液化天然氣加氣機計量檢定方法的研究

趙普俊，熊茂濤，尹保來，楊修杰，雷 勵，張宗平

（中國測試技術研究院，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是目前全球增長最快的一次能源，與傳統的石油類燃料及CNG（壓縮天然氣）相比，LNG具有便于運輸、儲存能量大、運行壓力低、更清潔環保等優點[1-2]。

LNG加氣機是將LNG加氣站輸送的LNG加注到LNG汽車的一種超低溫計量設備。國內LNG加氣機技術經過近幾年的發展已經日趨成熟，并形成了相關產業。該文分析了我國LNG加氣機計量檢定現狀，提出了LNG加氣機計量檢定的新方法，這對于促進質監技術機構對LNG加氣機開展計量檢定工作、保證貿易交接的公平性以及促進我國LNG產業的發展壯大和技術進步具有重要的指導意義。

1 LNG加氣機概述

1.1 LNG加氣機的組成

LNG加氣機整機主要由以下3部分組成：

（1）LNG質量流量計；

（2）機殼、閥門及管路系統，包括低溫氣動閥、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）數據采集系統、防爆電源等電氣系統。

1.2 LNG加氣機的原理

LNG加氣機依據直接測量流體質量的原理計量經過LNG加氣機充入儲氣瓶中的LNG液量。同時，LNG加氣機采用先進的測控技術對計量過程進行自動控制，加氣機顯示屏直接顯示LNG流量、單價、金額及加氣累計量，并可遠程通信，實現計算機中央管理。圖1為LNG加氣機控制原理示意圖。

圖1 LNG加氣機控制原理示意圖

2 LNG加氣機的計量檢定現狀

2.1 概述

目前的LNG加氣機在使用過程中溫度一般為-160～-120℃，加氣管內外溫差大，夏天甚至可以達到200℃，因此在管路中普遍存在氣化現象，形成氣液混合多相流的情況。此外，LNG質量流量計在氣液混合比超過一定值時，計量的誤差較大，經常會發生貿易糾紛，不能滿足公平貿易結算的要求。總的來說，LNG加氣機在國家檢定規程及標準、LNG科里奧利質量流量計、現有計量檢定方法等方面存在許多有待解決的技術難題[3-5]。

2.2 LNG加氣機國家檢定規程及國家標準

LNG作為大宗貿易商品，涉及貿易結算和安全防護，必須解決流量量值的正確和統一問題，這不僅直接關系到貿易雙方的利益，而且按照國家《計量法》的規定，用于貿易交接的LNG加氣機應依法納入強制管理范圍，因此必須進行型式評價、首次檢定、后續檢定和使用中檢定。目前國內已有多家企業生產LNG加氣機，由于LNG加氣機尚無國家檢定規程及國家標準，技術機構無依據對其開展檢定工作，這對于貿易交接的公平性來說是非常嚴重的問題。目前，中國測試技術研究院等單位正在實施LNG加氣機國家檢定規程及型式評價大綱的制定，這必將更好地規范LNG加氣機的生產和計量檢定工作。

2.3 LNG科里奧利質量流量計

LNG流量計是整個LNG加氣機的核心部件，科里奧利質量流量計為目前應用最成功的LNG流量計。圖2即為使用中的LNG科里奧利質量流量計。目前，美國高準公司生產的CMF系列質量流量計和Endress+Hauser公司生產的83F低溫型質量流量計以其耐低溫、性能穩定、準確度高等優點得到了LNG加氣機行業的認同。另外，LNG加氣機在加液過程中由于內外溫差大而氣化，難免會產生一些氣體，氣液兩相對科里奧利質量流量計的計量準確度影響較大，氣相流量計量的準確性對加氣機整機計量準確度的提高起到了至關重要的作用。目前液相計量的準確度可達±0.10%，氣相計量的準確度只有±0.35%，這是在LNG加氣機的計量檢定中需要進一步解決的技術難題[6]。

