標準表法車載式LNG加氣機在線計量檢定裝置的設計與應用

王 琳

〔中國石化北京石油分公司 北京 100022〕

目前為止，國內LNG加氣站尚無更科學的后續檢定方法，致使LNG加氣機計量準確性較低，具有潛在計量風險。為此，本文研制了一套標準表法車載式LNG加氣機在線計量檢定裝置，解決了國家質量技術監督部門對LNG加氣機在后續檢定和使用中檢定的問題，并為LNG加氣機計量檢定規程提供一種科學、有效的檢定方法，在現場試驗中，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 %，符合國家規范。

1 現狀

目前國內外LNG加氣機生產廠家的出廠檢定普遍使用的計量檢定方法為“質量稱重法”。該方法為靜態檢定方法，檢測前需要應用水平儀調節天平的水平，裝置不便移動，所用液化天然氣難以回送，檢定時間長，加氣機生產廠的型式檢定實驗即應用該方法。

中國測試技術研究院在2011年率先研制了LNG加氣機計量檢定裝置，該裝置被檢數據的采集應用相機拍照的方法，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用。而且，LNG屬易燃易爆危險品，采用常規非防爆照相機、筆記本計算機等儀器不符合安全規定，存在安全隱患。該檢定裝置是典型的多地點移動應用設備，其設備需吊裝運輸，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備，無法達到實際使用的要求。

2 主要設計

在本文研制的檢定裝置的設計方案中應用標準表法進行檢定。LNG加氣機數據是通過LNG加氣機專用檢定接口實時讀取。應用“LNG加氣機專用檢定接口”，檢定裝置可以精確掌握標準流量計與被檢加氣機數據采集時序，確保在相同時間間隔內得到標準流量計與被檢加氣機數據。檢定方法上，采用液相流量檢定、整機流量檢定，連續實現3點每點3次的自動檢定[1]。

標準表法車載式在線計量檢定裝置包括：標準液相流量計、標準氣相流量計等組成的現場儀表層；可編程控制器、流量檢定采集器組成的現場控制層；具有系統監控、報表生成功能的管理層。

2.1 主要設備設計

2.1.1 CMF型高準ELITE質量流量計

檢定裝置標準流量計選用CMF型高準ELITE 質量流量計。該流量計達到了行業一流的質量和流量精度水平，密度精度也提高一倍(常溫水介質在20∶1 量程比范圍內達到0.05 % 質量和體積流量精度，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的用于復雜工業環境的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、安全系統等應用項目的理想選擇?？删幊炭刂破髯鳛榱髁孔詣訖z定的控制單元，負責檢定裝置檢定流程控制、檢定點定位處理、輔助參數(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的中間層，是系統底層執行、監測設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置和檢定參數，包括LNG加氣機生產廠家及其通訊采集方式設置、檢定流量點設置、檢定流程(液相檢定流程、整機檢定流程)設置、流量穩定度設置、檢定次數設置等。

控制器通過讀取壓力、溫度數據，啟動檢定并讀取檢定過程的關鍵數據。通過流量檢定采集器讀取標準表瞬時流量、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，負責裝置標準流量計和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用。流量檢定采集器是專門開發設計的高精尖電子儀器，該儀器基于全數字、全智能、全功能的設計理念，用于LNG加氣機在線計量檢定裝置標準表數據的實時采集，并實現智能化流量采集、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準流量計流量、氣相標準流量計流量、液相溫度、氣相溫度、液相壓力、氣相壓力等數據，同步采集LNG加氣機的相應數據，經邏輯判斷及邏輯運算，送至PLC控制器完成檢定。

2.1.4 超低溫設備及工藝

LNG加氣機檢定裝置借鑒航空航天技術，采用目前最為先進的超低溫設備及工藝。加氣槍、加氣座均為美國JC卡特產品。關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。進氣系統連接件全部采用焊接結構,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 專用車整體設計

檢定裝置專用車為雙排座高端輕卡專用車。車后側為箱式結構，左右兩側為全開式手動卷簾門，后側為雙開門設計。

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加氣機旁常規機動車加氣車位，停車熄火，連接防靜電裝置，連接相應管線。

檢定前，加氣機和檢定裝置要進行預冷循環流程。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口上，開啟加氣機預冷循環，期間觀察檢定裝置顯示的LNG流體狀態參數(流量、溫度、密度等)，同時調整檢定裝置液相管路末端處的流量調節閥，對管路流量進行調節。當觀察到循環流程的流量值滿足32kg/min

2.2.1 液相流量檢定[1]

