CO2和H2流量测量的挑战-当前焦点

本文刊登于PROCESS《流程工业》2023年第3期

《CO2和H2流量测量的挑战》

(资料图片仅供参考)

文/Hilko den Hollander

本文作者供职于KROHNE科隆公司

能源转型的两大重要支柱，分别是使用H2作为能源载体，以及CO2捕获和存储（CCS：Carbon Capture and Storage）。虽然对石化和化工领域中的H2、食品和饮料行业中CO2的过程测量已经开展多年，但是实现高精度的测量依然存在特定的挑战。在本文中我们将进一步介绍科隆公司（KROHNE）的超声波和科里奥利流量计，是如何应对H2和CO2技术挑战的背景。

相态

与大多数的介质相同，CO2有4个相态：固体、气体、液体和超临界，如图1所示。当常规的操作条件接近于相态临界点时，应当关注相态的变化。例如：在60bar（870psi）和20℃（68°F）时，CO2呈现为液相，密度为780kg/m3（49lbs/cft）；当压力下降到56bar（812psi）时，它将转变为密度为185kg/m3（12lbs/cft）的气体。也就是说，压力的小幅下降就会导致密度的显著变化，从而影响到测量结果。

在高压和高温状态下，CO2处于超临界态。虽然超临界听起来有些难以理解，但在其他应用中也并不鲜见。例如，甲烷的临界点为46bar（670psi）和-83℃（-117°F），这意味着典型的60 mpa（870psi）且在环境温度下的甲烷应用，也处于超临界态。

氢气的临界点是13bar（188psi）和-240℃（-400°F），因此，只有在大幅冷却时它才能转化为液体。在-240℃（-400°F）的临界温度时，至少需要13mpa（188psi）才能将氢气转化成液体；在环境压力下，氢气需要被冷却到-253℃（-423°F）才能液化。

超声波流量计所面临的挑战

超声波测量原理，可用于单相的气体、液体或超临界态，但每个相态都需要特定的仪表配置。而CO2还具有一项特别的挑战——分子热弛豫效应——令CO2分子“吸收”超声波信号。这种现象并不仅限于CO2，但CO2的吸收峰，位于制造商常用的超声波换能器的频率范围内。由于吸收峰的频率与压力相关，所以在选型时，制造商会选择与吸收峰频率有显著差异的换能器。所以，在宽泛的工作压力范围内，依然能够保证仪表的测量性能。科隆双声道气体超声波流量计如图2所示。

对于氢气的应用，还必须考虑低密度和高声速的问题。低密度的氢气，令超声波的信号更难以穿透介质并到达接收端的换能器。为了应对这一挑战，制造商将审慎地选择换能器的频率，以尽可能地提高声学性能。氢气中的高声速，将导致超声波信号，在换能器之间的传输时间极短。因此，接收端换能器必须随时待命，以接收来自发射端的信号。

由于目前还没有大型的CO2或H2流量校准设施，所以，超声波流量计通常采用水、空气或天然气进行校准。根据需要，还可以进行雷诺数的校准，在校准过程中尽可能地模拟现场的流态。例如，水在7倍的流速下，与液态的CO2十分相似。若有必要，还可以推算出基于水的雷诺数曲线，这与LNG流量计的雷诺数推算方式类似。

科里奥利流量计所面临的挑战

科里奥利流量计如图3所示，为单相流体提供高精度的流量测量，流体可以是液体、气体或超临界态。此外，还可以测量多相流。当测量CO2时，应注意避免接近临界点的工艺条件，这可能会导致密度的大幅突变。在测量气体时，尤其是测量低密度的氢气时，应注意流量计对最低密度的要求，以确保流量计的性能。在实践中，这就意味着需要确保最低的工作压力。通常，用水来校准科里奥利流量计。因为是直接测量质量流量，所以仪表不受到流体属性或流向的影响。

更多思考

捕获的CO2可能包含其他气体，如N2或O2。当接近相变线时，可能会出现两相流，其中CO2处于液相，而其他物质处于气相。另外，还需要特别关注CO2中的游离水，这可能会导致碳酸腐蚀（Fe+CO2+H2O>FeCO3+H2）。

科里奥利或超声波流量计，是否是理想的测量方案，最终还是取决于应用的具体要求。科里奥利流量计，直接测量质量流量，无需入口直管段。全通径的超声波流量，压损可忽略不计，并且口径齐全。

当下，测量标准的发展尚未完全跟上能源转型的步伐，例如欧洲的MID MI-002就未涉及气态的CO2，因为它不是可燃气体。此外，对温/压校正表格和体积/质量转换表格的认证，也有待完善。对于这些状况，科隆正在积极地与当地的计量部门（如NMi）合作，以寻找理想的解决方案。

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