液化天然气加气机计量检定方法的研究

赵普俊，熊茂涛，尹保来，杨修杰，雷 励，张宗平

（中国测试技术研究院，四川 成都 610021）

0 引 言

液化天然气（liquefied natural gas，LNG）是将气田开采出来的天然气压缩、膨胀、液化冷却至-162℃后形成的低温液体，压力约为0.1MPa，密度约为426kg/m3，为无色透明液体，外观如普通自来水，液化后其体积为气态天然气的1/625，体积能量密度约为汽油的72%。LNG是目前全球增长最快的一次能源，与传统的石油类燃料及CNG（压缩天然气）相比，LNG具有便于运输、储存能量大、运行压力低、更清洁环保等优点[1-2]。

LNG加气机是将LNG加气站输送的LNG加注到LNG汽车的一种超低温计量设备。国内LNG加气机技术经过近几年的发展已经日趋成熟，并形成了相关产业。该文分析了我国LNG加气机计量检定现状，提出了LNG加气机计量检定的新方法，这对于促进质监技术机构对LNG加气机开展计量检定工作、保证贸易交接的公平性以及促进我国LNG产业的发展壮大和技术进步具有重要的指导意义。

1 LNG加气机概述

1.1 LNG加气机的组成

LNG加气机整机主要由以下3部分组成：

（1）LNG质量流量计；

（2）机壳、阀门及管路系统，包括低温气动阀、低温安全阀、低温截止阀、低温紧急切断阀、金属软管、加气枪、回气枪、加气枪座、回气枪座、低温工艺管道等；

（3）数据采集系统、防爆电源等电气系统。

1.2 LNG加气机的原理

LNG加气机依据直接测量流体质量的原理计量经过LNG加气机充入储气瓶中的LNG液量。同时，LNG加气机采用先进的测控技术对计量过程进行自动控制，加气机显示屏直接显示LNG流量、单价、金额及加气累计量，并可远程通信，实现计算机中央管理。图1为LNG加气机控制原理示意图。

图1 LNG加气机控制原理示意图

2 LNG加气机的计量检定现状

2.1 概述

目前的LNG加气机在使用过程中温度一般为-160～-120℃，加气管内外温差大，夏天甚至可以达到200℃，因此在管路中普遍存在气化现象，形成气液混合多相流的情况。此外，LNG质量流量计在气液混合比超过一定值时，计量的误差较大，经常会发生贸易纠纷，不能满足公平贸易结算的要求。总的来说，LNG加气机在国家检定规程及标准、LNG科里奥利质量流量计、现有计量检定方法等方面存在许多有待解决的技术难题[3-5]。

2.2 LNG加气机国家检定规程及国家标准

LNG作为大宗贸易商品，涉及贸易结算和安全防护，必须解决流量量值的正确和统一问题，这不仅直接关系到贸易双方的利益，而且按照国家《计量法》的规定，用于贸易交接的LNG加气机应依法纳入强制管理范围，因此必须进行型式评价、首次检定、后续检定和使用中检定。目前国内已有多家企业生产LNG加气机，由于LNG加气机尚无国家检定规程及国家标准，技术机构无依据对其开展检定工作，这对于贸易交接的公平性来说是非常严重的问题。目前，中国测试技术研究院等单位正在实施LNG加气机国家检定规程及型式评价大纲的制定，这必将更好地规范LNG加气机的生产和计量检定工作。

2.3 LNG科里奥利质量流量计

LNG流量计是整个LNG加气机的核心部件，科里奥利质量流量计为目前应用最成功的LNG流量计。图2即为使用中的LNG科里奥利质量流量计。目前，美国高准公司生产的CMF系列质量流量计和Endress+Hauser公司生产的83F低温型质量流量计以其耐低温、性能稳定、准确度高等优点得到了LNG加气机行业的认同。另外，LNG加气机在加液过程中由于内外温差大而气化，难免会产生一些气体，气液两相对科里奥利质量流量计的计量准确度影响较大，气相流量计量的准确性对加气机整机计量准确度的提高起到了至关重要的作用。目前液相计量的准确度可达±0.10%，气相计量的准确度只有±0.35%，这是在LNG加气机的计量检定中需要进一步解决的技术难题[6]。

