标准表法车载式LNG加气机在线计量检定装置的设计与应用

王 琳

〔中国石化北京石油分公司 北京 100022〕

目前为止，国内LNG加气站尚无更科学的后续检定方法，致使LNG加气机计量准确性较低，具有潜在计量风险。为此，本文研制了一套标准表法车载式LNG加气机在线计量检定装置，解决了国家质量技术监督部门对LNG加气机在后续检定和使用中检定的问题，并为LNG加气机计量检定规程提供一种科学、有效的检定方法，在现场试验中，检定装置液相流量检定精度及整机流量检定精度达到0.2 %，符合国家规范。

1 现状

目前国内外LNG加气机生产厂家的出厂检定普遍使用的计量检定方法为“质量称重法”。该方法为静态检定方法，检测前需要应用水平仪调节天平的水平，装置不便移动，所用液化天然气难以回送，检定时间长，加气机生产厂的型式检定实验即应用该方法。

中国测试技术研究院在2011年率先研制了LNG加气机计量检定装置，该装置被检数据的采集应用相机拍照的方法，连接笔记本计算机，采集速率及同步精度均无法满足实际检定应用。而且，LNG属易燃易爆危险品，采用常规非防爆照相机、笔记本计算机等仪器不符合安全规定，存在安全隐患。该检定装置是典型的多地点移动应用设备，其设备需吊装运输，移动性差，不利于多地点巡回检定。所以该装置仍仅适用于实验室操作的科研类设备，无法达到实际使用的要求。

2 主要设计

在本文研制的检定装置的设计方案中应用标准表法进行检定。LNG加气机数据是通过LNG加气机专用检定接口实时读取。应用“LNG加气机专用检定接口”，检定装置可以精确掌握标准流量计与被检加气机数据采集时序，确保在相同时间间隔内得到标准流量计与被检加气机数据。检定方法上，采用液相流量检定、整机流量检定，连续实现3点每点3次的自动检定[1]。

标准表法车载式在线计量检定装置包括：标准液相流量计、标准气相流量计等组成的现场仪表层；可编程控制器、流量检定采集器组成的现场控制层；具有系统监控、报表生成功能的管理层。

2.1 主要设备设计

2.1.1 CMF型高准ELITE质量流量计

检定装置标准流量计选用CMF型高准ELITE 质量流量计。该流量计达到了行业一流的质量和流量精度水平，密度精度也提高一倍(常温水介质在20∶1 量程比范围内达到0.05 % 质量和体积流量精度，并且达到0.000 2 g/cm3的密度精度)。其流量传感器是一种基于科里奥利力效应的相位敏感型谐振式传感器。

2.1.2 可编程控制器

检定装置可编程控制器选用美国某自动化公司生产的用于复杂工业环境的Micro850，控制器采用紧凑型封装、集成 I/O 和通信，且易于使用，是装置自动化、安全系统等应用项目的理想选择。可编程控制器作为流量自动检定的控制单元，负责检定装置检定流程控制、检定点定位处理、辅助参数(压力、温度)采集处理、显示操作控制、上下位机交互通讯控制。

控制器居于整个车载LNG加气机计量检定系统的中间层，是系统底层执行、监测设备和上层计算机人机界面之间的信息桥梁。作用是接收上层计算机检定设置和检定参数，包括LNG加气机生产厂家及其通讯采集方式设置、检定流量点设置、检定流程(液相检定流程、整机检定流程)设置、流量稳定度设置、检定次数设置等。

控制器通过读取压力、温度数据，启动检定并读取检定过程的关键数据。通过流量检定采集器读取标准表瞬时流量、累积流量，LNG加气机瞬时流量、累积流量等，此外还处理检定过程中的报警信息。控制器的动作受上层计算机人机界面及检定装置面板按钮的控制。

2.1.3 流量检定采集器

流量检定采集器作为流量计信号采集处理单元，负责装置标准流量计和LNG加气机信号采集、检定逻辑控制。

流量检定采集器应用32位嵌入式微控制器LPC1768为中心处理器，LPC1700系列ARM微控制器用于处理要求高度集成和低功耗的嵌入式应用。流量检定采集器是专门开发设计的高精尖电子仪器，该仪器基于全数字、全智能、全功能的设计理念，用于LNG加气机在线计量检定装置标准表数据的实时采集，并实现智能化流量采集、计算、处理、检定的功能。

