液化天然气加气机检定装置研制

熊茂涛 赵普俊 余 波 邓万全 尹保来 杨修杰

(1西华大学流体及动力机械教育部重点实验室 成都 610039)(2中国测试技术研究院 成都 610021)

液化天然气加气机检定装置研制

熊茂涛1，2赵普俊2余 波1邓万全1尹保来2杨修杰2

(1西华大学流体及动力机械教育部重点实验室 成都 610039)(2中国测试技术研究院 成都 610021)

介绍了LNG加气机的组成、工作原理以及中国LNG加气机计量检定现状。针对LNG加气机校准中采用的质量法的不足，研制了标准表法原理的LNG加气机检定装置，该装置的试验情况表明，其性能稳定、计量准确、操作方便。

LNG加气机 检定装置 质量法 标准表法

1 引言

气田开采出来的天然气，主要成分由甲烷组成，经过脱水、脱酸性气体和重烃类，然后压缩、膨胀、液化冷却至-162℃后形成液化天然气(LNG)，其压力约为0.1 MPa，密度约为426 kg/m3。LNG是天然气的一种独特的储存和运输形式，为无色透明液体，其体积为气态天然气的1/625，体积能量密度约为汽油的72%，便于运输及储存。总的来说，LNG具有便于供气负荷的调节、其辛烷值高、可作优质车用燃料、有利于减少大气污染等优点［1-2］。LNG加气机是将LNG加气站输送的LNG加注到LNG汽车储气瓶的一种超低温计量设备。本文分析了当前中国LNG加气机计量检定的现状，提出了LNG加气机计量检定的新方法及新装置，这对于促进中国质监技术机构对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中国LNG产业的发展壮大和技术进步具有重要的促进作用。

2 LNG加气机概述

2.1 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，包括压力传感器、低温气动阀、低温安全阀、低温紧急切断阀、金属软管、加液枪、回气枪、低温工艺管道等;

(3)控制系统、防爆电源等电气系统。

2.2 LNG加气机工作原理

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。工作原理如图1所示，将加液枪头和回气枪头分别插入储气瓶的进液口和出气口，启动加气机开始加注LNG，加注过程中首先进行内部小循环，气动阀2开启，气动阀1关闭，此时流经液相流量计的LNG处于气液两相状态，流量计无法准确计量，LNG经液相流量计、气动阀2回到加气站中。当流过液相流量计的LNG为全液态时，气动阀2关闭，气动阀1开启，加气机开始向储气瓶中加注LNG，小循环的时间长短由流过液相流量计的加气机流体状态决定。

图1 LNG加气机工作原理简图Fig.1 Working principle of LNG dispensers

3 LNG加气机的计量检定现状

3.1 概述

LNG加气机在使用过程中，LNG液体一般为-120℃至-160℃，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着汽化现象，形成气液混合多相流而计量不准确的情况，容易发生贸易纠纷，不能满足公平贸易结算的要求。此外，LNG加气机在国家检定规程、计量检定方法等方面存在许多有待于解决的技术难题。

3.2 LNG加气机国家标准及规程

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。目前中国已有多家企业生产LNG加气机。由于目前LNG加气机尚无国家检定规程及国家标准，质监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，这必将更好的规范LNG加气机的生产和计量检定工作［3］。

3.3 LNG加气机的计量检定方法

目前LNG加气机用户一般采用质量法开展校准工作，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，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比对，得到计量准确度的结果。图2为质量法原理简图。LNG加气机的相对误差采用式(1)计算:

式中:Emax和Emin分别为规定测量点下，测量示值相对误差的最大值和最小值，dn为极差系数。

LNG加气机的校准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在校准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LNG加气机迫切需要新的计量检定方法及装置［4-5］。

4 LNG加气机检定装置

4.1 标准表法概述

标准表法检定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%—0.1%)的流量计作为标准计量器具用于检定其它流量计。它利用流体力学连续性原理，将标准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仪表和被检流量仪表，由标准仪表给出

图2 质量法原理简图Fig.2 Scheme of mass method verification

测量重复性采用式(2)计算: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。与其它方法的流量检定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［6-7］。

4.2 LNG加气机检定装置

此前国内外还没有LNG加气机检定装置，也没有LNG加气机国家检定规程，LNG加气机生产厂家和用户一般采用质量法进行校准。中国测试技术研究院利用标准表法原理研制了国内外第一台LNG加气机检定装置，其计量精度高、结构简单、操作方便，克服了质量法的不足。图3为LNG加气机检定装置图。

图3 LNG加气机检定装置Fig.3 LNG dispensers verification device

4.3 LNG加气机计量检定流程

4.3.1 准备流程

LNG加气机与LNG加气机检定装置采用快装方式连接。

4.3.2 预冷流程(大循环流程)

按下加气机“预冷”键，加气机和检定装置开始预冷流程。LNG液体从LNG加气机流经检定装置，最后回到LNG储罐。图4为预冷流程示意图。大循环流程的步骤与预冷流程基本相同，唯一的不同点就是需要根据检定方法的不同确定预冷循环的时间。

