LNG加氣機(jī)現(xiàn)場檢定方法的研究

楊修杰 趙普俊 張宗平 陳艷 雷勵

中國測試技術(shù)研究院

LNG加氣機(jī)現(xiàn)場檢定方法的研究

楊修杰 趙普俊 張宗平 陳艷 雷勵

中國測試技術(shù)研究院

LNG加氣機(jī)作為一種尚處于發(fā)展階段的新的計(jì)量器具，其現(xiàn)場檢定較為困難。為此，介紹了LNG的物理特性和計(jì)量難點(diǎn)，剖析了LNG加氣機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作流程，對比分析了稱重法和標(biāo)準(zhǔn)表法（又分為啟停法和動態(tài)法）的優(yōu)缺點(diǎn)和現(xiàn)場可操作性。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，采用標(biāo)準(zhǔn)表法（尤其是動態(tài)檢定法）對LNG加氣機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場檢定更為合理可行。在此基礎(chǔ)上研制了一套實(shí)用的標(biāo)準(zhǔn)表法LNG加氣機(jī)現(xiàn)場檢定裝置，該裝置測量結(jié)果可靠，現(xiàn)場可操作性強(qiáng)，符合LNG加氣機(jī)的現(xiàn)場檢定校準(zhǔn)要求。

液化天然氣 LNG加氣機(jī) 現(xiàn)場檢定 稱重法 標(biāo)準(zhǔn)表法 動態(tài)

液化天然氣（LNG）作為動力燃料已在我國部分城市公交汽車和長途運(yùn)輸車上廣泛使用，成為繼壓縮天然氣（CNG）后又一種清潔型汽車動力燃料［1－4］。LNG加氣機(jī)主要用于為LNG汽車加注LNG并對加注量進(jìn)行計(jì)量［5－6］。按照我國計(jì)量法規(guī)定，LNG加氣機(jī)作為一種貿(mào)易結(jié)算的計(jì)量器具，必須定期進(jìn)行周期檢定。由于LNG加氣機(jī)是一種尚處于發(fā)展階段的新的計(jì)量器具，目前尚無國家計(jì)量檢定規(guī)程，國內(nèi)外都沒有成熟的現(xiàn)場檢定方法，LNG加氣機(jī)的檢定工作成為空白。中國測試技術(shù)研究院LNG課題組對LNG加氣機(jī)檢定方法做了大量研究，提出了一種較為可行的LNG加氣機(jī)現(xiàn)場檢定方法。

1 LNG加氣機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作流程

1.1 LNG加氣機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

LNG為超低溫液體，其溫度一般在－140℃以下，且極易氣化，在加注過程中部分液體不斷氣化，這對貿(mào)易交接中LNG的準(zhǔn)確計(jì)量和將LNG順利加注到儲氣罐中提出了極大的挑戰(zhàn)。LNG加氣機(jī)一般分為雙流量計(jì)（包括液相和氣相流量計(jì)）系統(tǒng)和單流量計(jì)（無氣相流量計(jì)）系統(tǒng)。目前，主流的LNG加氣機(jī)采用雙流量計(jì)，典型的LNG雙流量計(jì)加氣機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由加液通路、回氣通路和控制閥組成。

圖1 LNG雙流量計(jì)加氣機(jī)的基本結(jié)構(gòu)圖

1.1.1 加液通路

LNG加氣機(jī)通過加液通路將LNG加注到汽車儲氣罐中，同時完成對加注量的計(jì)量。流量計(jì)是LNG加氣機(jī)的核心計(jì)量部件，LNG的超低溫特性決定了其對流量計(jì)的選擇較為苛刻。目前LNG加氣機(jī)采用基于科里奧利力原理的質(zhì)量流量計(jì)，由液相流量計(jì)負(fù)責(zé)計(jì)量加氣站加注到汽車儲氣罐中的LNG質(zhì)量。

