液化天然氣加氣機檢定裝置研制

熊茂濤 趙普俊 余 波 鄧萬全 尹保來 楊修杰

(1西華大學流體及動力機械教育部重點實驗室 成都 610039)(2中國測試技術研究院 成都 610021)

液化天然氣加氣機檢定裝置研制

熊茂濤1，2趙普俊2余 波1鄧萬全1尹保來2楊修杰2

(1西華大學流體及動力機械教育部重點實驗室 成都 610039)(2中國測試技術研究院 成都 610021)

介紹了LNG加氣機的組成、工作原理以及中國LNG加氣機計量檢定現狀。針對LNG加氣機校準中采用的質量法的不足，研制了標準表法原理的LNG加氣機檢定裝置，該裝置的試驗情況表明，其性能穩定、計量準確、操作方便。

LNG加氣機 檢定裝置 質量法 標準表法

1 引言

氣田開采出來的天然氣，主要成分由甲烷組成，經過脫水、脫酸性氣體和重烴類，然后壓縮、膨脹、液化冷卻至-162℃后形成液化天然氣(LNG)，其壓力約為0.1 MPa，密度約為426 kg/m3。LNG是天然氣的一種獨特的儲存和運輸形式，為無色透明液體，其體積為氣態天然氣的1/625，體積能量密度約為汽油的72%，便于運輸及儲存?？偟膩碚f，LNG具有便于供氣負荷的調節、其辛烷值高、可作優質車用燃料、有利于減少大氣污染等優點［1-2］。LNG加氣機是將LNG加氣站輸送的LNG加注到LNG汽車儲氣瓶的一種超低溫計量設備。本文分析了當前中國LNG加氣機計量檢定的現狀，提出了LNG加氣機計量檢定的新方法及新裝置，這對于促進中國質監技術機構對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中國LNG產業的發展壯大和技術進步具有重要的促進作用。

2 LNG加氣機概述

2.1 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，包括壓力傳感器、低溫氣動閥、低溫安全閥、低溫緊急切斷閥、金屬軟管、加液槍、回氣槍、低溫工藝管道等;

(3)控制系統、防爆電源等電氣系統。

2.2 LNG加氣機工作原理

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。工作原理如圖1所示，將加液槍頭和回氣槍頭分別插入儲氣瓶的進液口和出氣口，啟動加氣機開始加注LNG，加注過程中首先進行內部小循環，氣動閥2開啟，氣動閥1關閉，此時流經液相流量計的LNG處于氣液兩相狀態，流量計無法準確計量，LNG經液相流量計、氣動閥2回到加氣站中。當流過液相流量計的LNG為全液態時，氣動閥2關閉，氣動閥1開啟，加氣機開始向儲氣瓶中加注LNG，小循環的時間長短由流過液相流量計的加氣機流體狀態決定。

圖1 LNG加氣機工作原理簡圖Fig.1 Working principle of LNG dispensers

3 LNG加氣機的計量檢定現狀

3.1 概述

LNG加氣機在使用過程中，LNG液體一般為-120℃至-160℃，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著汽化現象，形成氣液混合多相流而計量不準確的情況，容易發生貿易糾紛，不能滿足公平貿易結算的要求。此外，LNG加氣機在國家檢定規程、計量檢定方法等方面存在許多有待于解決的技術難題。

3.2 LNG加氣機國家標準及規程

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。目前中國已有多家企業生產LNG加氣機。由于目前LNG加氣機尚無國家檢定規程及國家標準，質監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，這必將更好的規范LNG加氣機的生產和計量檢定工作［3］。

3.3 LNG加氣機的計量檢定方法

目前LNG加氣機用戶一般采用質量法開展校準工作，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，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比對，得到計量準確度的結果。圖2為質量法原理簡圖。LNG加氣機的相對誤差采用式(1)計算:

式中:Emax和Emin分別為規定測量點下，測量示值相對誤差的最大值和最小值，dn為極差系數。

LNG加氣機的校準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在校準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LNG加氣機迫切需要新的計量檢定方法及裝置［4-5］。

