簡(jiǎn)析槽道式流量計(jì)在LNG交接計(jì)量中應(yīng)用的可行性*

吳丹

大慶油田設(shè)計(jì)院有限公司

液化天然氣（LNG）是唯一清潔、高效的化石能源，在世界范圍內(nèi)被廣泛使用。與傳統(tǒng)燃料相比，LNG不僅能夠有效降低CO2排放量，助力“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，還具有單位熱值高、經(jīng)濟(jì)性高的優(yōu)點(diǎn)，能為保障我國(guó)能源安全發(fā)揮積極作用[1]。我國(guó)到2018 年已成為全球最大的LNG 進(jìn)口國(guó)，LNG 產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了發(fā)展“快車道”，隨著交易量逐年攀升，貿(mào)易各方對(duì)LNG 計(jì)量的準(zhǔn)確性與可靠性要求大幅提高。

LNG國(guó)際貿(mào)易雙方簽訂長(zhǎng)期銷售合同，使用貨輪運(yùn)輸，采用測(cè)量船艙液位轉(zhuǎn)換體積量值的靜態(tài)計(jì)量方式，以能量單位進(jìn)行交接。國(guó)內(nèi)LNG 交接計(jì)量主要發(fā)生在LNG 接收站內(nèi)。接收站主要用于接收、存儲(chǔ)和氣化來(lái)自國(guó)外的LNG，并通過(guò)管道或槽車方式外運(yùn)。在LNG 到岸交接過(guò)程中，貨輪連接接收站卸料臂后，調(diào)平吃水后進(jìn)行船艙液位的首次計(jì)量，卸貨完畢吹掃合格后調(diào)平吃水進(jìn)行船艙液位的末次計(jì)量。根據(jù)首、末液位差值和船樣組分，進(jìn)行溫度和壓力補(bǔ)償后，計(jì)算得到LNG 到岸量。不難發(fā)現(xiàn)，在上述計(jì)量過(guò)程中，液位受天氣影響較大。尤其在冬季，貨輪多、海浪大，船艙液位的計(jì)量誤差較夏季顯著增大。根據(jù)國(guó)際慣例、國(guó)家要求，計(jì)量遵循“交方計(jì)量、接方監(jiān)護(hù)”的原則，接收站采用以儲(chǔ)罐為計(jì)量器具的靜態(tài)計(jì)量方式監(jiān)護(hù)。但該方式存在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量不確定度高達(dá)1.0%（k=2），無(wú)法動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)核查，儲(chǔ)罐溯源難度大等缺點(diǎn)，無(wú)法為接收站履行接方權(quán)責(zé)提供保障。此外，儲(chǔ)罐的LNG經(jīng)低壓輸送至槽車裝車總管，以地秤為計(jì)量器具進(jìn)行交接計(jì)量。初步估算，每車裝貨為20 t 時(shí)，與地秤偏差為40～80 kg，亟需應(yīng)用流量計(jì)進(jìn)行量值核查，確保公平、公正。

從國(guó)內(nèi)某LNG 接收站2016 年至2019 年計(jì)量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，到岸卸船量和槽車加注量均與庫(kù)存相差較大，存在誤差。原因在于LNG 靜態(tài)計(jì)量結(jié)果的準(zhǔn)確度受多種因素影響，如船艙液位偏差、LNG采樣、溫度和壓力測(cè)量誤差等[2]，且無(wú)法動(dòng)態(tài)監(jiān)護(hù)。為此，國(guó)內(nèi)外計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)聚焦LNG 流量計(jì)的應(yīng)用與溯源技術(shù)，以加速LNG 計(jì)量體系的完善。

1 LNG流量計(jì)應(yīng)用現(xiàn)狀

LNG 流量計(jì)主要應(yīng)用在LNG 到岸卸船計(jì)量、槽車加注計(jì)量和汽車加注計(jì)量這3 個(gè)環(huán)節(jié)[3]，類型為超聲流量計(jì)、差壓式流量計(jì)（孔板）、渦輪流量計(jì)和科里奧利質(zhì)量流量計(jì)[4-5]。