1.1.2 回氣通路

加氣機(jī)回氣通路的存在是由LNG的超低溫和易氣化特性決定的。在LNG加氣機(jī)的使用過程中，當(dāng)加氣機(jī)通過加液槍頭將LNG加注到汽車儲氣罐時，將有少量液體氣化，如果沒有回氣通路，汽車儲氣罐內(nèi)部壓力將不斷升高，當(dāng)達(dá)到一定程度時，加氣機(jī)將無法為汽車儲氣罐加注LNG?；貧馔返淖饔镁褪菍⑵噧夤拗袣饣奶烊粴饣亓鞯郊託庹?，以降低汽車儲氣罐的內(nèi)部壓力，確保加氣機(jī)能夠?qū)NG順利加注到汽車儲氣罐中［7］。實(shí)驗(yàn)表明，一次LNG加注過程的回氣量約為加氣機(jī)總加注量的5%左右?；貧馔飞贤瑯影惭b有流量計(jì)，由氣相流量計(jì)負(fù)責(zé)計(jì)量從汽車儲氣罐中回到加氣站的氣態(tài)天然氣質(zhì)量，液相流量計(jì)和氣相流量計(jì)的計(jì)量結(jié)果之差即為加氣站實(shí)際加注到汽車儲氣罐中的天然氣質(zhì)量。

1.1.3 控制閥

控制閥1和控制閥2的存在同樣是由LNG易氣化的特性決定的。LNG加氣機(jī)為汽車儲氣罐加氣過程的前期，由于熱交換的原因部分天然氣發(fā)生氣化，流過液相流量計(jì)的天然氣處于氣液兩相狀態(tài)，因此質(zhì)量流量計(jì)測量的流量數(shù)據(jù)是不準(zhǔn)確的，無法保證加氣機(jī)計(jì)量的準(zhǔn)確性。通過調(diào)節(jié)控制閥1和控制閥2的開啟順序，使在計(jì)量過程中流過液相流量計(jì)的天然氣一直處于液態(tài)，這樣就能夠有效地保證LNG加氣機(jī)的計(jì)量準(zhǔn)確性。圖2為LNG加氣機(jī)使用過程中通過液相質(zhì)量流量計(jì)流體的瞬時流量、密度和加氣時間的對應(yīng)曲線。為了能夠?qū)⒚芏群退矔r流量在同一坐標(biāo)系表示，圖2中將密度值縮小了10倍。

圖2 通過液相質(zhì)量流量計(jì)流體的瞬時流量、密度與加氣時間的對應(yīng)曲線圖

從圖2中可以看到加氣機(jī)從加氣開始，瞬時流量快速波動上升，而密度以一定斜率緩慢上升。從13：24：10開始加氣到13：24：35密度趨于穩(wěn)定，約有20 s時間流量計(jì)流過的介質(zhì)處于氣液兩相流狀態(tài)。加氣機(jī)通過控制控制閥1和控制閥2的動作順序可以有效避免由于測量介質(zhì)存在氣液兩相而造成的計(jì)量不準(zhǔn)問題，具體工作原理為：當(dāng)加氣機(jī)開始加氣時，控制閥1關(guān)閉，控制閥2打開，此時流量計(jì)測量流體狀態(tài)，但不參與計(jì)量；當(dāng)流體狀態(tài)達(dá)到測量要求時，控制閥2關(guān)閉，同時打開控制閥1，測試流量計(jì)開始計(jì)量，完成加注任務(wù)。

由于實(shí)驗(yàn)中需要將大量氣體排放到空氣中，如果直接采用LNG作為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)，將會造成大量的LNG在空氣中變成氣態(tài)，污染空氣，浪費(fèi)能源，且容易引起安全隱患，因此實(shí)驗(yàn)中采用液氮來替代LNG作為測試介質(zhì)。液氮通常溫度為－180℃左右，和LNG具有相同的超低溫和易氣化的特性，能夠滿足實(shí)驗(yàn)要求。文中所有測試數(shù)據(jù)均以液氮為測量介質(zhì)所得，采樣周期為100 ms。

