標(biāo)準(zhǔn)表法車載式LNG加氣機在線計量檢定裝置的設(shè)計與應(yīng)用

王 琳

〔中國石化北京石油分公司 北京 100022〕

目前為止，國內(nèi)LNG加氣站尚無更科學(xué)的后續(xù)檢定方法，致使LNG加氣機計量準(zhǔn)確性較低，具有潛在計量風(fēng)險。為此，本文研制了一套標(biāo)準(zhǔn)表法車載式LNG加氣機在線計量檢定裝置，解決了國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督部門對LNG加氣機在后續(xù)檢定和使用中檢定的問題，并為LNG加氣機計量檢定規(guī)程提供一種科學(xué)、有效的檢定方法，在現(xiàn)場試驗中，檢定裝置液相流量檢定精度及整機流量檢定精度達到0.2 %，符合國家規(guī)范。

1 現(xiàn)狀

目前國內(nèi)外LNG加氣機生產(chǎn)廠家的出廠檢定普遍使用的計量檢定方法為“質(zhì)量稱重法”。該方法為靜態(tài)檢定方法，檢測前需要應(yīng)用水平儀調(diào)節(jié)天平的水平，裝置不便移動，所用液化天然氣難以回送，檢定時間長，加氣機生產(chǎn)廠的型式檢定實驗即應(yīng)用該方法。

中國測試技術(shù)研究院在2011年率先研制了LNG加氣機計量檢定裝置，該裝置被檢數(shù)據(jù)的采集應(yīng)用相機拍照的方法，連接筆記本計算機，采集速率及同步精度均無法滿足實際檢定應(yīng)用。而且，LNG屬易燃易爆危險品，采用常規(guī)非防爆照相機、筆記本計算機等儀器不符合安全規(guī)定，存在安全隱患。該檢定裝置是典型的多地點移動應(yīng)用設(shè)備，其設(shè)備需吊裝運輸，移動性差，不利于多地點巡回檢定。所以該裝置仍僅適用于實驗室操作的科研類設(shè)備，無法達到實際使用的要求。

2 主要設(shè)計

在本文研制的檢定裝置的設(shè)計方案中應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)表法進行檢定。LNG加氣機數(shù)據(jù)是通過LNG加氣機專用檢定接口實時讀取。應(yīng)用“LNG加氣機專用檢定接口”，檢定裝置可以精確掌握標(biāo)準(zhǔn)流量計與被檢加氣機數(shù)據(jù)采集時序，確保在相同時間間隔內(nèi)得到標(biāo)準(zhǔn)流量計與被檢加氣機數(shù)據(jù)。檢定方法上，采用液相流量檢定、整機流量檢定，連續(xù)實現(xiàn)3點每點3次的自動檢定[1]。

標(biāo)準(zhǔn)表法車載式在線計量檢定裝置包括：標(biāo)準(zhǔn)液相流量計、標(biāo)準(zhǔn)氣相流量計等組成的現(xiàn)場儀表層；可編程控制器、流量檢定采集器組成的現(xiàn)場控制層；具有系統(tǒng)監(jiān)控、報表生成功能的管理層。

2.1 主要設(shè)備設(shè)計

2.1.1 CMF型高準(zhǔn)ELITE質(zhì)量流量計

檢定裝置標(biāo)準(zhǔn)流量計選用CMF型高準(zhǔn)ELITE 質(zhì)量流量計。該流量計達到了行業(yè)一流的質(zhì)量和流量精度水平，密度精度也提高一倍(常溫水介質(zhì)在20∶1 量程比范圍內(nèi)達到0.05 % 質(zhì)量和體積流量精度，并且達到0.000 2 g/cm3的密度精度)。其流量傳感器是一種基于科里奧利力效應(yīng)的相位敏感型諧振式傳感器。

2.1.2 可編程控制器

檢定裝置可編程控制器選用美國某自動化公司生產(chǎn)的用于復(fù)雜工業(yè)環(huán)境的Micro850，控制器采用緊湊型封裝、集成 I/O 和通信，且易于使用，是裝置自動化、安全系統(tǒng)等應(yīng)用項目的理想選擇。可編程控制器作為流量自動檢定的控制單元，負責(zé)檢定裝置檢定流程控制、檢定點定位處理、輔助參數(shù)(壓力、溫度)采集處理、顯示操作控制、上下位機交互通訊控制。

控制器居于整個車載LNG加氣機計量檢定系統(tǒng)的中間層，是系統(tǒng)底層執(zhí)行、監(jiān)測設(shè)備和上層計算機人機界面之間的信息橋梁。作用是接收上層計算機檢定設(shè)置和檢定參數(shù)，包括LNG加氣機生產(chǎn)廠家及其通訊采集方式設(shè)置、檢定流量點設(shè)置、檢定流程(液相檢定流程、整機檢定流程)設(shè)置、流量穩(wěn)定度設(shè)置、檢定次數(shù)設(shè)置等。