1.1 LNG卸船計(jì)量流量計(jì)

LNG經(jīng)過(guò)船艙內(nèi)的卸料泵加壓后，通過(guò)多路匯管進(jìn)入LNG 卸料臂，再匯入到接收站的LNG 卸料總管，最終進(jìn)入LNG 儲(chǔ)罐。LNG 卸船流量計(jì)在國(guó)外有應(yīng)用，安裝在LNG 卸料總管上。由于卸料總管口徑大，一般在DN300左右，通常選用量程比寬的多聲道超聲流量計(jì)，其最大測(cè)量流量可達(dá)到13 000 m3/h，例如美國(guó)阿拉斯加州基奈半島LNG傳輸管線上使用8聲道超聲流量計(jì)。但超聲流量計(jì)價(jià)格較高且溯源困難，采用激光多普勒（LDV）方法溯源的技術(shù)路線仍不成熟。

1.2 槽車加注計(jì)量流量計(jì)

LNG加注量由槽車加注前后在同一地秤上稱量質(zhì)量差所得。單臺(tái)槽車自重約30 t，每次加注量約為24 t，兩者量級(jí)一致，加之地秤使用環(huán)境條件差，降低了LNG 加注量的計(jì)量準(zhǔn)確度。為提高槽車加注計(jì)量準(zhǔn)確度，目前國(guó)內(nèi)外已開展流量計(jì)替代地秤計(jì)量的研究。已有研究中，形成了返氣臂上增設(shè)氣態(tài)質(zhì)量流量計(jì)、液相加注管中串聯(lián)質(zhì)量流量計(jì)的計(jì)量工藝技術(shù)。由于液相加注管路中LNG 易氣化，因此在槽車加注前需對(duì)液相加注管路進(jìn)行提前預(yù)冷，并保持管線不發(fā)生振動(dòng)，減少對(duì)質(zhì)量流量計(jì)計(jì)量準(zhǔn)確度的影響。

1.3 汽車加注計(jì)量流量計(jì)

LNG汽車加注采用動(dòng)態(tài)計(jì)量方式，多使用科里奧利質(zhì)量流量計(jì)。國(guó)際上使用的LNG 汽車加注機(jī)主要分為單向充裝式和帶氣相返回式，單向充裝式只有液相加注管線，而帶氣相返回式則多了一條氣體返回管線連接到被加注車輛的儲(chǔ)液箱上，用于加注過(guò)程中車輛儲(chǔ)罐內(nèi)氣體返回LNG 儲(chǔ)罐，LNG 加注量即為液相來(lái)液管線與氣相返回管線的兩個(gè)質(zhì)量流量計(jì)計(jì)量的數(shù)值之差。但汽車加注時(shí)要保持流量計(jì)處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，避免受到電磁干擾，以降低計(jì)量準(zhǔn)確度。

1.4 流量計(jì)比對(duì)分析

超聲流量計(jì)雖然可實(shí)現(xiàn)大口徑計(jì)量，技術(shù)也比較成熟，但需要進(jìn)口且價(jià)格高昂。孔板流量計(jì)無(wú)可動(dòng)部件，計(jì)量LNG 時(shí)無(wú)需考慮流體摩擦與內(nèi)部潤(rùn)滑的問(wèn)題，但壓力損失較大，量程范圍窄，降低了LNG計(jì)量準(zhǔn)確度。渦輪流量計(jì)，具有寬量程和低壓降的特點(diǎn)，但需考慮其轉(zhuǎn)子和軸承等在高速轉(zhuǎn)動(dòng)下摩擦系數(shù)與溫度間的關(guān)系。科里奧利質(zhì)量流量計(jì)直接測(cè)得LNG 質(zhì)量，具有量程比寬、內(nèi)部無(wú)可動(dòng)部件、不需要前后直管段等特點(diǎn)，但必須保持運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定，當(dāng)受到振動(dòng)干擾時(shí)會(huì)降低測(cè)量準(zhǔn)確度?？紤]上述4種流量計(jì)的特性，嘗試尋找一種適應(yīng)能力強(qiáng)、測(cè)量準(zhǔn)確度高、量程范圍寬的新型流量計(jì)，以實(shí)現(xiàn)LNG動(dòng)態(tài)計(jì)量的規(guī)模應(yīng)用。