完成預冷循環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口上，加氣機不連接回氣管路。在預冷循環流程狀態不變情況下，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果。檢定結果通過無線網絡傳至安全區的上位機。上位機將完成檢定數據處理、存儲，并形成原始記錄及檢定證書。

2.2.3 上位機軟件設計

軟件采用.net自主開發，數據庫：SQLserver2008。每次檢定作業結束后上位機軟件將數據寫到數據庫中，同時生成檢定數據記錄表以及LNG加氣機的檢定證書。

人機界面展示檢定流程，可以選擇LNG加氣機生產廠家及其通訊采集方式設置、檢定流量點設置、檢定流程(液相檢定流程、整機檢定流程)設置、流量穩定度設置、檢定次數設置，人機界面顯示過程相關檢定參數與其它相關輔助參數，顯示系統實時參數趨勢曲線和歷史趨勢曲線，生成檢定數據記錄表及檢定證書。

2.3 計量檢定精度的提高

2.3.1 質量流量計校正

檢定裝置選定質量流量計型號為：CMF100。額定量程為260 kg/min，口徑為DN25 mm。該流量計流量標稱精度為 ±0.1%流量，該精度包括重復性、線性度及滯后的組合效應，且為除啟動流量(量程比是20∶1)外的讀數精度。而本文應用的低流量為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%。為更好地應用，本文對該質量流量計進行了應用量程段的校正。校正后，大大提升了應用精度。在實際應用中，檢定裝置考慮了LNG介質超低溫對流量測量的影響，過程溫度偏離標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零時進行校正，而在檢定作業中，檢定裝置應用了預冷校零的方法進行溫度補償。

2.3.2 專用通信接口設計

檢定裝置通過流量檢定采集器、專用通信接口及通信協議進行檢定，可以精確掌握標準檢定裝置與LNG加氣機數據采集時序，確保在相同時間間隔內得到標準檢定裝置與LNG加氣機的檢定數據。

檢定裝置數據采集嚴格根據數據采集通訊協議及流量檢定采集器定時完成。根據通訊協議規定，檢定采集器與標準流量計、LNG加氣機通訊均為獨立的接口，可同時與兩個設備發送指令。向標準流量計及LNG加氣機發送指令同為8個字節，每個字節10位，波特率為9600bps，故指令發送時間為8.33ms。同理，接收數據亦為特定時長，即理論上標準流量計采集時間與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，流量檢定采集器應用2個獨立的數據接口同時向標準流量計與LNG加氣機發出取檢定初始流量累計值指令。標準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準流量計和LNG加氣機的初始流量累計值。

根據檢定系統上位機設定的采集量參數，流量檢定采集器同時向標準流量計與LNG加氣機發出取檢定結束流量累計值指令。同上“讀取檢定初始流量累計值”一樣的時序。標準流量計接到流量檢定采集器取結束流量累計值指令后，將當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束流量累計值指令后，向其流量計發出取檢定結束流量累計值指令。LNG加氣機流量計接到計控器指令將當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準流量計和LNG加氣機的檢定結束流量累計值。至此，流量檢定采集器得到了標準流量計和被檢加氣機一個檢定點的所有數值，并送至控制器進行計算，最后得到計量結果。

標準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；

標準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；

標準流量計自結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′；

標準流量計與加氣機流量計采集結束檢定流量值完成時間差(t1′-t2′)：t3′；

檢定裝置發出啟動檢定指令與發出結束檢定指令間隔時間：tC；

標準流量計采集初始量至結束量時間間隔：tB；

LNG加氣機流量計采集初始量至結束量時間間隔：tJ。

由于標準流量計和LNG加氣機流量計采集初始檢定流量值與結束檢定流量值這兩個采集周期的程序是調用相同的子程序，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。采集時間結果見圖4。

圖4 采集時間結果圖

結果表明，標準流量計與LNG加氣機流量計采集初始量至結束量時間間隔相等。這兩個流量計串聯在一個管線中，保證了“在相同時間間隔內連續通過標準流量計和LNG加氣機的質量流量相等”[1]這一規則，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 檢定裝量數據采集時序圖

3 實際檢定效果

該車載式檢定裝置應用于LNG液化天然氣貿易交接的現場，經過現場大量的測試，實現了液相流量檢定、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%。通過車載式結構的設計，機動靈活，利用標準表法實現了對LNG加氣機的全自動檢定。

現場檢定數據如表1。

表1 現場檢定數據

4 結語

本文設計的車載式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，達到了行業先進水平，且關鍵技術(器件)自主可控。該成果已應用于北京公交LNG加氣機的檢定，具有良好的推廣應用價值及明顯的經濟社會效益。