液化天然氣加氣機(jī)計(jì)量檢定方法的研究

趙普俊，熊茂濤，尹保來，楊修杰，雷 勵(lì)，張宗平

（中國測(cè)試技術(shù)研究院，四川 成都 610021）

0 引 言

液化天然氣（liquefied natural gas，LNG）是將氣田開采出來的天然氣壓縮、膨脹、液化冷卻至-162℃后形成的低溫液體，壓力約為0.1MPa，密度約為426kg/m3，為無色透明液體，外觀如普通自來水，液化后其體積為氣態(tài)天然氣的1/625，體積能量密度約為汽油的72%。LNG是目前全球增長(zhǎng)最快的一次能源，與傳統(tǒng)的石油類燃料及CNG（壓縮天然氣）相比，LNG具有便于運(yùn)輸、儲(chǔ)存能量大、運(yùn)行壓力低、更清潔環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。

LNG加氣機(jī)是將LNG加氣站輸送的LNG加注到LNG汽車的一種超低溫計(jì)量設(shè)備。國內(nèi)LNG加氣機(jī)技術(shù)經(jīng)過近幾年的發(fā)展已經(jīng)日趨成熟，并形成了相關(guān)產(chǎn)業(yè)。該文分析了我國LNG加氣機(jī)計(jì)量檢定現(xiàn)狀，提出了LNG加氣機(jī)計(jì)量檢定的新方法，這對(duì)于促進(jìn)質(zhì)監(jiān)技術(shù)機(jī)構(gòu)對(duì)LNG加氣機(jī)開展計(jì)量檢定工作、保證貿(mào)易交接的公平性以及促進(jìn)我國LNG產(chǎn)業(yè)的發(fā)展壯大和技術(shù)進(jìn)步具有重要的指導(dǎo)意義。

1 LNG加氣機(jī)概述

1.1 LNG加氣機(jī)的組成

LNG加氣機(jī)整機(jī)主要由以下3部分組成：

（1）LNG質(zhì)量流量計(jì)；

（2）機(jī)殼、閥門及管路系統(tǒng)，包括低溫氣動(dòng)閥、低溫安全閥、低溫截止閥、低溫緊急切斷閥、金屬軟管、加氣槍、回氣槍、加氣槍座、回氣槍座、低溫工藝管道等；

（3）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、防爆電源等電氣系統(tǒng)。

1.2 LNG加氣機(jī)的原理

LNG加氣機(jī)依據(jù)直接測(cè)量流體質(zhì)量的原理計(jì)量經(jīng)過LNG加氣機(jī)充入儲(chǔ)氣瓶中的LNG液量。同時(shí)，LNG加氣機(jī)采用先進(jìn)的測(cè)控技術(shù)對(duì)計(jì)量過程進(jìn)行自動(dòng)控制，加氣機(jī)顯示屏直接顯示LNG流量、單價(jià)、金額及加氣累計(jì)量，并可遠(yuǎn)程通信，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)中央管理。圖1為L(zhǎng)NG加氣機(jī)控制原理示意圖。

圖1 LNG加氣機(jī)控制原理示意圖

2 LNG加氣機(jī)的計(jì)量檢定現(xiàn)狀

2.1 概述

目前的LNG加氣機(jī)在使用過程中溫度一般為-160～-120℃，加氣管內(nèi)外溫差大，夏天甚至可以達(dá)到200℃，因此在管路中普遍存在氣化現(xiàn)象，形成氣液混合多相流的情況。此外，LNG質(zhì)量流量計(jì)在氣液混合比超過一定值時(shí)，計(jì)量的誤差較大，經(jīng)常會(huì)發(fā)生貿(mào)易糾紛，不能滿足公平貿(mào)易結(jié)算的要求?？偟膩碚f，LNG加氣機(jī)在國家檢定規(guī)程及標(biāo)準(zhǔn)、LNG科里奧利質(zhì)量流量計(jì)、現(xiàn)有計(jì)量檢定方法等方面存在許多有待解決的技術(shù)難題[3-5]。