控制器通過讀取壓力、溫度數(shù)據(jù)，啟動檢定并讀取檢定過程的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。通過流量檢定采集器讀取標(biāo)準(zhǔn)表瞬時流量、累積流量，LNG加氣機瞬時流量、累積流量等，此外還處理檢定過程中的報警信息?？刂破鞯膭幼魇苌蠈佑嬎銠C人機界面及檢定裝置面板按鈕的控制。

2.1.3 流量檢定采集器

流量檢定采集器作為流量計信號采集處理單元，負責(zé)裝置標(biāo)準(zhǔn)流量計和LNG加氣機信號采集、檢定邏輯控制。

流量檢定采集器應(yīng)用32位嵌入式微控制器LPC1768為中心處理器，LPC1700系列ARM微控制器用于處理要求高度集成和低功耗的嵌入式應(yīng)用。流量檢定采集器是專門開發(fā)設(shè)計的高精尖電子儀器，該儀器基于全數(shù)字、全智能、全功能的設(shè)計理念，用于LNG加氣機在線計量檢定裝置標(biāo)準(zhǔn)表數(shù)據(jù)的實時采集，并實現(xiàn)智能化流量采集、計算、處理、檢定的功能。

流量檢定采集器采集檢定裝置液相標(biāo)準(zhǔn)流量計流量、氣相標(biāo)準(zhǔn)流量計流量、液相溫度、氣相溫度、液相壓力、氣相壓力等數(shù)據(jù)，同步采集LNG加氣機的相應(yīng)數(shù)據(jù)，經(jīng)邏輯判斷及邏輯運算，送至PLC控制器完成檢定。

2.1.4 超低溫設(shè)備及工藝

LNG加氣機檢定裝置借鑒航空航天技術(shù)，采用目前最為先進的超低溫設(shè)備及工藝。加氣槍、加氣座均為美國JC卡特產(chǎn)品。關(guān)鍵部件特制整體保溫箱，加氣管采用不銹鋼真空軟管，減少LNG氣化量。進氣系統(tǒng)連接件全部采用焊接結(jié)構(gòu),安全性高、密封性好。檢定裝置超低溫管線配有安全放散閥，當(dāng)加氣機工作壓力過高時自動開啟泄壓。

2.1.5 專用車整體設(shè)計

檢定裝置專用車為雙排座高端輕卡專用車。車后側(cè)為箱式結(jié)構(gòu)，左右兩側(cè)為全開式手動卷簾門，后側(cè)為雙開門設(shè)計。

2.2 檢定方法

將車載式LNG加氣機在線計量檢定裝置停放在LNG加氣機旁常規(guī)機動車加氣車位，停車熄火，連接防靜電裝置，連接相應(yīng)管線。

檢定前，加氣機和檢定裝置要進行預(yù)冷循環(huán)流程。將加氣機與檢定裝置采用快裝方式串接，加氣機的加氣槍插到檢定裝置加液槍接口上，檢定裝置的連接液相接口的加氣槍插到加氣機的循環(huán)口上，開啟加氣機預(yù)冷循環(huán)，期間觀察檢定裝置顯示的LNG流體狀態(tài)參數(shù)(流量、溫度、密度等)，同時調(diào)整檢定裝置液相管路末端處的流量調(diào)節(jié)閥，對管路流量進行調(diào)節(jié)。當(dāng)觀察到循環(huán)流程的流量值滿足32kg/min

2.2.1 液相流量檢定[1]

完成預(yù)冷循環(huán)流程后進入液相流量檢定流程(圖1)。加氣機的加氣槍插到檢定裝置的加液槍接口上，檢定裝置連接液相接口的加氣槍插到加氣機的循環(huán)口上，加氣機不連接回氣管路。在預(yù)冷循環(huán)流程狀態(tài)不變情況下，加氣機啟動加氣流程，檢定裝置隨后啟動檢定。直接循環(huán)加氣完成至少三次液相流量計單獨檢定。

圖1 液相流量檢定流程

2.2.2 整機流量檢定[1]

完成液相流量檢定流程后，進入整機檢定流程(圖2)。加氣機的加氣槍插到檢定裝置的加液槍接口上，加氣機的回氣槍插到檢定裝置的回氣槍接口上，檢定裝置連接液相接口的加氣槍插到加氣車儲氣容器的加氣座上，檢定裝置連接氣相接口的回氣槍插到加氣車儲氣容器的回氣座上，加氣機啟動加氣流程，檢定裝置隨后啟動檢定。該流程至少進行三次。