1.2 LNG加氣機(jī)的工作流程

加氣機(jī)的工作流程是根據(jù)流過加氣機(jī)的流體狀態(tài)而確定的，具體為：將加液槍頭和回氣槍頭分別安插到汽車儲氣罐的進(jìn)液口和出氣口上，啟動加氣機(jī)開始加注LNG，加注過程中加氣機(jī)首先進(jìn)行小循環(huán)，此時流經(jīng)液相流量計(jì)的LNG處于氣液兩相狀態(tài)，流量計(jì)無法將其準(zhǔn)確計(jì)量，控制閥2開啟，控制閥1關(guān)閉，LNG經(jīng)液相流量計(jì)、控制閥2回到加氣站中，此時流量計(jì)主要用于測量流體狀態(tài)，不參與計(jì)量工作；當(dāng)流過液相流量計(jì)的LNG為全液態(tài)時，控制閥2關(guān)閉，控制閥1開啟，開始向汽車儲氣罐中加注LNG；小循環(huán)的時間長短由流過液相流量計(jì)的流體狀態(tài)決定。LNG加氣機(jī)的工作流程如圖3所示。

圖3 LNG加氣機(jī)的工作流程圖

2 LNG加氣機(jī)的現(xiàn)場檢定方法的對比分析

由量值溯源原理及LNG的特性可知，對LNG加氣機(jī)的準(zhǔn)確度判定可采用稱重法和標(biāo)準(zhǔn)表法兩種方法，兩種方法各有利弊，根據(jù)需要及實(shí)際情況可酌情選擇［8－9］。

2.1 稱重法

目前LNG加氣機(jī)采用質(zhì)量流量計(jì)作為計(jì)量元件，單從理論上講，該方法直接溯源到質(zhì)量，采用電子秤對LNG加氣機(jī)直接檢定應(yīng)為首選，但由于LNG溫度非常低，可燃且易氣化，對LNG加氣機(jī)檢定的實(shí)際操作中存在許多難以處理的問題，如在檢定過程中要回收LNG加氣機(jī)加注出來的LNG較為困難，最理想的辦法是將其放空，這不僅較為浪費(fèi)且容易引起安全隱患和空氣污染。該方法適用于實(shí)驗(yàn)室檢定，不適用于LNG加氣機(jī)的現(xiàn)場檢定。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)表法

考慮到稱重法的弱點(diǎn)，現(xiàn)場檢定LNG加氣機(jī)優(yōu)先選用標(biāo)準(zhǔn)表法。根據(jù)實(shí)際操作過程，標(biāo)準(zhǔn)表法又可進(jìn)一步分為啟停法和動態(tài)法。標(biāo)準(zhǔn)表法檢定LNG加氣機(jī)的工作原理圖如圖4所示。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)表法檢定LNG加氣機(jī)的工作原理圖

2.2.1 啟停法

啟停法是將加氣機(jī)和檢定裝置同時啟動計(jì)量和停止計(jì)量，比較兩者數(shù)據(jù)的差異即可獲得加氣機(jī)的測量誤差。目前CNG加氣機(jī)采用啟停法檢定，通過閥門控制，在檢定裝置處憋壓，實(shí)現(xiàn)加氣機(jī)和檢定裝置同步啟動計(jì)量和停止計(jì)量，對加氣過程進(jìn)行全程檢定［10－11］。但對于LNG加氣機(jī)而言，一方面由于LNG具有極易氣化的特性，采用啟停法不能出現(xiàn)憋壓現(xiàn)象，無法實(shí)現(xiàn)LNG加氣機(jī)和檢定裝置同步啟動計(jì)量和停止計(jì)量；另一方面由于在LNG加氣機(jī)內(nèi)部存在小循環(huán)結(jié)構(gòu)，而檢定裝置內(nèi)部卻不能出現(xiàn)類似的小循環(huán)結(jié)構(gòu)，流量計(jì)在計(jì)量前期測量的流體可能沒有處于滿足準(zhǔn)確測量要求的狀態(tài)，對準(zhǔn)確計(jì)量存在較大影響。大量實(shí)驗(yàn)測試表明，采用標(biāo)準(zhǔn)表法檢定LNG加氣機(jī)的過程中，檢定裝置內(nèi)部流體狀態(tài)在檢定前期有5～30 s時長處于非準(zhǔn)確測量狀態(tài)，啟停法檢定LNG加氣機(jī)在實(shí)際檢定中存在一定的困難。