2.2 LNG加氣機(jī)國家檢定規(guī)程及國家標(biāo)準(zhǔn)

LNG作為大宗貿(mào)易商品，涉及貿(mào)易結(jié)算和安全防護(hù)，必須解決流量量值的正確和統(tǒng)一問題，這不僅直接關(guān)系到貿(mào)易雙方的利益，而且按照國家《計(jì)量法》的規(guī)定，用于貿(mào)易交接的LNG加氣機(jī)應(yīng)依法納入強(qiáng)制管理范圍，因此必須進(jìn)行型式評(píng)價(jià)、首次檢定、后續(xù)檢定和使用中檢定。目前國內(nèi)已有多家企業(yè)生產(chǎn)LNG加氣機(jī)，由于LNG加氣機(jī)尚無國家檢定規(guī)程及國家標(biāo)準(zhǔn)，技術(shù)機(jī)構(gòu)無依據(jù)對(duì)其開展檢定工作，這對(duì)于貿(mào)易交接的公平性來說是非常嚴(yán)重的問題。目前，中國測(cè)試技術(shù)研究院等單位正在實(shí)施LNG加氣機(jī)國家檢定規(guī)程及型式評(píng)價(jià)大綱的制定，這必將更好地規(guī)范LNG加氣機(jī)的生產(chǎn)和計(jì)量檢定工作。

2.3 LNG科里奧利質(zhì)量流量計(jì)

LNG流量計(jì)是整個(gè)LNG加氣機(jī)的核心部件，科里奧利質(zhì)量流量計(jì)為目前應(yīng)用最成功的LNG流量計(jì)。圖2即為使用中的LNG科里奧利質(zhì)量流量計(jì)。目前，美國高準(zhǔn)公司生產(chǎn)的CMF系列質(zhì)量流量計(jì)和Endress+Hauser公司生產(chǎn)的83F低溫型質(zhì)量流量計(jì)以其耐低溫、性能穩(wěn)定、準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)得到了LNG加氣機(jī)行業(yè)的認(rèn)同。另外，LNG加氣機(jī)在加液過程中由于內(nèi)外溫差大而氣化，難免會(huì)產(chǎn)生一些氣體，氣液兩相對(duì)科里奧利質(zhì)量流量計(jì)的計(jì)量準(zhǔn)確度影響較大，氣相流量計(jì)量的準(zhǔn)確性對(duì)加氣機(jī)整機(jī)計(jì)量準(zhǔn)確度的提高起到了至關(guān)重要的作用。目前液相計(jì)量的準(zhǔn)確度可達(dá)±0.10%，氣相計(jì)量的準(zhǔn)確度只有±0.35%，這是在LNG加氣機(jī)的計(jì)量檢定中需要進(jìn)一步解決的技術(shù)難題[6]。

圖2 使用中的LNG科里奧利質(zhì)量流量計(jì)

2.4 LNG加氣機(jī)的回氣問題

LNG加氣機(jī)分為單流量計(jì)加氣機(jī)和雙流量計(jì)加氣機(jī)。單流量計(jì)加氣機(jī)無氣相流量計(jì)；雙流量計(jì)加氣機(jī)有氣相流量計(jì)對(duì)回氣進(jìn)行計(jì)量，并從加氣總量中扣減。LNG加氣機(jī)無論采用單流量計(jì)還是雙流量計(jì)，主要取決于LNG汽車儲(chǔ)氣瓶使用和加氣站設(shè)計(jì)壓力的情況。LNG儲(chǔ)氣瓶初次使用和長(zhǎng)期擱置再次使用時(shí)，由于儲(chǔ)氣瓶?jī)?nèi)溫度較高，LNG充裝進(jìn)去后很快部分汽化，造成儲(chǔ)氣瓶?jī)?nèi)壓力升高，LNG液體難以充裝進(jìn)儲(chǔ)氣瓶，這時(shí)就必須使用雙流量計(jì)LNG加氣機(jī)進(jìn)行回氣計(jì)量。此外，部分LNG使用企業(yè)對(duì)于內(nèi)部結(jié)算的LNG加氣機(jī)采用單流量計(jì)，LNG回氣不進(jìn)行計(jì)量，這就造成LNG加氣機(jī)顯示的加氣量與實(shí)際加氣量的差距。據(jù)中國測(cè)試技術(shù)研究院的相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，其差值可達(dá)5%～15%，這就給LNG加氣站的運(yùn)營(yíng)管理造成了困難。

2.5 LNG加氣機(jī)的計(jì)量檢定方法

針對(duì)使用質(zhì)量流量計(jì)的LNG加氣機(jī)，目前生產(chǎn)廠家采用的計(jì)量檢定方法為質(zhì)量法，此方法為靜態(tài)法檢定。LNG加氣機(jī)設(shè)置為顯示質(zhì)量流量模式，使用電子天平進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量的測(cè)量，檢驗(yàn)次數(shù)不少于3次，記錄LNG加氣機(jī)顯示的加入LNG儲(chǔ)氣瓶的質(zhì)量流量示值，與電子天平稱量的充入LNG儲(chǔ)氣瓶的凈質(zhì)量值進(jìn)行直接比對(duì)，以得到LNG加氣機(jī)計(jì)量準(zhǔn)確度的結(jié)果。LNG加氣機(jī)的計(jì)量檢定工作一般在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，質(zhì)量法中的電子天平容易受到LNG加氣站現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境因素影響，造成檢定準(zhǔn)確度的大幅下降，電子天平的運(yùn)輸也不方便。同時(shí)，質(zhì)量法所稱量的LNG在檢定完成后不允許現(xiàn)場(chǎng)排放，否則將造成安全隱患；LNG的現(xiàn)場(chǎng)回收難度大，不回收又會(huì)造成極大浪費(fèi)，因此質(zhì)量法已經(jīng)不能滿足LNG加氣機(jī)計(jì)量檢定的要求，迫切需要采用新的計(jì)量檢定方法。