流量检定采集器采集检定装置液相标准流量计流量、气相标准流量计流量、液相温度、气相温度、液相压力、气相压力等数据，同步采集LNG加气机的相应数据，经逻辑判断及逻辑运算，送至PLC控制器完成检定。

2.1.4 超低温设备及工艺

LNG加气机检定装置借鉴航空航天技术，采用目前最为先进的超低温设备及工艺。加气枪、加气座均为美国JC卡特产品。关键部件特制整体保温箱，加气管采用不锈钢真空软管，减少LNG气化量。进气系统连接件全部采用焊接结构,安全性高、密封性好。检定装置超低温管线配有安全放散阀，当加气机工作压力过高时自动开启泄压。

2.1.5 专用车整体设计

检定装置专用车为双排座高端轻卡专用车。车后侧为箱式结构，左右两侧为全开式手动卷帘门，后侧为双开门设计。

2.2 检定方法

将车载式LNG加气机在线计量检定装置停放在LNG加气机旁常规机动车加气车位，停车熄火，连接防静电装置，连接相应管线。

检定前，加气机和检定装置要进行预冷循环流程。将加气机与检定装置采用快装方式串接，加气机的加气枪插到检定装置加液枪接口上，检定装置的连接液相接口的加气枪插到加气机的循环口上，开启加气机预冷循环，期间观察检定装置显示的LNG流体状态参数(流量、温度、密度等)，同时调整检定装置液相管路末端处的流量调节阀，对管路流量进行调节。当观察到循环流程的流量值满足32kg/min

2.2.1 液相流量检定[1]

完成预冷循环流程后进入液相流量检定流程(图1)。加气机的加气枪插到检定装置的加液枪接口上，检定装置连接液相接口的加气枪插到加气机的循环口上，加气机不连接回气管路。在预冷循环流程状态不变情况下，加气机启动加气流程，检定装置随后启动检定。直接循环加气完成至少三次液相流量计单独检定。

图1 液相流量检定流程

2.2.2 整机流量检定[1]

完成液相流量检定流程后，进入整机检定流程(图2)。加气机的加气枪插到检定装置的加液枪接口上，加气机的回气枪插到检定装置的回气枪接口上，检定装置连接液相接口的加气枪插到加气车储气容器的加气座上，检定装置连接气相接口的回气枪插到加气车储气容器的回气座上，加气机启动加气流程，检定装置随后启动检定。该流程至少进行三次。

图2 整机检定流程

启动检定时，按动检定装置上[启动按钮]，检定过程自动完成。屏幕有完成提示及检定结果。检定结果通过无线网络传至安全区的上位机。上位机将完成检定数据处理、存储，并形成原始记录及检定证书。

2.2.3 上位机软件设计

软件采用.net自主开发，数据库：SQLserver2008。每次检定作业结束后上位机软件将数据写到数据库中，同时生成检定数据记录表以及LNG加气机的检定证书。

人机界面展示检定流程，可以选择LNG加气机生产厂家及其通讯采集方式设置、检定流量点设置、检定流程(液相检定流程、整机检定流程)设置、流量稳定度设置、检定次数设置，人机界面显示过程相关检定参数与其它相关辅助参数，显示系统实时参数趋势曲线和历史趋势曲线，生成检定数据记录表及检定证书。

2.3 计量检定精度的提高

2.3.1 质量流量计校正

检定装置选定质量流量计型号为：CMF100。额定量程为260 kg/min，口径为DN25 mm。该流量计流量标称精度为 ±0.1%流量，该精度包括重复性、线性度及滞后的组合效应，且为除启动流量(量程比是20∶1)外的读数精度。而本文应用的低流量为20 kg/min至32 kg/min，量程比20∶1的流量为21.58 kg/min，故检定流量高于22 kg/min，即可与量程比1∶1精度相同。高流量为32 kg/min至80 kg/min，量程比为1.41∶1，完全可以满足精度需要(图3)。

图3 流量计精度值

在量程比≤20∶1的流量精度为0.05%，量程比为100∶1的流量(4.3kg/min)精度为0.25%。为更好地应用，本文对该质量流量计进行了应用量程段的校正。校正后，大大提升了应用精度。在实际应用中，检定装置考虑了LNG介质超低温对流量测量的影响，过程温度偏离标定温度而引起的传感器流量精度变化。温度影响通过在过程条件下调零时进行校正，而在检定作业中，检定装置应用了预冷校零的方法进行温度补偿。