2.2.2 動態(tài)法

動態(tài)法由啟停法發(fā)展而來，其檢定LNG加氣機(jī)的作業(yè)框圖如圖5所示。

動態(tài)法檢定LNG加氣機(jī)的過程中，當(dāng)LNG加氣機(jī)啟動后，立即啟動計(jì)算機(jī)軟件，實(shí)時監(jiān)測檢定裝置中流量計(jì)的工作狀態(tài)，當(dāng)流過檢定裝置內(nèi)部流量計(jì)的流體滿足計(jì)量要求時，啟動工業(yè)相機(jī)抓拍被檢LNG加氣機(jī)顯示屏上的累計(jì)流量A1，同時讀取檢定裝置流量計(jì)的累計(jì)流量B1，此時檢定開始。LNG加氣機(jī)持續(xù)加氣大于1 min以后，啟動工業(yè)相機(jī)抓拍被檢LNG加氣機(jī)顯示屏上的累計(jì)流量A2，同時讀取檢定裝置流量計(jì)的累計(jì)流量B2，此時檢定結(jié)束，停止LNG加氣機(jī)的加氣作業(yè)。整個檢定過程共需采集4個數(shù)據(jù)。

圖5 動態(tài)法檢定LNG加氣機(jī)的作業(yè)框圖

在檢定過程中流過被檢LNG加氣機(jī)的累計(jì)質(zhì)量流量（m1）為：

流過檢定裝置的累計(jì)流量（m2）為：

被檢LNG加氣機(jī)的絕對誤差（Δm）為：

被檢LNG加氣機(jī)的相對誤差（δ）為：

通過數(shù)據(jù)A1、A2、B1和B2可以計(jì)算出被檢加氣機(jī)的測量不確定度。表1為采用稱重法檢定LNG加氣機(jī)的3組實(shí)測數(shù)據(jù)，表2為采用動態(tài)法檢定同一臺LNG加氣機(jī)的3次實(shí)測數(shù)據(jù)。

表1、2的數(shù)據(jù)表明采用動態(tài)法檢定LNG加氣機(jī)的結(jié)果與采用稱重法檢定LNG加氣機(jī)的結(jié)果基本一致，但是，該方法只對加氣過程中狀態(tài)最穩(wěn)定時的LNG加氣機(jī)的計(jì)量準(zhǔn)確度進(jìn)行檢定，未能對加氣全過程數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，因此也存在一定的局限性。

表1 采用稱重法檢定LNG加氣機(jī)的實(shí)測數(shù)據(jù)表

表2 采用動態(tài)法檢定LNG加氣機(jī)的實(shí)測數(shù)據(jù)表

3 結(jié)束語

LNG的超低溫和易氣化特性為LNG的準(zhǔn)確計(jì)量造成諸多困難。目前對于如何提高LNG加氣機(jī)的計(jì)量準(zhǔn)確度及相應(yīng)的檢定方法，尚有許多工作及課題需要開展。筆者對LNG加氣機(jī)的3種檢定方法進(jìn)行了初步分析，相對來講動態(tài)檢定法能夠較好地在加氣站現(xiàn)場對LNG加氣機(jī)進(jìn)行檢定校準(zhǔn)，有助于促進(jìn)LNG的公平貿(mào)易和廣泛推廣使用。

［1］喬國發(fā)，李玉星，馮叔初，等.LNG在汽車代用燃料中的優(yōu)勢［J］.油氣儲運(yùn)，2004，23（2）：46－49.