3 LNG加氣機(jī)的計(jì)量檢定新方法

3.1 標(biāo)準(zhǔn)表法概述

標(biāo)準(zhǔn)表法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置是傳遞標(biāo)準(zhǔn)裝置，主要是把性能良好、準(zhǔn)確度高、重復(fù)性好（0.01%～0.05%）的流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)量器具用于檢定其他流量計(jì)。它利用流體力學(xué)連續(xù)性原理，將標(biāo)準(zhǔn)流量?jī)x表和被檢流量?jī)x表串聯(lián)在同一管徑的管道上，使流體在相同時(shí)間間隔內(nèi)連續(xù)通過標(biāo)準(zhǔn)流量?jī)x表和被檢流量?jī)x表，由標(biāo)準(zhǔn)流量?jī)x表給出標(biāo)準(zhǔn)流量值，與被檢流量?jī)x表輸出的流量值比較，確定被檢流量?jī)x表的技術(shù)指標(biāo)。與其他方法的流量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置相比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、工作效率高、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和建設(shè)周期短的優(yōu)點(diǎn)，可以給出更寬的流量范圍，特別適合于現(xiàn)場(chǎng)對(duì)流量?jī)x表及裝置的檢定，這是采用其他方法的流量標(biāo)準(zhǔn)裝置無法相比的[7-8]。

3.2 LNG加氣機(jī)檢定裝置

目前國內(nèi)外還沒有LNG加氣機(jī)檢定裝置，國內(nèi)采用標(biāo)準(zhǔn)表法原理的CNG加氣機(jī)檢定裝置對(duì)CNG加氣機(jī)進(jìn)行檢定的技術(shù)已經(jīng)成熟。中國測(cè)試技術(shù)研究院利用此標(biāo)準(zhǔn)表法原理研制了一種計(jì)量準(zhǔn)確度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便的LNG加氣機(jī)檢定裝置，克服了質(zhì)量法的不足。

LNG加氣機(jī)檢定裝置主要由加液管路、回氣管路、放空管路和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等4部分組成。圖3即為L(zhǎng)NG加氣機(jī)檢定裝置圖。

3.3 LNG加氣機(jī)的計(jì)量檢定流程

3.3.1 準(zhǔn)備流程

圖3 LNG加氣機(jī)檢定裝置圖

LNG加氣機(jī)檢定裝置采用高準(zhǔn)確度等級(jí)的LNG質(zhì)量流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)表，LNG加氣機(jī)與LNG加氣機(jī)檢定裝置采用快裝方式相串接，檢定回路由LNG加氣站儲(chǔ)罐、輸送系統(tǒng)、LNG加氣機(jī)、LNG加氣機(jī)檢定裝置、LNG汽車儲(chǔ)氣瓶等組成，其可以實(shí)現(xiàn)LNG加氣機(jī)對(duì)LNG汽車加氣過程中實(shí)現(xiàn)對(duì)加氣機(jī)的計(jì)量檢定。

3.3.2 大循環(huán)流程

LNG加氣機(jī)串聯(lián)LNG加氣機(jī)檢定裝置，將LNG加氣機(jī)的加氣槍插到LNG加氣機(jī)檢定裝置的進(jìn)液槍口上，檢定裝置的加氣槍插到LNG加氣機(jī)的大循環(huán)槍口上，按下加氣機(jī)鍵盤上的“預(yù)冷”鍵，LNG加氣機(jī)和LNG加氣機(jī)檢定裝置開始大循環(huán)流程，期間通過LNG加氣機(jī)檢定裝置隨時(shí)觀察LNG加氣機(jī)檢定裝置中液相流量計(jì)的溫度、密度等狀態(tài)參數(shù)，確定其充分預(yù)冷后即可開始檢定工作。圖4即為大循環(huán)流程示意圖。

