簡析槽道式流量計在LNG交接計量中應用的可行性*

吳丹

大慶油田設計院有限公司

液化天然氣（LNG）是唯一清潔、高效的化石能源，在世界范圍內被廣泛使用。與傳統燃料相比，LNG不僅能夠有效降低CO2排放量，助力“雙碳”目標實現，還具有單位熱值高、經濟性高的優點，能為保障我國能源安全發揮積極作用[1]。我國到2018 年已成為全球最大的LNG 進口國，LNG 產業進入了發展“快車道”，隨著交易量逐年攀升，貿易各方對LNG 計量的準確性與可靠性要求大幅提高。

LNG國際貿易雙方簽訂長期銷售合同，使用貨輪運輸，采用測量船艙液位轉換體積量值的靜態計量方式，以能量單位進行交接。國內LNG 交接計量主要發生在LNG 接收站內。接收站主要用于接收、存儲和氣化來自國外的LNG，并通過管道或槽車方式外運。在LNG 到岸交接過程中，貨輪連接接收站卸料臂后，調平吃水后進行船艙液位的首次計量，卸貨完畢吹掃合格后調平吃水進行船艙液位的末次計量。根據首、末液位差值和船樣組分，進行溫度和壓力補償后，計算得到LNG 到岸量。不難發現，在上述計量過程中，液位受天氣影響較大。尤其在冬季，貨輪多、海浪大，船艙液位的計量誤差較夏季顯著增大。根據國際慣例、國家要求，計量遵循“交方計量、接方監護”的原則，接收站采用以儲罐為計量器具的靜態計量方式監護。但該方式存在現場測量不確定度高達1.0%（k=2），無法動態實時核查，儲罐溯源難度大等缺點，無法為接收站履行接方權責提供保障。此外，儲罐的LNG經低壓輸送至槽車裝車總管，以地秤為計量器具進行交接計量。初步估算，每車裝貨為20 t 時，與地秤偏差為40～80 kg，亟需應用流量計進行量值核查，確保公平、公正。

從國內某LNG 接收站2016 年至2019 年計量基礎數據分析發現，到岸卸船量和槽車加注量均與庫存相差較大，存在誤差。原因在于LNG 靜態計量結果的準確度受多種因素影響，如船艙液位偏差、LNG采樣、溫度和壓力測量誤差等[2]，且無法動態監護。為此，國內外計量技術機構聚焦LNG 流量計的應用與溯源技術，以加速LNG 計量體系的完善。

1 LNG流量計應用現狀

LNG 流量計主要應用在LNG 到岸卸船計量、槽車加注計量和汽車加注計量這3 個環節[3]，類型為超聲流量計、差壓式流量計（孔板）、渦輪流量計和科里奧利質量流量計[4-5]。

1.1 LNG卸船計量流量計

LNG經過船艙內的卸料泵加壓后，通過多路匯管進入LNG 卸料臂，再匯入到接收站的LNG 卸料總管，最終進入LNG 儲罐。LNG 卸船流量計在國外有應用，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，其最大測量流量可達到13 000 m3/h，例如美國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。但超聲流量計價格較高且溯源困難，采用激光多普勒（LDV）方法溯源的技術路線仍不成熟。

1.2 槽車加注計量流量計

LNG加注量由槽車加注前后在同一地秤上稱量質量差所得。單臺槽車自重約30 t，每次加注量約為24 t，兩者量級一致，加之地秤使用環境條件差，降低了LNG 加注量的計量準確度。為提高槽車加注計量準確度，目前國內外已開展流量計替代地秤計量的研究。已有研究中，形成了返氣臂上增設氣態質量流量計、液相加注管中串聯質量流量計的計量工藝技術。由于液相加注管路中LNG 易氣化，因此在槽車加注前需對液相加注管路進行提前預冷，并保持管線不發生振動，減少對質量流量計計量準確度的影響。

1.3 汽車加注計量流量計

LNG汽車加注采用動態計量方式，多使用科里奧利質量流量計。國際上使用的LNG 汽車加注機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液箱上，用于加注過程中車輛儲罐內氣體返回LNG 儲罐，LNG 加注量即為液相來液管線與氣相返回管線的兩個質量流量計計量的數值之差。但汽車加注時要保持流量計處于穩定運行狀態，避免受到電磁干擾，以降低計量準確度。

1.4 流量計比對分析

超聲流量計雖然可實現大口徑計量，技術也比較成熟，但需要進口且價格高昂。孔板流量計無可動部件，計量LNG 時無需考慮流體摩擦與內部潤滑的問題，但壓力損失較大，量程范圍窄，降低了LNG計量準確度。渦輪流量計，具有寬量程和低壓降的特點，但需考慮其轉子和軸承等在高速轉動下摩擦系數與溫度間的關系。科里奧利質量流量計直接測得LNG 質量，具有量程比寬、內部無可動部件、不需要前后直管段等特點，但必須保持運行狀態穩定，當受到振動干擾時會降低測量準確度。考慮上述4種流量計的特性，嘗試尋找一種適應能力強、測量準確度高、量程范圍寬的新型流量計，以實現LNG動態計量的規模應用。