4 LNG加氣機檢定裝置

4.1 標準表法概述

標準表法檢定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%—0.1%)的流量計作為標準計量器具用于檢定其它流量計。它利用流體力學連續性原理，將標準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儀表和被檢流量儀表，由標準儀表給出

圖2 質量法原理簡圖Fig.2 Scheme of mass method verification

測量重復性采用式(2)計算: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。與其它方法的流量檢定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［6-7］。

4.2 LNG加氣機檢定裝置

此前國內外還沒有LNG加氣機檢定裝置，也沒有LNG加氣機國家檢定規程，LNG加氣機生產廠家和用戶一般采用質量法進行校準。中國測試技術研究院利用標準表法原理研制了國內外第一臺LNG加氣機檢定裝置，其計量精度高、結構簡單、操作方便，克服了質量法的不足。圖3為LNG加氣機檢定裝置圖。

圖3 LNG加氣機檢定裝置Fig.3 LNG dispensers verification device

4.3 LNG加氣機計量檢定流程

4.3.1 準備流程

LNG加氣機與LNG加氣機檢定裝置采用快裝方式連接。

4.3.2 預冷流程(大循環流程)

按下加氣機“預冷”鍵，加氣機和檢定裝置開始預冷流程。LNG液體從LNG加氣機流經檢定裝置，最后回到LNG儲罐。圖4為預冷流程示意圖。大循環流程的步驟與預冷流程基本相同，唯一的不同點就是需要根據檢定方法的不同確定預冷循環的時間。

4.3.3 加氣流程

完成準備流程和預冷流程后，LNG加氣機檢定裝置可以進行加氣流程。啟動LNG加氣機“加氣”鍵，加氣機開始計數，LNG液體依次流經加氣機和檢定裝置，最后注入LNG汽車儲氣瓶。加氣流程中即可進行計量檢定工作。圖5為加氣流程示意圖。

4.3.4 檢定流程

(1)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”鍵，加氣過程大約為3—5分鐘，加氣機結束加氣后，立即停止檢定裝置的數據采集，同步記錄加氣機屏幕顯示值以及檢定裝置顯示值，兩者相比較，從而計算出誤差。圖6為全過程靜態啟停法的軟件截圖，圖中的紅色曲線即顯示為進行了一次完整的加氣流程。LNG加氣機的相對誤差采用式(3)計算:

圖4 預冷流程示意圖Fig.4 Scheme of precooling process

圖5 加氣流程示意圖Fig.5 Scheme of adding gas process

圖6 靜態啟停法檢定軟件截圖Fig.6 Scheme of softwar?e in static verification

式中:mj為LNG加氣機顯示的質量流量示值，mz為檢定裝置采集的質量流量示值。加氣機的重復性計算同式(2)。

(2)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加氣機屏幕顯示的加氣數據進行拍照，至少1分鐘后，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加氣量數據與檢定裝置所記錄的加氣量數據進行比較，從而計算出誤差。圖7為動態截取法中的圖像采集系統。

圖7 動態截取法的圖像采集系統Fig.7 Image collection system of dynamic method

4.4 試驗數據

LNG加氣機檢定裝置的擴展不確定度為0.2%(k=2)，達到了國際先進技術水平。

表1為LNG加氣機檢定裝置的主要技術參數，表2為加氣流程的靜態啟停法檢定數據，表3為大循環流程的動態截取法檢定數據。

表1 LNG加氣機檢定裝置主要技術參數Table 1 Main technical specifications of device

表2 加氣流程的靜態啟停法檢定數據(實驗介質:液氮)Table 2 Data of adding gas process in static verification(experiment medium:liquid nitrogen)

表3 大循環流程的動態截取法檢定數據(實驗介質:LNG)Table 3 Data of greater circulation process in dynamic verification(experiment medium:LNG)