4.3.3 加气流程

完成准备流程和预冷流程后，LNG加气机检定装置可以进行加气流程。启动LNG加气机“加气”键，加气机开始计数，LNG液体依次流经加气机和检定装置，最后注入LNG汽车储气瓶。加气流程中即可进行计量检定工作。图5为加气流程示意图。

4.3.4 检定流程

(1)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”键，加气过程大约为3—5分钟，加气机结束加气后，立即停止检定装置的数据采集，同步记录加气机屏幕显示值以及检定装置显示值，两者相比较，从而计算出误差。图6为全过程静态启停法的软件截图，图中的红色曲线即显示为进行了一次完整的加气流程。LNG加气机的相对误差采用式(3)计算:

图4 预冷流程示意图Fig.4 Scheme of precooling process

图5 加气流程示意图Fig.5 Scheme of adding gas process

图6 静态启停法检定软件截图Fig.6 Scheme of softwar?e in static verification

式中:mj为LNG加气机显示的质量流量示值，mz为检定装置采集的质量流量示值。加气机的重复性计算同式(2)。

(2)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加气机屏幕显示的加气数据进行拍照，至少1分钟后，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加气量数据与检定装置所记录的加气量数据进行比较，从而计算出误差。图7为动态截取法中的图像采集系统。

图7 动态截取法的图像采集系统Fig.7 Image collection system of dynamic method

4.4 试验数据

LNG加气机检定装置的扩展不确定度为0.2%(k=2)，达到了国际先进技术水平。

表1为LNG加气机检定装置的主要技术参数，表2为加气流程的静态启停法检定数据，表3为大循环流程的动态截取法检定数据。

表1 LNG加气机检定装置主要技术参数Table 1 Main technical specifications of device

表2 加气流程的静态启停法检定数据(实验介质:液氮)Table 2 Data of adding gas process in static verification(experiment medium:liquid nitrogen)

表3 大循环流程的动态截取法检定数据(实验介质:LNG)Table 3 Data of greater circulation process in dynamic verification(experiment medium:LNG)

对表2—表3的试验数据分析结果表明:在保证较大加气流量的情况下采用静态启停法和动态截取法对加气机的检定结果与质量法基本一致。静态启停法中检定装置与电子秤平均误差为-0.16%，加气机与检定装置平均误差为0.17%。动态截取法中加气机与检定装置平均误差为-0.27%，动态截取法只对加气流程中状态最稳定时加气机的计量准确度进行检定，未能对加气流程全过程数据进行判断，因此也存在一定的局限性。同时，在试验过程中，为了避免出现气液混合多相流而造成计量不准确的情况，一定要严格按照检定装置的操作流程，进行预冷流程。这些试验数据为LNG加气机国家检定规程及型式评价大纲的编写提供了技术支持。

4.5 小结

目前该装置的试验情况表明，其性能稳定、计量准确、操作方便，各项指标符合设计要求，达到了国际先进技术水平。与现有质量法相比，其主要优点是:

(1)计量精度高

检定装置采用的高精度LNG质量流量计为特殊定制型产品，采取了保护气体由氦气取代氮气、电子模块密封胶采用耐低温材质等特殊改进措施来增强其低温可靠性，保证了该装置的扩展不确定度为0.2%(k=2)。

(2)技术先进

LNG加气机检定装置采用静态启停法检定和动态截取法相结合的检定方式，专用数据采集系统得到同一工况条件下LNG加气机和检定装置的流量值进行比较，保证了计量检定的准确度。

(3)使用方便

LNG加气机检定装置既可用来对LNG加气机进行整机检定，也可对LNG加气机的液相流量计进行单独检定。检定装置的管理系统从功能上可分为整机检定、液相流量计单独检定、检定参数设置、数据库管理与维护、检定证书打印等几部分。

(4)有利于现场使用

LNG加气机检定装置的使用与现有质量法相比，减少了高精度电子天平，不会受到LNG加气站现场环境因素的影响，保证了计量检定的准确度。

(5)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现场检定，其所计量的LNG直接进入LNG汽车储气瓶，克服了质量法中所称量的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的不足。

5 结束语

近年来中国LNG加气机产业发展迅速，但LNG加气机相应的检定方法及装置尚未完善，制约了该产业的发展壮大。中国测试技术研究院研制的LNG加气机检定装置以及正在实施的LNG加气机国家检定规程的编写工作，必将更好的规范LNG加气机的应用和计量检定工作，推动整个LNG加气机产业的发展与技术进步，促进中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):103-110.

4 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.

5 孙晓玲，刘忠明，张 燕.液化天然气潜液泵的研制［J］.低温工程，2010，174(2):20-23.

6 王自和，范 砧.气体流量标准装置［M］.北京:中国计量出版社，2005(修订版).

7 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.

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

西华大学流体及动力机械教育部重点实验室开放研究基金(szjj2011-037)资助项目。

熊茂涛，男，35岁，博士、高级工程师。