圖2 使用中的LNG科里奧利質量流量計

2.4 LNG加氣機的回氣問題

LNG加氣機分為單流量計加氣機和雙流量計加氣機。單流量計加氣機無氣相流量計；雙流量計加氣機有氣相流量計對回氣進行計量，并從加氣總量中扣減。LNG加氣機無論采用單流量計還是雙流量計，主要取決于LNG汽車儲氣瓶使用和加氣站設計壓力的情況。LNG儲氣瓶初次使用和長期擱置再次使用時，由于儲氣瓶內溫度較高，LNG充裝進去后很快部分汽化，造成儲氣瓶內壓力升高，LNG液體難以充裝進儲氣瓶，這時就必須使用雙流量計LNG加氣機進行回氣計量。此外，部分LNG使用企業對于內部結算的LNG加氣機采用單流量計，LNG回氣不進行計量，這就造成LNG加氣機顯示的加氣量與實際加氣量的差距。據中國測試技術研究院的相關試驗數據顯示，其差值可達5%～15%，這就給LNG加氣站的運營管理造成了困難。

2.5 LNG加氣機的計量檢定方法

針對使用質量流量計的LNG加氣機，目前生產廠家采用的計量檢定方法為質量法，此方法為靜態法檢定。LNG加氣機設置為顯示質量流量模式，使用電子天平進行標準質量的測量，檢驗次數不少于3次，記錄LNG加氣機顯示的加入LNG儲氣瓶的質量流量示值，與電子天平稱量的充入LNG儲氣瓶的凈質量值進行直接比對，以得到LNG加氣機計量準確度的結果。LNG加氣機的計量檢定工作一般在現場進行，質量法中的電子天平容易受到LNG加氣站現場環境因素影響，造成檢定準確度的大幅下降，電子天平的運輸也不方便。同時，質量法所稱量的LNG在檢定完成后不允許現場排放，否則將造成安全隱患；LNG的現場回收難度大，不回收又會造成極大浪費，因此質量法已經不能滿足LNG加氣機計量檢定的要求，迫切需要采用新的計量檢定方法。

3 LNG加氣機的計量檢定新方法

3.1 標準表法概述

標準表法流量標準裝置是傳遞標準裝置，主要是把性能良好、準確度高、重復性好（0.01%～0.05%）的流量計作為標準流量計量器具用于檢定其他流量計。它利用流體力學連續性原理，將標準流量儀表和被檢流量儀表串聯在同一管徑的管道上，使流體在相同時間間隔內連續通過標準流量儀表和被檢流量儀表，由標準流量儀表給出標準流量值，與被檢流量儀表輸出的流量值比較，確定被檢流量儀表的技術指標。與其他方法的流量計量標準裝置相比，具有結構簡單、操作方便、工作效率高、易實現自動化和建設周期短的優點，可以給出更寬的流量范圍，特別適合于現場對流量儀表及裝置的檢定，這是采用其他方法的流量標準裝置無法相比的[7-8]。

3.2 LNG加氣機檢定裝置

目前國內外還沒有LNG加氣機檢定裝置，國內采用標準表法原理的CNG加氣機檢定裝置對CNG加氣機進行檢定的技術已經成熟。中國測試技術研究院利用此標準表法原理研制了一種計量準確度高、結構簡單、操作方便的LNG加氣機檢定裝置，克服了質量法的不足。

LNG加氣機檢定裝置主要由加液管路、回氣管路、放空管路和數據采集系統等4部分組成。圖3即為LNG加氣機檢定裝置圖。

3.3 LNG加氣機的計量檢定流程

3.3.1 準備流程

圖3 LNG加氣機檢定裝置圖

LNG加氣機檢定裝置采用高準確度等級的LNG質量流量計作為標準表，LNG加氣機與LNG加氣機檢定裝置采用快裝方式相串接，檢定回路由LNG加氣站儲罐、輸送系統、LNG加氣機、LNG加氣機檢定裝置、LNG汽車儲氣瓶等組成，其可以實現LNG加氣機對LNG汽車加氣過程中實現對加氣機的計量檢定。

3.3.2 大循環流程

LNG加氣機串聯LNG加氣機檢定裝置，將LNG加氣機的加氣槍插到LNG加氣機檢定裝置的進液槍口上，檢定裝置的加氣槍插到LNG加氣機的大循環槍口上，按下加氣機鍵盤上的“預冷”鍵，LNG加氣機和LNG加氣機檢定裝置開始大循環流程，期間通過LNG加氣機檢定裝置隨時觀察LNG加氣機檢定裝置中液相流量計的溫度、密度等狀態參數，確定其充分預冷后即可開始檢定工作。圖4即為大循環流程示意圖。