图2 使用中的LNG科里奥利质量流量计

2.4 LNG加气机的回气问题

LNG加气机分为单流量计加气机和双流量计加气机。单流量计加气机无气相流量计；双流量计加气机有气相流量计对回气进行计量，并从加气总量中扣减。LNG加气机无论采用单流量计还是双流量计，主要取决于LNG汽车储气瓶使用和加气站设计压力的情况。LNG储气瓶初次使用和长期搁置再次使用时，由于储气瓶内温度较高，LNG充装进去后很快部分汽化，造成储气瓶内压力升高，LNG液体难以充装进储气瓶，这时就必须使用双流量计LNG加气机进行回气计量。此外，部分LNG使用企业对于内部结算的LNG加气机采用单流量计，LNG回气不进行计量，这就造成LNG加气机显示的加气量与实际加气量的差距。据中国测试技术研究院的相关试验数据显示，其差值可达5%～15%，这就给LNG加气站的运营管理造成了困难。

2.5 LNG加气机的计量检定方法

针对使用质量流量计的LNG加气机，目前生产厂家采用的计量检定方法为质量法，此方法为静态法检定。LNG加气机设置为显示质量流量模式，使用电子天平进行标准质量的测量，检验次数不少于3次，记录LNG加气机显示的加入LNG储气瓶的质量流量示值，与电子天平称量的充入LNG储气瓶的净质量值进行直接比对，以得到LNG加气机计量准确度的结果。LNG加气机的计量检定工作一般在现场进行，质量法中的电子天平容易受到LNG加气站现场环境因素影响，造成检定准确度的大幅下降，电子天平的运输也不方便。同时，质量法所称量的LNG在检定完成后不允许现场排放，否则将造成安全隐患；LNG的现场回收难度大，不回收又会造成极大浪费，因此质量法已经不能满足LNG加气机计量检定的要求，迫切需要采用新的计量检定方法。

3 LNG加气机的计量检定新方法

3.1 标准表法概述

标准表法流量标准装置是传递标准装置，主要是把性能良好、准确度高、重复性好（0.01%～0.05%）的流量计作为标准流量计量器具用于检定其他流量计。它利用流体力学连续性原理，将标准流量仪表和被检流量仪表串联在同一管径的管道上，使流体在相同时间间隔内连续通过标准流量仪表和被检流量仪表，由标准流量仪表给出标准流量值，与被检流量仪表输出的流量值比较，确定被检流量仪表的技术指标。与其他方法的流量计量标准装置相比，具有结构简单、操作方便、工作效率高、易实现自动化和建设周期短的优点，可以给出更宽的流量范围，特别适合于现场对流量仪表及装置的检定，这是采用其他方法的流量标准装置无法相比的[7-8]。

3.2 LNG加气机检定装置

目前国内外还没有LNG加气机检定装置，国内采用标准表法原理的CNG加气机检定装置对CNG加气机进行检定的技术已经成熟。中国测试技术研究院利用此标准表法原理研制了一种计量准确度高、结构简单、操作方便的LNG加气机检定装置，克服了质量法的不足。

LNG加气机检定装置主要由加液管路、回气管路、放空管路和数据采集系统等4部分组成。图3即为LNG加气机检定装置图。

3.3 LNG加气机的计量检定流程

3.3.1 准备流程

图3 LNG加气机检定装置图

LNG加气机检定装置采用高准确度等级的LNG质量流量计作为标准表，LNG加气机与LNG加气机检定装置采用快装方式相串接，检定回路由LNG加气站储罐、输送系统、LNG加气机、LNG加气机检定装置、LNG汽车储气瓶等组成，其可以实现LNG加气机对LNG汽车加气过程中实现对加气机的计量检定。

3.3.2 大循环流程

LNG加气机串联LNG加气机检定装置，将LNG加气机的加气枪插到LNG加气机检定装置的进液枪口上，检定装置的加气枪插到LNG加气机的大循环枪口上，按下加气机键盘上的“预冷”键，LNG加气机和LNG加气机检定装置开始大循环流程，期间通过LNG加气机检定装置随时观察LNG加气机检定装置中液相流量计的温度、密度等状态参数，确定其充分预冷后即可开始检定工作。图4即为大循环流程示意图。