3.3.3 加氣流程

LNG加氣機(jī)串聯(lián)LNG加氣機(jī)檢定裝置后進(jìn)行一次完整的加氣流程。啟動(dòng)LNG加氣機(jī)“加氣”鍵，LNG加氣機(jī)開始計(jì)數(shù)，LNG液體依次流經(jīng)LNG加氣和檢定裝置，最后注入LNG汽車儲(chǔ)氣罐。加氣流程中即可進(jìn)行檢定工作，圖5即為加氣流程示意圖。

圖4 大循環(huán)流程示意圖

圖5 加氣檢定示意圖

3.3.4 全過程靜態(tài)啟停法檢定

全過程靜態(tài)啟停法檢定需要進(jìn)行一次完整的加氣流程。首先，LNG加氣機(jī)和檢定裝置的數(shù)據(jù)歸零，然后啟動(dòng)檢定裝置數(shù)據(jù)采集和LNG加氣機(jī)加氣，加氣過程大約為3～5 min，加氣機(jī)結(jié)束加氣后，立即停止LNG檢定裝置的數(shù)據(jù)采集，記錄LNG加氣機(jī)屏幕顯示值以及LNG檢定裝置顯示值，兩者相比較，從而計(jì)算出誤差。

3.3.5 動(dòng)態(tài)截取法檢定

大循環(huán)流程和加氣流程中均可進(jìn)行動(dòng)態(tài)截取法檢定。當(dāng)檢定裝置顯示的流量計(jì)狀態(tài)參數(shù)（增益、密度、溫度等）滿足檢定條件時(shí)，即可啟動(dòng)檢定裝置的數(shù)據(jù)采集，同步采用工業(yè)相機(jī)對(duì)LNG加氣機(jī)屏幕顯示加氣數(shù)據(jù)進(jìn)行拍照，至少1min后，再次進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和拍照，然后對(duì)相機(jī)照片進(jìn)行人工識(shí)別，將前后兩次照片所顯示的LNG加氣機(jī)流量數(shù)據(jù)與檢定裝置所記錄的流量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，從而計(jì)算出誤差。

3.4 運(yùn)行情況

LNG加氣機(jī)檢定裝置實(shí)際運(yùn)行情況表明，其性能穩(wěn)定、計(jì)量準(zhǔn)確、操作方便，實(shí)現(xiàn)了計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置的智能化，達(dá)到了國際先進(jìn)技術(shù)水平。與現(xiàn)有的計(jì)量檢定方法相比，主要優(yōu)點(diǎn)是：

（1）技術(shù)先進(jìn)。LNG加氣機(jī)檢定裝置可以分別采用全過程靜態(tài)啟停法檢定和動(dòng)態(tài)截取法檢定兩種方式，其先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可得到同一工況條件下加氣機(jī)和檢定裝置的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行處理，保證了檢定的準(zhǔn)確度。

（2）用途廣泛。LNG加氣機(jī)檢定裝置既可用來對(duì)LNG加氣機(jī)進(jìn)行整機(jī)檢定，也可以對(duì)LNG加氣機(jī)的液相流量計(jì)進(jìn)行單獨(dú)檢定，同時(shí)也可對(duì)相同規(guī)格的低溫型LNG流量計(jì)進(jìn)行檢定。

（3）有利于現(xiàn)場(chǎng)使用。與質(zhì)量法相比，LNG加氣機(jī)檢定裝置使用中減少了電子天平，不會(huì)受到LNG加氣站現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境因素的影響，保證了LNG加氣機(jī)計(jì)量檢定的準(zhǔn)確度。

（4）有利于環(huán)境保護(hù)。LNG加氣機(jī)檢定裝置采用標(biāo)準(zhǔn)表法對(duì)加氣機(jī)進(jìn)行檢定，其所計(jì)量的LNG液體直接進(jìn)入LNG儲(chǔ)氣瓶，克服了質(zhì)量法中所稱量的LNG在檢定完成后現(xiàn)場(chǎng)回收難度大、不回收又會(huì)造成極大浪費(fèi)的不足。

4 結(jié)束語

近年來我國LNG加氣機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，但LNG加氣機(jī)檢定裝置、國家檢定規(guī)程尚未完善，制約了該產(chǎn)業(yè)的發(fā)展壯大、技術(shù)進(jìn)步以及LNG加氣機(jī)的正常使用。目前，中國測(cè)試技術(shù)研究院等單位實(shí)施的LNG加氣機(jī)計(jì)量檢定方法的研究以及國家檢定規(guī)程的制定必將更好的規(guī)范LNG加氣機(jī)的生產(chǎn)和計(jì)量檢定工作，推動(dòng)整個(gè)LNG加氣機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與技術(shù)進(jìn)步，促進(jìn)我國天然氣工業(yè)的快速、健康發(fā)展。

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