圖2 整機檢定流程

啟動檢定時，按動檢定裝置上[啟動按鈕]，檢定過程自動完成。屏幕有完成提示及檢定結(jié)果。檢定結(jié)果通過無線網(wǎng)絡(luò)傳至安全區(qū)的上位機。上位機將完成檢定數(shù)據(jù)處理、存儲，并形成原始記錄及檢定證書。

2.2.3 上位機軟件設(shè)計

軟件采用.net自主開發(fā)，數(shù)據(jù)庫：SQLserver2008。每次檢定作業(yè)結(jié)束后上位機軟件將數(shù)據(jù)寫到數(shù)據(jù)庫中，同時生成檢定數(shù)據(jù)記錄表以及LNG加氣機的檢定證書。

人機界面展示檢定流程，可以選擇LNG加氣機生產(chǎn)廠家及其通訊采集方式設(shè)置、檢定流量點設(shè)置、檢定流程(液相檢定流程、整機檢定流程)設(shè)置、流量穩(wěn)定度設(shè)置、檢定次數(shù)設(shè)置，人機界面顯示過程相關(guān)檢定參數(shù)與其它相關(guān)輔助參數(shù)，顯示系統(tǒng)實時參數(shù)趨勢曲線和歷史趨勢曲線，生成檢定數(shù)據(jù)記錄表及檢定證書。

2.3 計量檢定精度的提高

2.3.1 質(zhì)量流量計校正

檢定裝置選定質(zhì)量流量計型號為：CMF100。額定量程為260 kg/min，口徑為DN25 mm。該流量計流量標(biāo)稱精度為 ±0.1%流量，該精度包括重復(fù)性、線性度及滯后的組合效應(yīng)，且為除啟動流量(量程比是20∶1)外的讀數(shù)精度。而本文應(yīng)用的低流量為20 kg/min至32 kg/min，量程比20∶1的流量為21.58 kg/min，故檢定流量高于22 kg/min，即可與量程比1∶1精度相同。高流量為32 kg/min至80 kg/min，量程比為1.41∶1，完全可以滿足精度需要(圖3)。

圖3 流量計精度值

在量程比≤20∶1的流量精度為0.05%，量程比為100∶1的流量(4.3kg/min)精度為0.25%。為更好地應(yīng)用，本文對該質(zhì)量流量計進行了應(yīng)用量程段的校正。校正后，大大提升了應(yīng)用精度。在實際應(yīng)用中，檢定裝置考慮了LNG介質(zhì)超低溫對流量測量的影響，過程溫度偏離標(biāo)定溫度而引起的傳感器流量精度變化。溫度影響通過在過程條件下調(diào)零時進行校正，而在檢定作業(yè)中，檢定裝置應(yīng)用了預(yù)冷校零的方法進行溫度補償。

2.3.2 專用通信接口設(shè)計

檢定裝置通過流量檢定采集器、專用通信接口及通信協(xié)議進行檢定，可以精確掌握標(biāo)準(zhǔn)檢定裝置與LNG加氣機數(shù)據(jù)采集時序，確保在相同時間間隔內(nèi)得到標(biāo)準(zhǔn)檢定裝置與LNG加氣機的檢定數(shù)據(jù)。

檢定裝置數(shù)據(jù)采集嚴(yán)格根據(jù)數(shù)據(jù)采集通訊協(xié)議及流量檢定采集器定時完成。根據(jù)通訊協(xié)議規(guī)定，檢定采集器與標(biāo)準(zhǔn)流量計、LNG加氣機通訊均為獨立的接口，可同時與兩個設(shè)備發(fā)送指令。向標(biāo)準(zhǔn)流量計及LNG加氣機發(fā)送指令同為8個字節(jié)，每個字節(jié)10位，波特率為9600bps，故指令發(fā)送時間為8.33ms。同理，接收數(shù)據(jù)亦為特定時長，即理論上標(biāo)準(zhǔn)流量計采集時間與LNG加氣機流量計采集時間是一個恒定的間隔。

檢定裝置啟動檢定后，流量檢定采集器應(yīng)用2個獨立的數(shù)據(jù)接口同時向標(biāo)準(zhǔn)流量計與LNG加氣機發(fā)出取檢定初始流量累計值指令。標(biāo)準(zhǔn)流量計接到流量檢定采集器讀取初始流量累計值指令后，將當(dāng)前時刻累計流量值回送流量檢定采集器。

LNG加氣機計控器接到流量檢定采集器讀取初始流量累計值指令后，向其流量計發(fā)出取初始流量累計值指令。LNG加氣機流量計接到計控器指令馬上將當(dāng)前時刻累計流量值回送計控器，LNG加氣機計控器再將累計流量值回送到流量檢定采集器。流量檢定采集器得到了標(biāo)準(zhǔn)流量計和LNG加氣機的初始流量累計值。