［2］胡軍軍，張武高，黃震，等.液化天然氣公交車應(yīng)用研究［J］.天然氣工業(yè)，2004，24（7）：96－97.

［3］敬加強(qiáng)，梁光川，蔣宏業(yè).液化天然氣技術(shù)問答［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

［4］顧安忠.迎向“十二五”中國LNG的新發(fā)展［J］.天然氣工業(yè)，2011，31（6）：1－11.

［5］熊茂濤，趙普俊，張宗平，等.中國LNG加氣機(jī)的市場、技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展方向［J］.天然氣工業(yè)，2011，31（6）：103－106.

［6］何太碧，黃海波，林秀蘭，等.中國LNG汽車及加氣站技術(shù)應(yīng)用分析及推廣建議［J］.天然氣工業(yè)，2010，30（9）：82－86.

［7］張嘉祥.層流流量計(jì)計(jì)算數(shù)學(xué)模型和標(biāo)定方法的研究［J］.中國測試，2009，35（5）：14－17.

［8］關(guān)進(jìn)偉，楊有濤.液化石油氣（LPG）加氣機(jī)的檢定與檢定方法［J］.中國計(jì)量，2002，7（11）：50－51.

［9］段慧明.液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置和標(biāo)準(zhǔn)表法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置［M］.北京：中國計(jì)量出版社，2007.

［10］王自和，范砧.氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置［M］.北京：中國計(jì)量出版社，2005.

［11］張則年，朱光，廖華.壓縮天然氣（CNG）加氣機(jī)現(xiàn)場檢定［J］.計(jì)量與測試技術(shù)，2010，37（1）：15－16.

A comparative analysis of field calibration methods for LNG dispensers

Yang Xiujie，Zhao Pujun，Zhang Zongping，Chen Yan，Lei Li
（Research Institute of National Test Technology，Chengdu，Sichuan 610021，China）

NATUR.GAS IND.VOLUME 31，ISSUE 11，pp.96－99，11／25／2011.（ISSN 1000－0976；In Chinese）

An LNG dispenser is a new tool for refueling the vehicles with a metering system but it is rather difficult to calibrate its accuracy level at an LNG refueling station.In view of this，this paper introduces the physical characteristics and metering difficulties of LNG and analyzes the structures and working procedures of an LNG dispenser.Its metering accuracy level can be calibrated by the weighting and master metering methods，the latter of which is divided into the start－stop method and the dynamic method.A comparative analysis of the above methods is made in terms of their advantages，disadvantages，and field operability.From experimental data，the master metering method，especially the dynamic one，is much more feasible for the calibration of LNG dispensers at the refueling stations.

LNG，LNG dispenser，field verification，weighting method，master meter method，dynamic

楊修杰等.LNG加氣機(jī)現(xiàn)場檢定方法的研究.天然氣工業(yè)，2011，31（11）：96－99.

10.3787／j.issn.1000－0976.2011.11.024

2011年四川省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“液化天然氣（LNG）加氣機(jī)現(xiàn)場檢定裝置研制”（編號：2011GZ0011）。

楊修杰，1981年生，工程師，碩士；主要從事流量檢測技術(shù)研究工作。地址：（610021）四川省成都市玉雙路10號。電話：（028）84404400，15928680753。E－mail：yxj284＠163.com

（修改回稿日期 2011－09－12 編輯 何 明）

DOI：10.3787／j.issn.1000－0976.2011.11.024

Yang Xiujie，engineer，born in 1981，holds an M.Sc.degree and is mainly engaged in technical research of flow measurement.

Add：No.10，Yushuang Rd.，Chengdu，Sichuan 610021，P.R.China

Tel：＋86－28－8440 4400 Mobile：＋86－15928680753 E－mail：yxj284＠163.com