2.3.2 专用通信接口设计

检定装置通过流量检定采集器、专用通信接口及通信协议进行检定，可以精确掌握标准检定装置与LNG加气机数据采集时序，确保在相同时间间隔内得到标准检定装置与LNG加气机的检定数据。

检定装置数据采集严格根据数据采集通讯协议及流量检定采集器定时完成。根据通讯协议规定，检定采集器与标准流量计、LNG加气机通讯均为独立的接口，可同时与两个设备发送指令。向标准流量计及LNG加气机发送指令同为8个字节，每个字节10位，波特率为9600bps，故指令发送时间为8.33ms。同理，接收数据亦为特定时长，即理论上标准流量计采集时间与LNG加气机流量计采集时间是一个恒定的间隔。

检定装置启动检定后，流量检定采集器应用2个独立的数据接口同时向标准流量计与LNG加气机发出取检定初始流量累计值指令。标准流量计接到流量检定采集器读取初始流量累计值指令后，将当前时刻累计流量值回送流量检定采集器。

LNG加气机计控器接到流量检定采集器读取初始流量累计值指令后，向其流量计发出取初始流量累计值指令。LNG加气机流量计接到计控器指令马上将当前时刻累计流量值回送计控器，LNG加气机计控器再将累计流量值回送到流量检定采集器。流量检定采集器得到了标准流量计和LNG加气机的初始流量累计值。

根据检定系统上位机设定的采集量参数，流量检定采集器同时向标准流量计与LNG加气机发出取检定结束流量累计值指令。同上“读取检定初始流量累计值”一样的时序。标准流量计接到流量检定采集器取结束流量累计值指令后，将当前时刻累计流量值回送流量检定采集器。LNG加气机计控器接到流量检定采集器读取检定结束流量累计值指令后，向其流量计发出取检定结束流量累计值指令。LNG加气机流量计接到计控器指令将当前时刻累计流量值回送计控器，LNG加气机计控器再将累计流量值回送到流量检定采集器。流量检定采集器得到了标准流量计和LNG加气机的检定结束流量累计值。至此，流量检定采集器得到了标准流量计和被检加气机一个检定点的所有数值，并送至控制器进行计算，最后得到计量结果。

标准流量计自启动检定至实时累计流量值“MB1”回送完成时间：t1；

LNG加气机流量计自启动检定至实时累计流量值“MJ1”回送完成时间：t2；

标准流量计与加气机流量计采集初始检定流量值完成时间差(t1-t2)：t3；

标准流量计自结束检定至实时累计流量值“ MB2”回送完成时间：t1′；

LNG加气机流量计自启动检定至实时累计流量值“ MJ2”回送完成时间：t2′；

标准流量计与加气机流量计采集结束检定流量值完成时间差(t1′-t2′)：t3′；

检定装置发出启动检定指令与发出结束检定指令间隔时间：tC；

标准流量计采集初始量至结束量时间间隔：tB；

LNG加气机流量计采集初始量至结束量时间间隔：tJ。

由于标准流量计和LNG加气机流量计采集初始检定流量值与结束检定流量值这两个采集周期的程序是调用相同的子程序，所以保证了：

t1=t1′t2=t2′

因为：t2-t1=t3t2′-t1′=t3′

所以：t3=t3′

又因为：

tB=tC+t1′ -t1

tJ=tC+t2′ -t2

而：t1=t1′t2=t2′

所以：tB=tJ。采集时间结果见图4。

图4 采集时间结果图

结果表明，标准流量计与LNG加气机流量计采集初始量至结束量时间间隔相等。这两个流量计串联在一个管线中，保证了“在相同时间间隔内连续通过标准流量计和LNG加气机的质量流量相等”[1]这一规则，提高了检定精度及采集速率，同时也缩短了检定周期。(见图5)

图5 检定装量数据采集时序图

3 实际检定效果

该车载式检定装置应用于LNG液化天然气贸易交接的现场，经过现场大量的测试，实现了液相流量检定、整机流量检定等过程的全自动检定，试验结果表明该车载式在线检定装置精度可以达到0.2%。通过车载式结构的设计，机动灵活，利用标准表法实现了对LNG加气机的全自动检定。

现场检定数据如表1。

表1 现场检定数据

4 结语

本文设计的车载式LNG加气机在线检定装置，采用计量检定专用通讯接口，在检测精度和准确性方面有很大的提升，满足了实际检定的需要，达到了行业先进水平，且关键技术(器件)自主可控。该成果已应用于北京公交LNG加气机的检定，具有良好的推广应用价值及明显的经济社会效益。