根據(jù)檢定系統(tǒng)上位機設(shè)定的采集量參數(shù)，流量檢定采集器同時向標(biāo)準(zhǔn)流量計與LNG加氣機發(fā)出取檢定結(jié)束流量累計值指令。同上“讀取檢定初始流量累計值”一樣的時序。標(biāo)準(zhǔn)流量計接到流量檢定采集器取結(jié)束流量累計值指令后，將當(dāng)前時刻累計流量值回送流量檢定采集器。LNG加氣機計控器接到流量檢定采集器讀取檢定結(jié)束流量累計值指令后，向其流量計發(fā)出取檢定結(jié)束流量累計值指令。LNG加氣機流量計接到計控器指令將當(dāng)前時刻累計流量值回送計控器，LNG加氣機計控器再將累計流量值回送到流量檢定采集器。流量檢定采集器得到了標(biāo)準(zhǔn)流量計和LNG加氣機的檢定結(jié)束流量累計值。至此，流量檢定采集器得到了標(biāo)準(zhǔn)流量計和被檢加氣機一個檢定點的所有數(shù)值，并送至控制器進行計算，最后得到計量結(jié)果。

標(biāo)準(zhǔn)流量計自啟動檢定至實時累計流量值“MB1”回送完成時間：t1；

LNG加氣機流量計自啟動檢定至實時累計流量值“MJ1”回送完成時間：t2；

標(biāo)準(zhǔn)流量計與加氣機流量計采集初始檢定流量值完成時間差(t1-t2)：t3；

標(biāo)準(zhǔn)流量計自結(jié)束檢定至實時累計流量值“ MB2”回送完成時間：t1′；

LNG加氣機流量計自啟動檢定至實時累計流量值“ MJ2”回送完成時間：t2′；

標(biāo)準(zhǔn)流量計與加氣機流量計采集結(jié)束檢定流量值完成時間差(t1′-t2′)：t3′；

檢定裝置發(fā)出啟動檢定指令與發(fā)出結(jié)束檢定指令間隔時間：tC；

標(biāo)準(zhǔn)流量計采集初始量至結(jié)束量時間間隔：tB；

LNG加氣機流量計采集初始量至結(jié)束量時間間隔：tJ。

由于標(biāo)準(zhǔn)流量計和LNG加氣機流量計采集初始檢定流量值與結(jié)束檢定流量值這兩個采集周期的程序是調(diào)用相同的子程序，所以保證了：

t1=t1′t2=t2′

因為：t2-t1=t3t2′-t1′=t3′

所以：t3=t3′

又因為：

tB=tC+t1′ -t1

tJ=tC+t2′ -t2

而：t1=t1′t2=t2′

所以：tB=tJ。采集時間結(jié)果見圖4。

圖4 采集時間結(jié)果圖

結(jié)果表明，標(biāo)準(zhǔn)流量計與LNG加氣機流量計采集初始量至結(jié)束量時間間隔相等。這兩個流量計串聯(lián)在一個管線中，保證了“在相同時間間隔內(nèi)連續(xù)通過標(biāo)準(zhǔn)流量計和LNG加氣機的質(zhì)量流量相等”[1]這一規(guī)則，提高了檢定精度及采集速率，同時也縮短了檢定周期。(見圖5)

圖5 檢定裝量數(shù)據(jù)采集時序圖

3 實際檢定效果

該車載式檢定裝置應(yīng)用于LNG液化天然氣貿(mào)易交接的現(xiàn)場，經(jīng)過現(xiàn)場大量的測試，實現(xiàn)了液相流量檢定、整機流量檢定等過程的全自動檢定，試驗結(jié)果表明該車載式在線檢定裝置精度可以達到0.2%。通過車載式結(jié)構(gòu)的設(shè)計，機動靈活，利用標(biāo)準(zhǔn)表法實現(xiàn)了對LNG加氣機的全自動檢定。

現(xiàn)場檢定數(shù)據(jù)如表1。

表1 現(xiàn)場檢定數(shù)據(jù)

4 結(jié)語

本文設(shè)計的車載式LNG加氣機在線檢定裝置，采用計量檢定專用通訊接口，在檢測精度和準(zhǔn)確性方面有很大的提升，滿足了實際檢定的需要，達到了行業(yè)先進水平，且關(guān)鍵技術(shù)(器件)自主可控。該成果已應(yīng)用于北京公交LNG加氣機的檢定，具有良好的推廣應(yīng)用價值及明顯的經(jīng)濟社會效益。