3.3.3 加气流程

LNG加气机串联LNG加气机检定装置后进行一次完整的加气流程。启动LNG加气机“加气”键，LNG加气机开始计数，LNG液体依次流经LNG加气和检定装置，最后注入LNG汽车储气罐。加气流程中即可进行检定工作，图5即为加气流程示意图。

图4 大循环流程示意图

图5 加气检定示意图

3.3.4 全过程静态启停法检定

全过程静态启停法检定需要进行一次完整的加气流程。首先，LNG加气机和检定装置的数据归零，然后启动检定装置数据采集和LNG加气机加气，加气过程大约为3～5 min，加气机结束加气后，立即停止LNG检定装置的数据采集，记录LNG加气机屏幕显示值以及LNG检定装置显示值，两者相比较，从而计算出误差。

3.3.5 动态截取法检定

大循环流程和加气流程中均可进行动态截取法检定。当检定装置显示的流量计状态参数（增益、密度、温度等）满足检定条件时，即可启动检定装置的数据采集，同步采用工业相机对LNG加气机屏幕显示加气数据进行拍照，至少1min后，再次进行数据采集和拍照，然后对相机照片进行人工识别，将前后两次照片所显示的LNG加气机流量数据与检定装置所记录的流量数据进行比较，从而计算出误差。

3.4 运行情况

LNG加气机检定装置实际运行情况表明，其性能稳定、计量准确、操作方便，实现了计量标准装置的智能化，达到了国际先进技术水平。与现有的计量检定方法相比，主要优点是：

（1）技术先进。LNG加气机检定装置可以分别采用全过程静态启停法检定和动态截取法检定两种方式，其先进的数据采集系统可得到同一工况条件下加气机和检定装置的状态参数进行处理，保证了检定的准确度。

（2）用途广泛。LNG加气机检定装置既可用来对LNG加气机进行整机检定，也可以对LNG加气机的液相流量计进行单独检定，同时也可对相同规格的低温型LNG流量计进行检定。

（3）有利于现场使用。与质量法相比，LNG加气机检定装置使用中减少了电子天平，不会受到LNG加气站现场环境因素的影响，保证了LNG加气机计量检定的准确度。

（4）有利于环境保护。LNG加气机检定装置采用标准表法对加气机进行检定，其所计量的LNG液体直接进入LNG储气瓶，克服了质量法中所称量的LNG在检定完成后现场回收难度大、不回收又会造成极大浪费的不足。

4 结束语

近年来我国LNG加气机产业发展迅速，但LNG加气机检定装置、国家检定规程尚未完善，制约了该产业的发展壮大、技术进步以及LNG加气机的正常使用。目前，中国测试技术研究院等单位实施的LNG加气机计量检定方法的研究以及国家检定规程的制定必将更好的规范LNG加气机的生产和计量检定工作，推动整个LNG加气机产业的发展与技术进步，促进我国天然气工业的快速、健康发展。

[1] 敬加强，梁光川，蒋宏业，等.液化天然气技术问答[M].北京：化学工业出版社，2007.

[2] 顾安忠，鲁雪生，金国强，等.液化天然气技术手册[M].北京：机械工业出版社，2010.

[3] 熊茂涛，赵普俊，张宗平，等.中国LNG加气机的市场、技术现状与发展方向[J].天然气工业，2011，31（6）：1-5.

[4] 刘小丽.中国天然气市场发展现状与特点[J].天然气工业，2010，30（7）：1-6.

[5] 张丽敏，陈福洋.LNG加气机技术现状[J].煤气与热力，2008，28（7）：27-29.

[6] 刘孝配，王劲松，周勇.科氏流量计在液化气贸易计量中的运用[J].中国测试技术，2008，34（6）：126-128.

[7] 王自和，范砧.气体流量标准装置[M].北京：中国计量出版社，2005.

[8] 段慧明，王自和.液体流量标准装置和标准表法流量标准装置[M].北京：中国计量出版社，2004.