天然气网络氢能与富氢天然气流量计的校准设施与测试结果分析

为解决天然气网络向低碳转型过程中流量计准确测量氢气和富氢天然气的技术难题，研究人员开发了NEL、VSL和DNV三大校准设施，测试了9种流量计在H2和H2NG条件下的性能。结果表明，旋转位移计和隔膜计适用于民用场景，孔板计可通过雷诺数匹配实现氮气校准向氢气的可靠转换，而热质量流量计需气体特异性校准。研究为欧盟氢能入网提供了关键实验数据支撑。

　　

随着欧盟"绿色新政"提出205年全面脱碳目标，氢能（H₂）和富氢天然气（H₂NG）成为改造现有天然气网络的关键载体。然而，氢气低密度、低粘度的特性对传统流量计提出严峻挑战——现有设备在测量精度、材料兼容性和校准标准等方面均存在空白。更棘手的是，欧洲超过200,000公里的输气管道和200万公里的配气网络中，流量计直接关系着能源贸易结算的公平性，其误差可能引发巨额经济损失和消费者信任危机。

为攻克这一难题，来自TüV SüD国家工程实验室（NEL）、荷兰计量研究院（VSL）和DNV的研究团队联合开发了三套革命性校准设施，系统评估了9种流量计在氢能环境下的性能表现。这项发表在《International Journal of Hydrogen Energy》的研究，首次实现了从家用G4隔膜计到工业级DN150涡轮流量计的全尺寸测试覆盖。

研究团队采用三大关键技术：1）基于PVTt（压力-体积-温度-时间）原理的初级标准装置，通过±0.1%精度的气体收集罐实现基准测量；2）汞密封活塞式校准器，在0.006-0.6 Sm³/h低流量范围保持±0.22%不确定度；3）闭环测试系统AGFLG和HYFLG，通过声速喷嘴（CFVN）和科里奥利质量流量计构建多级溯源体系。

【测试设施特性】
NEL的燃气初级标准（GFPS）设施通过四个200L校准罐实现0.006-100 Sm³/h流量范围的30 bar高压测试，而家用气表设施（DGMF）采用声速喷嘴覆盖0.04-6 m³/h的民用场景。VSL的活塞式校准器创新采用压力外壳设计，使10 bar压力下的低流量校准成为可能。DNV的AGFLG系统则通过并联5个CFVN和涡轮参考计，在16-32 bar压力下实现1000 m³/h的大流量测试。

【关键测试结果】
旋转位移计在氢气中误差较氮气降低1%，但受粘度影响其量程比（Q_max/Q_min）从203降至103；隔膜计虽保持MID 1.5级精度，但氢气误差比甲烷高0.2-1.4%。孔板计的排放系数在氮氢转换中表现稳定，验证了ISO 5167-2标准在非标小尺寸（d=3.4 mm）下的适用性。热质量流量计未经气体特异性校准时误差暴增至25%，而涡轮计通过PTB轴承摩擦模型修正后，在Re>7.7×10⁴时误差控制在±0.25%。超声波表在H₂NG中呈现0.2%的系统正偏差，低雷诺数下误差可达2.25%。

这项研究为氢能计量领域建立了三大里程碑：首次证实旋转位移计和隔膜计在民用H₂NG场景的适用性；开发出可追溯至SI单位的校准体系；揭示不同流量计技术对氢气的响应规律。特别是提出的雷诺数匹配原则，使得现有天然气流量计通过氮气校准即可预测氢气性能，大幅降低设备改造成本。研究数据已直接支撑欧盟《计量仪器指令》（MID）的修订，为40 GW电解槽计划的实施铺平了道路。未来需重点突破超声波表的组分偏差修正模型，并建立覆盖DN500以上管径的氢能高压校准能力。