熊茂濤 趙普俊 余 波 鄧萬全 尹保來 楊修杰

(1西華大學(xué)流體及動(dòng)力機(jī)械教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都 610039)(2中國測(cè)試技術(shù)研究院 成都 610021)

液化天然氣加氣機(jī)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(xué)流體及動(dòng)力機(jī)械教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都 610039)(2中國測(cè)試技術(shù)研究院 成都 610021)

介紹了LNG加氣機(jī)的組成、工作原理以及中國LNG加氣機(jī)計(jì)量檢定現(xiàn)狀。針對(duì)LNG加氣機(jī)校準(zhǔn)中采用的質(zhì)量法的不足，研制了標(biāo)準(zhǔn)表法原理的LNG加氣機(jī)檢定裝置，該裝置的試驗(yàn)情況表明，其性能穩(wěn)定、計(jì)量準(zhǔn)確、操作方便。

LNG加氣機(jī) 檢定裝置 質(zhì)量法 標(biāo)準(zhǔn)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(jīng)過脫水、脫酸性氣體和重?zé)N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(dú)特的儲(chǔ)存和運(yùn)輸形式，為無色透明液體，其體積為氣態(tài)天然氣的1/625，體積能量密度約為汽油的72%，便于運(yùn)輸及儲(chǔ)存?？偟膩碚f，LNG具有便于供氣負(fù)荷的調(diào)節(jié)、其辛烷值高、可作優(yōu)質(zhì)車用燃料、有利于減少大氣污染等優(yōu)點(diǎn)［1-2］。LNG加氣機(jī)是將LNG加氣站輸送的LNG加注到LNG汽車儲(chǔ)氣瓶的一種超低溫計(jì)量設(shè)備。本文分析了當(dāng)前中國LNG加氣機(jī)計(jì)量檢定的現(xiàn)狀，提出了LNG加氣機(jī)計(jì)量檢定的新方法及新裝置，這對(duì)于促進(jìn)中國質(zhì)監(jiān)技術(shù)機(jī)構(gòu)對(duì)LNG加氣機(jī)開展計(jì)量檢定工作，保證貿(mào)易交接的公平性以及促進(jìn)中國LNG產(chǎn)業(yè)的發(fā)展壯大和技術(shù)進(jìn)步具有重要的促進(jìn)作用。

2 LNG加氣機(jī)概述

2.1 LNG加氣機(jī)的組成

LNG加氣機(jī)整機(jī)主要由以下3部分組成:

(1)LNG質(zhì)量流量計(jì);

(2)機(jī)殼、閥門及管路系統(tǒng)，包括壓力傳感器、低溫氣動(dòng)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(tǒng)、防爆電源等電氣系統(tǒng)。

2.2 LNG加氣機(jī)工作原理

LNG加氣機(jī)依據(jù)直接測(cè)量流體質(zhì)量的原理，計(jì)量經(jīng)過LNG加氣機(jī)充入儲(chǔ)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(chǔ)氣瓶的進(jìn)液口和出氣口，啟動(dòng)加氣機(jī)開始加注LNG，加注過程中首先進(jìn)行內(nèi)部小循環(huán)，氣動(dòng)閥2開啟，氣動(dòng)閥1關(guān)閉，此時(shí)流經(jīng)液相流量計(jì)的LNG處于氣液兩相狀態(tài)，流量計(jì)無法準(zhǔn)確計(jì)量，LNG經(jīng)液相流量計(jì)、氣動(dòng)閥2回到加氣站中。當(dāng)流過液相流量計(jì)的LNG為全液態(tài)時(shí)，氣動(dòng)閥2關(guān)閉，氣動(dòng)閥1開啟，加氣機(jī)開始向儲(chǔ)氣瓶中加注LNG，小循環(huán)的時(shí)間長短由流過液相流量計(jì)的加氣機(jī)流體狀態(tài)決定。

圖1 LNG加氣機(jī)工作原理簡(jiǎn)圖Fig.1 Working principle of LNG dispensers

3 LNG加氣機(jī)的計(jì)量檢定現(xiàn)狀

3.1 概述

LNG加氣機(jī)在使用過程中，LNG液體一般為-120℃至-160℃，加氣管內(nèi)外溫差大，夏天甚至可以達(dá)到200℃，因此在管路中普遍存在著汽化現(xiàn)象，形成氣液混合多相流而計(jì)量不準(zhǔn)確的情況，容易發(fā)生貿(mào)易糾紛，不能滿足公平貿(mào)易結(jié)算的要求。此外，LNG加氣機(jī)在國家檢定規(guī)程、計(jì)量檢定方法等方面存在許多有待于解決的技術(shù)難題。