對表2—表3的試驗數據分析結果表明:在保證較大加氣流量的情況下采用靜態啟停法和動態截取法對加氣機的檢定結果與質量法基本一致。靜態啟停法中檢定裝置與電子秤平均誤差為-0.16%，加氣機與檢定裝置平均誤差為0.17%。動態截取法中加氣機與檢定裝置平均誤差為-0.27%，動態截取法只對加氣流程中狀態最穩定時加氣機的計量準確度進行檢定，未能對加氣流程全過程數據進行判斷，因此也存在一定的局限性。同時，在試驗過程中，為了避免出現氣液混合多相流而造成計量不準確的情況，一定要嚴格按照檢定裝置的操作流程，進行預冷流程。這些試驗數據為LNG加氣機國家檢定規程及型式評價大綱的編寫提供了技術支持。

4.5 小結

目前該裝置的試驗情況表明，其性能穩定、計量準確、操作方便，各項指標符合設計要求，達到了國際先進技術水平。與現有質量法相比，其主要優點是:

(1)計量精度高

檢定裝置采用的高精度LNG質量流量計為特殊定制型產品，采取了保護氣體由氦氣取代氮氣、電子模塊密封膠采用耐低溫材質等特殊改進措施來增強其低溫可靠性，保證了該裝置的擴展不確定度為0.2%(k=2)。

(2)技術先進

LNG加氣機檢定裝置采用靜態啟停法檢定和動態截取法相結合的檢定方式，專用數據采集系統得到同一工況條件下LNG加氣機和檢定裝置的流量值進行比較，保證了計量檢定的準確度。

(3)使用方便

LNG加氣機檢定裝置既可用來對LNG加氣機進行整機檢定，也可對LNG加氣機的液相流量計進行單獨檢定。檢定裝置的管理系統從功能上可分為整機檢定、液相流量計單獨檢定、檢定參數設置、數據庫管理與維護、檢定證書打印等幾部分。

(4)有利于現場使用

LNG加氣機檢定裝置的使用與現有質量法相比，減少了高精度電子天平，不會受到LNG加氣站現場環境因素的影響，保證了計量檢定的準確度。

(5)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現場檢定，其所計量的LNG直接進入LNG汽車儲氣瓶，克服了質量法中所稱量的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的不足。

5 結束語

近年來中國LNG加氣機產業發展迅速，但LNG加氣機相應的檢定方法及裝置尚未完善，制約了該產業的發展壯大。中國測試技術研究院研制的LNG加氣機檢定裝置以及正在實施的LNG加氣機國家檢定規程的編寫工作，必將更好的規范LNG加氣機的應用和計量檢定工作，推動整個LNG加氣機產業的發展與技術進步，促進中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):103-110.

4 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.

5 孫曉玲，劉忠明，張 燕.液化天然氣潛液泵的研制［J］.低溫工程，2010，174(2):20-23.

6 王自和，范 砧.氣體流量標準裝置［M］.北京:中國計量出版社，2005(修訂版).

7 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.

Research of LNG dispensers verification device

Xiong Maotao1，2Zhao Pujun2Yu Bo1Deng Wanquan1Yin Baolai2Yang Xiujie2

(1Key Laboratory of Fluid Machinery and Power Machinery，Xihua University，Chengdu 610039，China)(2National Institute of Measurement and Testing Technology，Chengdu 610021，China)

The composition，working principle and verification status of LNG dispensers in China were introduced.According to the defect of mass method in calibration of LNG dispensers，the LNG dispensers verification device was developed，which applying the master meter method to verify LNG dispensers.Experiment of the device was performed and results indicate that the device had steady performance，high efficiency and flexible configuration.

LNG dispensers;verification device;mass method;master meter method

TB663、TH814

A

1000-6516(2011)06-0026-06

2011-03-14;

2011-09-22

西華大學流體及動力機械教育部重點實驗室開放研究基金(szjj2011-037)資助項目。

熊茂濤，男，35歲，博士、高級工程師。