2 槽道式流量計(jì)

2.1 測(cè)量原理

槽道式流量計(jì)是我國(guó)自主研發(fā)的新型差壓式流量計(jì)，主要由表體、紡錘體、固定支撐片、引壓管和測(cè)溫口構(gòu)成（圖1）。紡錘體在管道中由前后支撐片支撐，保護(hù)其能經(jīng)受介質(zhì)的沖擊。任何流體經(jīng)過(guò)紡錘體時(shí)，邊界層重新整合，獲得均勻流場(chǎng)和相同速度，避免流動(dòng)分離，從原理上使測(cè)量重復(fù)性和準(zhǔn)確度得到進(jìn)一步提高，同時(shí)顯著減少了壓力損失[6]。

圖1 槽道式流量計(jì)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of spindle flowmeter

根據(jù)紡錘體前部和中部形成的壓力差與流量之間的函數(shù)關(guān)系確定流量。其基本原理計(jì)算公式為差壓型流量計(jì)通用公式：

式中：qm為質(zhì)量流量，kg/s；C為流出系數(shù)；ε為氣體可膨脹性系數(shù)；β為直徑比（節(jié)流件孔徑與上游管道內(nèi)徑之比）；Δp為通過(guò)紡錘體的差壓，Pa；d為節(jié)流件的孔徑，m；ρ為上游流體密度，kg/m3。

2.2 測(cè)量特點(diǎn)

槽道式流量計(jì)的節(jié)流裝置即紡錘體，是依據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理設(shè)計(jì)的，并用遺傳基因算法進(jìn)行了優(yōu)化，使其流體逐漸在管線邊壁收縮，原來(lái)的管流特性改變，兩側(cè)邊界層重新形成，在兩側(cè)邊界層之間流體是均勻流動(dòng)的，可對(duì)不同的復(fù)雜流體在流量計(jì)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)相似[7-9]。紡錘體設(shè)計(jì)為流線型，流體經(jīng)過(guò)后不會(huì)造成流動(dòng)分離和漩渦，保證了測(cè)量的高準(zhǔn)確度。節(jié)流裝置有很強(qiáng)的整流作用，且產(chǎn)生的尾流很短，壓力損失小，對(duì)下游設(shè)備影響小，大大縮短所需要的直管段，適應(yīng)性強(qiáng)[10-11]。槽道式流量計(jì)壓力信號(hào)穩(wěn)定，信噪比較高，單表量程比可大于10∶1，且還可繼續(xù)擴(kuò)展。因此，采用耐低溫材質(zhì)的槽道式流量計(jì)測(cè)量LNG，理論上不僅可以提高測(cè)量準(zhǔn)確度，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)可動(dòng)部件。

2.3 實(shí)際應(yīng)用分析

2.3.1 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試

為驗(yàn)證槽道式流量計(jì)測(cè)量的準(zhǔn)確度，分別對(duì)某站在用的DN100、DN250、DN600 型3 臺(tái)槽道式流量計(jì)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，其中檢定數(shù)據(jù)如表1、表2、表3所示。

表1 DN100槽道式流量計(jì)檢定數(shù)據(jù)Tab.1 Verification data of DN100 spindle flowmeter

表2 DN250槽道式流量計(jì)檢定數(shù)據(jù)Tab.2 Verification data of DN250 spindle flowmeter

表3 DN600槽道式流量計(jì)檢定數(shù)據(jù)Tab.3 Verification data of DN600 spindle flowmeter

