天然气管网储存并输送给用户。氢气在现有天然气分配管网中的储存和输送比例高达30 vol.%。
纯氢管网最初将在地区范围内推广。随后再逐步扩展，最终形成更大范围的管网。据估计，到了2040年，欧洲范围内的氢气输送管网总长度可达4万公里。
对气体流量测量的影响
如今，可靠稳定测量掺氢天然气流量的能力变得日益重要。气体成分的变化给各种计量技术带来了新的挑战。这是因为添加的氢气会影响天然气的性质：气体的密度、粘度、爆炸性、流量和声速都会发生变化。这对管道、压缩机、密封件、阀门、测量技术等提出了全新的挑战，例如泄漏和爆炸风险或热值测定。因此，天然气管网运营商和天然气供应商都想知道这会如何影响天然气流量计的性能。
在过去的二十年中，超声波流量测量为天然气和过程气体行业树立了可靠性、耐用性和测量精度的新标杆。
向天然气中添加少量氢气即可显著提高混合气体的声速（SOS）。当氢气的体积占比为100%时，其声速约为天然气的三倍。图1中的图表显示了天然气、掺氢天然气（氢含量为30 vol%）以及纯氢的声速。
图1：典型天然气（甲烷含量为90 vol%）、掺氢天然气以及纯氢的声速
这对USM设计提出了若干要求。必须确保天然气等效测量范围，并满足所需的测量不确定性。这包括减少测量值的离散程度，降低对压力、温度和介质波动的交叉敏感性，以及减少流体力学效应。
对于掺氢不超过30 vol%的天然气，仍可对此效应进行补偿。
图2：FLOWIC流量计的应用实例
超声波流量测量：满足未来测量要求
对于未来的掺氢天然气和纯氢计量交接测量，其规范和要求与天然气测量相同，尤其是在测量精度方面。超声波气体流量计（USM）必须根据新测量任务进行适当调优。
专用输氢管道与天然气管道并无显著差异。其要求与目前的天然气流量计要求相似。为了达到相同的能量输送能力，输送系统需要更大的公称直径或更高的流量。因此，专为氢气设计的USM必须能够承受更高的最大气体流速。
USM能够很好地满足所有要求，因此无论是掺氢天然气还是纯氢，此类仪表都非常适合在未来输配管网中进行计量交接流量测量。
使用USM进行流量测量的优势如下：
- 适用公称口径范围广（DN50...DN1400）
- 大量程比：≥ 1:100
- 无堵塞，无压损
- 无机械移动部件，无脉动干扰
- 可承受更高氢气流量
- 校准结果可转移至其他介质
除了按氢含量进行分类外，USM还可根据其在过程气体应用、输送管网和分配管网中的用途进行区分：
气体质量指标（GQI）：氢含量测定
除了主要测量值和所需的高精度外，超声波气体流量计（USM）还具有更多优势：由于USM内置了“气体质量指标”（GQI），仪表能够通过声速值（SOS）检测气体成分的变化。由于氢气的声速极高，因此可以非常精确地检出氢含量的微小变化。如果已知参考气体成分或其声速（不含氢），也可以非常精确地测定氢含量。设备将声速测量值与参考声速值进行比较。假设任何差异都归因于氢气的掺杂，则可以直接测定氢含量。近似值通过USM固件内置的实验公式计算得出。
满足纯氢的计量交接测量需求
专为高声速介质开发的高端氢气传感器、工作频率为1000 kHz的全新电子部件，以及重新设计的生产控制和测试过程：凭借多年的计量交接专业经验，Endress+Hauser推出了FLOWSIC610，这是一款非常先进的超声波流量计，已获得MID认证，适用于氢气的计量交接测量，涵盖DN50至DN400全公称口径范围，贸易结算精度等级达1级。
除了用于数据通信的标准化接口之外，FLOWSIC610还配备了专用调试和服务接口：搭载Bluetooth®蓝牙适配器后，可与支持Bluetooth®蓝牙通信的终端设备进行长达30 m的无线连接。无需额外的设备专用适配器。此外，还提供带USB-C接口的有线适配器。
总结
超声波气体流量计已成功用于气体流量测量超过20年，应用非常广泛。其中包括不同氢含量气体的测量。这些应用中所用的仪表以及FLOWIC系列的其他仪表均已经过调优并取得认证，可用于氢体积含量高达30%的天然气的计量交接测量。天然气管网运营商可以顺势而为，将可再生氢气输送至现有天然气管网中，并进行氢气的运输和储存，而无需额外购置新的气体流量计。
USM的诊断功能不仅可以进行定量测量，还可以进行气体的定性测定。因此，仪表针对氢气提供了补充分析方法。在某些应用中，它可以替代昂贵的氢测定分析技术，例如萃取气相色谱法。
对于已安装的仪表，建议进行设备状态检查，以评估输入氢含量高达30%的气体的影响。同时还应检查老化、安装条件或压力控制器的影响。Endress+Hauser的服务部门可以协助进行此项评估。