3.3.3 加氣流程

LNG加氣機串聯LNG加氣機檢定裝置后進行一次完整的加氣流程。啟動LNG加氣機“加氣”鍵，LNG加氣機開始計數，LNG液體依次流經LNG加氣和檢定裝置，最后注入LNG汽車儲氣罐。加氣流程中即可進行檢定工作，圖5即為加氣流程示意圖。

圖4 大循環流程示意圖

圖5 加氣檢定示意圖

3.3.4 全過程靜態啟停法檢定

全過程靜態啟停法檢定需要進行一次完整的加氣流程。首先，LNG加氣機和檢定裝置的數據歸零，然后啟動檢定裝置數據采集和LNG加氣機加氣，加氣過程大約為3～5 min，加氣機結束加氣后，立即停止LNG檢定裝置的數據采集，記錄LNG加氣機屏幕顯示值以及LNG檢定裝置顯示值，兩者相比較，從而計算出誤差。

3.3.5 動態截取法檢定

大循環流程和加氣流程中均可進行動態截取法檢定。當檢定裝置顯示的流量計狀態參數（增益、密度、溫度等）滿足檢定條件時，即可啟動檢定裝置的數據采集，同步采用工業相機對LNG加氣機屏幕顯示加氣數據進行拍照，至少1min后，再次進行數據采集和拍照，然后對相機照片進行人工識別，將前后兩次照片所顯示的LNG加氣機流量數據與檢定裝置所記錄的流量數據進行比較，從而計算出誤差。

3.4 運行情況

LNG加氣機檢定裝置實際運行情況表明，其性能穩定、計量準確、操作方便，實現了計量標準裝置的智能化，達到了國際先進技術水平。與現有的計量檢定方法相比，主要優點是：

（1）技術先進。LNG加氣機檢定裝置可以分別采用全過程靜態啟停法檢定和動態截取法檢定兩種方式，其先進的數據采集系統可得到同一工況條件下加氣機和檢定裝置的狀態參數進行處理，保證了檢定的準確度。

（2）用途廣泛。LNG加氣機檢定裝置既可用來對LNG加氣機進行整機檢定，也可以對LNG加氣機的液相流量計進行單獨檢定，同時也可對相同規格的低溫型LNG流量計進行檢定。

（3）有利于現場使用。與質量法相比，LNG加氣機檢定裝置使用中減少了電子天平，不會受到LNG加氣站現場環境因素的影響，保證了LNG加氣機計量檢定的準確度。

（4）有利于環境保護。LNG加氣機檢定裝置采用標準表法對加氣機進行檢定，其所計量的LNG液體直接進入LNG儲氣瓶，克服了質量法中所稱量的LNG在檢定完成后現場回收難度大、不回收又會造成極大浪費的不足。

4 結束語

近年來我國LNG加氣機產業發展迅速，但LNG加氣機檢定裝置、國家檢定規程尚未完善，制約了該產業的發展壯大、技術進步以及LNG加氣機的正常使用。目前，中國測試技術研究院等單位實施的LNG加氣機計量檢定方法的研究以及國家檢定規程的制定必將更好的規范LNG加氣機的生產和計量檢定工作，推動整個LNG加氣機產業的發展與技術進步，促進我國天然氣工業的快速、健康發展。

[1] 敬加強，梁光川，蔣宏業，等.液化天然氣技術問答[M].北京：化學工業出版社，2007.

[2] 顧安忠，魯雪生，金國強，等.液化天然氣技術手冊[M].北京：機械工業出版社，2010.

[3] 熊茂濤，趙普俊，張宗平，等.中國LNG加氣機的市場、技術現狀與發展方向[J].天然氣工業，2011，31（6）：1-5.

[4] 劉小麗.中國天然氣市場發展現狀與特點[J].天然氣工業，2010，30（7）：1-6.

[5] 張麗敏，陳福洋.LNG加氣機技術現狀[J].煤氣與熱力，2008，28（7）：27-29.

[6] 劉孝配，王勁松，周勇.科氏流量計在液化氣貿易計量中的運用[J].中國測試技術，2008，34（6）：126-128.

[7] 王自和，范砧.氣體流量標準裝置[M].北京：中國計量出版社，2005.

[8] 段慧明，王自和.液體流量標準裝置和標準表法流量標準裝置[M].北京：中國計量出版社，2004.