從測(cè)試數(shù)據(jù)看，3臺(tái)槽道式流量計(jì)的相對(duì)誤差均在±0.40%內(nèi)，每臺(tái)流量計(jì)校準(zhǔn)大流量點(diǎn)示值誤差的測(cè)量結(jié)果相對(duì)擴(kuò)展不確定度在0.45%以內(nèi)。說(shuō)明該儀表有較好的測(cè)量準(zhǔn)確度和較寬的量程比，能適用于大口徑流量計(jì)量。

2.3.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試情況

目前槽道式流量計(jì)已在多種介質(zhì)的流量測(cè)量中應(yīng)用，也對(duì)其進(jìn)行了多方面的性能驗(yàn)證。其中，某站對(duì)槽道式流量計(jì)、孔板流量計(jì)和渦輪流量計(jì)分別進(jìn)行了比對(duì)測(cè)試。

（1）把同口徑DN100的孔板流量計(jì)和槽道式流量計(jì)串聯(lián)安裝，記錄每天儀表數(shù)據(jù)，連續(xù)記錄10天，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 孔板流量計(jì)與槽道流量計(jì)比對(duì)試驗(yàn)Fig.2 Comparison test of orifice flowmeter and spindle flowmeter

從圖2中可以看出，槽道流量計(jì)與孔板流量計(jì)數(shù)據(jù)基本一致，產(chǎn)生的誤差很小，誤差的來(lái)源主要是槽道式流量計(jì)與孔板流量計(jì)使用的天然氣密度略有差別。

（2）把同口徑DN50 的渦輪流量計(jì)和槽道式流量計(jì)串聯(lián)安裝，記錄每天儀表的顯示數(shù)據(jù)，連續(xù)記錄10天，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 渦輪流量計(jì)與槽道流量計(jì)比對(duì)試驗(yàn)Fig.3 Comparison test of turbine flowmeter and spindle flowmeter

由圖3可看出，天然氣密度進(jìn)行修正后，槽道式流量計(jì)與渦輪流量計(jì)計(jì)量結(jié)果基本一致，特別是最后4天曲線基本重合，現(xiàn)場(chǎng)的瞬時(shí)流量顯示完全一樣。從計(jì)量性能上看，槽道式流量計(jì)可以等同于渦輪流量計(jì)使用。但是從結(jié)構(gòu)上，槽道式流量計(jì)無(wú)可動(dòng)部件，不會(huì)產(chǎn)生摩擦，使用壽命更長(zhǎng)。

通過(guò)以上對(duì)比試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，槽道式流量計(jì)在計(jì)量性能上與其他兩種流量計(jì)基本一致，理論上具備應(yīng)用于LNG計(jì)量的可行性。

3 結(jié)論

槽道式流量計(jì)作為一種新型的節(jié)流式流量計(jì)，在LNG 計(jì)量方面存在以下優(yōu)點(diǎn)：①適應(yīng)介質(zhì)多，具有很強(qiáng)的流動(dòng)調(diào)節(jié)能力，可以對(duì)LNG 實(shí)現(xiàn)流量計(jì)內(nèi)部運(yùn)動(dòng)相似；②結(jié)構(gòu)可靠，無(wú)可動(dòng)部件，節(jié)流裝置固定，對(duì)LNG 來(lái)液形成槽道流動(dòng)，避免流動(dòng)分離，在形成較高差壓的同時(shí)壓損很小，計(jì)量準(zhǔn)確度高；③節(jié)流裝置產(chǎn)生的尾流短，對(duì)LNG 計(jì)量上、下游直管段要求低，現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)性強(qiáng)；④流量計(jì)量程比寬，單表可達(dá)到10∶1。

未來(lái)LNG 計(jì)量技術(shù)發(fā)展中，槽道式流量計(jì)在LNG上的應(yīng)用具有較強(qiáng)的推廣空間，但還需進(jìn)一步深入研討，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證其適應(yīng)性，形成技術(shù)準(zhǔn)則，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)使用，支撐LNG動(dòng)態(tài)計(jì)量體系完善。