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热式测量原理:未来氢气燃气表的理想选择
来源: | 作者:SSRT | 发布时间 :2024-11-28 | 150 次浏览: | 分享到:
热式测量原理基于微机电系统(MEMS)的量热传感器元件,通过测量气体流过膜片时的温度变化来确定气体流速。该技术适用于测量各种混合天然气和氢气,无需重新校准,且具有高精度和操作安全性。热式燃气表尺寸紧凑,适用于不同混氢比例的气体测量,避免了机械式和超声燃气表的复杂性和成本问题。随着氢气混合气体的普及,热式燃气表有望推动燃气表行业的现代化。

本测试中含氢23%的天然气为EN 437规定的G222型测试天然气。根据EN 437,G222是用于测试二类混合天然气燃气设备的“极限测试气体”,即最大允许混氢比例气体。

氢气流量测量

氢气的热值较低(比天然气低三倍),因此必须大大提升氢气流量才能保证通过燃气表的能量相同。图4为五个流量传感器在参考气体(100%氢气和98%氢气+2%二氧化碳)流量高达20m3/h时的相对测量误差。2%是ISO 14687规定的A类氢气所含杂质的最大允许比例。同样,MID1.5级燃气表(最大流量Qmax为20m3/h)的误差极限为±3.5%和±2.0%(黑线所示)。
 

可以看到,在测量纯氢和CO2比例为2%的混氢时,燃气表的性能都很出色。另外值得一提的是,无论是流速为6m3/h的天然气还是20m3/h的氢气,传感器(以及相应燃气表)尺寸可始终保持不变。


操作安全性

热式流量传感器测量天然气或氢气时无任何安全相关限制。即使流量传感器电压调节出现故障,微传感器元件上的最高温度和最大存储热能均远低于氢气/空气混合物的燃点和引燃能。这也是为什么多年来Sensirion的热式流量测量技术能成功经受住纯氢气体分析应用的挑战。
 

紧凑尺寸,适用于各种混氢比例

用氢气替代天然气必须注意一个前提:按体积算氢气的热值比典型混合天然气低三倍左右。这意味着在实际应用中,如果燃气设备使用的是纯氢而非天然气,则必须提供约三倍气体量才能达到相同的加热效果。原先的天然气燃气表必须适应由于加入氢气而增加的气体体积,因此需选择尺寸更大的纯体积式天然气表,且具有较大的动态测量范围(因为必须与天然气和纯氢气兼容)。燃气表尺寸变大可能导致成本增加,且需要更多安装空间。使用无氢天然气时,如果气体体积超过燃气表初始设计值,可能会加重燃气表机械装置磨损,缩短使用寿命。
 

同样,由于氢气比天然气声速高(大约三倍),超声燃气表也面临挑战。这意味着,必须把声脉传播通道物理拉长,电子元件的测量速度也必须大大提升。为此,需要更大、更复杂、成本更高的燃气表。
 

相比之下,静态热式流量测量技术无需移动任何部件即可直接测量质量流量。因此,流量体积增加并不会导致额外磨损,也不会影响热式燃气表使用寿命。与体积式燃气表和超声燃气表不同,热式燃气表无论用于测量天然气还是不同比例的混氢天然气都能保持尺寸不变。热式测量原理考虑的关键参数不是流经燃气表的气体体积,而是相关混合气体的雷诺数。雷诺数是流体动力学中表示流场中流体为湍流(雷诺数大)还是层流(雷诺数小)的参数。比较纯甲烷ReCH4(代表天然气混合物)和纯氢气ReH2的雷诺数发现,对于相同的燃气表外壳形状,ReH2的雷诺数比ReCH4低6倍以上。即使假设氢气流量增加3倍(以补偿比天然气低3倍的氢气热值),ReH2的雷诺数仍比ReCH4低2倍左右。与甲烷相比,氢气的雷诺数较低,这意味着燃气表外壳形状相同时,即使氢气体积流量增加3倍,测量情况依旧保持稳定。