2 槽道式流量計

2.1 測量原理

槽道式流量計是我國自主研發的新型差壓式流量計，主要由表體、紡錘體、固定支撐片、引壓管和測溫口構成（圖1）。紡錘體在管道中由前后支撐片支撐，保護其能經受介質的沖擊。任何流體經過紡錘體時，邊界層重新整合，獲得均勻流場和相同速度，避免流動分離，從原理上使測量重復性和準確度得到進一步提高，同時顯著減少了壓力損失[6]。

圖1 槽道式流量計結構Fig.1 Structure of spindle flowmeter

根據紡錘體前部和中部形成的壓力差與流量之間的函數關系確定流量。其基本原理計算公式為差壓型流量計通用公式：

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

2.2 測量特點

槽道式流量計的節流裝置即紡錘體，是依據空氣動力學原理設計的，并用遺傳基因算法進行了優化，使其流體逐漸在管線邊壁收縮，原來的管流特性改變，兩側邊界層重新形成，在兩側邊界層之間流體是均勻流動的，可對不同的復雜流體在流量計內部實現運動相似[7-9]。紡錘體設計為流線型，流體經過后不會造成流動分離和漩渦，保證了測量的高準確度。節流裝置有很強的整流作用，且產生的尾流很短，壓力損失小，對下游設備影響小，大大縮短所需要的直管段，適應性強[10-11]。槽道式流量計壓力信號穩定，信噪比較高，單表量程比可大于10∶1，且還可繼續擴展。因此，采用耐低溫材質的槽道式流量計測量LNG，理論上不僅可以提高測量準確度，而且結構簡單，無可動部件。

2.3 實際應用分析

2.3.1 實驗室測試

為驗證槽道式流量計測量的準確度，分別對某站在用的DN100、DN250、DN600 型3 臺槽道式流量計實驗室測試數據進行了分析，其中檢定數據如表1、表2、表3所示。

表1 DN100槽道式流量計檢定數據Tab.1 Verification data of DN100 spindle flowmeter

表2 DN250槽道式流量計檢定數據Tab.2 Verification data of DN250 spindle flowmeter

表3 DN600槽道式流量計檢定數據Tab.3 Verification data of DN600 spindle flowmeter

從測試數據看，3臺槽道式流量計的相對誤差均在±0.40%內，每臺流量計校準大流量點示值誤差的測量結果相對擴展不確定度在0.45%以內。說明該儀表有較好的測量準確度和較寬的量程比，能適用于大口徑流量計量。

2.3.2 現場測試情況

目前槽道式流量計已在多種介質的流量測量中應用，也對其進行了多方面的性能驗證。其中，某站對槽道式流量計、孔板流量計和渦輪流量計分別進行了比對測試。

（1）把同口徑DN100的孔板流量計和槽道式流量計串聯安裝，記錄每天儀表數據，連續記錄10天，試驗結果如圖2所示。

圖2 孔板流量計與槽道流量計比對試驗Fig.2 Comparison test of orifice flowmeter and spindle flowmeter

從圖2中可以看出，槽道流量計與孔板流量計數據基本一致，產生的誤差很小，誤差的來源主要是槽道式流量計與孔板流量計使用的天然氣密度略有差別。

（2）把同口徑DN50 的渦輪流量計和槽道式流量計串聯安裝，記錄每天儀表的顯示數據，連續記錄10天，試驗結果如圖3所示。

圖3 渦輪流量計與槽道流量計比對試驗Fig.3 Comparison test of turbine flowmeter and spindle flowmeter

由圖3可看出，天然氣密度進行修正后，槽道式流量計與渦輪流量計計量結果基本一致，特別是最后4天曲線基本重合，現場的瞬時流量顯示完全一樣。從計量性能上看，槽道式流量計可以等同于渦輪流量計使用。但是從結構上，槽道式流量計無可動部件，不會產生摩擦，使用壽命更長。

通過以上對比試驗可以發現，槽道式流量計在計量性能上與其他兩種流量計基本一致，理論上具備應用于LNG計量的可行性。

3 結論

槽道式流量計作為一種新型的節流式流量計，在LNG 計量方面存在以下優點：①適應介質多，具有很強的流動調節能力，可以對LNG 實現流量計內部運動相似；②結構可靠，無可動部件，節流裝置固定，對LNG 來液形成槽道流動，避免流動分離，在形成較高差壓的同時壓損很小，計量準確度高；③節流裝置產生的尾流短，對LNG 計量上、下游直管段要求低，現場適應性強；④流量計量程比寬，單表可達到10∶1。

未來LNG 計量技術發展中，槽道式流量計在LNG上的應用具有較強的推廣空間，但還需進一步深入研討，通過現場試驗驗證其適應性，形成技術準則，指導現場使用，支撐LNG動態計量體系完善。