3.2 LNG加氣機(jī)國家標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)程

LNG作為大宗貿(mào)易商品，涉及貿(mào)易結(jié)算和安全防護(hù)，必須解決流量量值的正確和統(tǒng)一問題，這不僅直接關(guān)系到貿(mào)易雙方的利益，而且按照國家《計(jì)量法》的規(guī)定，用于貿(mào)易交接的LNG加氣機(jī)應(yīng)依法納入強(qiáng)制管理范圍。目前中國已有多家企業(yè)生產(chǎn)LNG加氣機(jī)。由于目前LNG加氣機(jī)尚無國家檢定規(guī)程及國家標(biāo)準(zhǔn)，質(zhì)監(jiān)技術(shù)機(jī)構(gòu)無依據(jù)對(duì)其開展檢定工作，這對(duì)于貿(mào)易交接的公平性來說是非常嚴(yán)重的問題。目前，中國測(cè)試技術(shù)研究院等單位正在實(shí)施LNG加氣機(jī)國家檢定規(guī)程及型式評(píng)價(jià)大綱的制定，這必將更好的規(guī)范LNG加氣機(jī)的生產(chǎn)和計(jì)量檢定工作［3］。

3.3 LNG加氣機(jī)的計(jì)量檢定方法

目前LNG加氣機(jī)用戶一般采用質(zhì)量法開展校準(zhǔn)工作，此方法為靜態(tài)法檢定，LNG加氣機(jī)設(shè)置為顯示質(zhì)量流量模式，使用電子天平進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量的測(cè)量，記錄LNG加氣機(jī)顯示的加入LNG儲(chǔ)氣瓶的質(zhì)量流量示值，與電子天平稱量的充入LNG儲(chǔ)氣瓶的凈質(zhì)量值進(jìn)行比對(duì)，得到計(jì)量準(zhǔn)確度的結(jié)果。圖2為質(zhì)量法原理簡(jiǎn)圖。LNG加氣機(jī)的相對(duì)誤差采用式(1)計(jì)算:

式中:Emax和Emin分別為規(guī)定測(cè)量點(diǎn)下，測(cè)量示值相對(duì)誤差的最大值和最小值，dn為極差系數(shù)。

LNG加氣機(jī)的校準(zhǔn)工作一般在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，質(zhì)量法中的電子天平容易受到LNG加氣站現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境因素影響，造成準(zhǔn)確度的大幅下降，電子天平的運(yùn)輸也不方便。同時(shí)，質(zhì)量法所稱量的LNG在校準(zhǔn)完成后不允許現(xiàn)場(chǎng)排放，否則將造成安全隱患;LNG的現(xiàn)場(chǎng)回收難度大，不回收又會(huì)造成極大浪費(fèi)，因此LNG加氣機(jī)迫切需要新的計(jì)量檢定方法及裝置［4-5］。

4 LNG加氣機(jī)檢定裝置

4.1 標(biāo)準(zhǔn)表法概述

標(biāo)準(zhǔn)表法檢定裝置是傳遞標(biāo)準(zhǔn)裝置，主要是把性能良好、準(zhǔn)確度高、重復(fù)性好(0.01%—0.1%)的流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量器具用于檢定其它流量計(jì)。它利用流體力學(xué)連續(xù)性原理，將標(biāo)準(zhǔn)儀表和被檢流量?jī)x表串聯(lián)在同一管徑的管道上，使流體在相同時(shí)間間隔內(nèi)連續(xù)通過標(biāo)準(zhǔn)儀表和被檢流量?jī)x表，由標(biāo)準(zhǔn)儀表給出

圖2 質(zhì)量法原理簡(jiǎn)圖Fig.2 Scheme of mass method verification

測(cè)量重復(fù)性采用式(2)計(jì)算:標(biāo)準(zhǔn)流量值，與被檢流量?jī)x表輸出的流量值比較，確定被檢流量?jī)x表的技術(shù)指標(biāo)。與其它方法的流量檢定裝置相比具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，工作效率高、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和建設(shè)周期短的優(yōu)點(diǎn)，可以給出更寬的流量范圍，特別適合于現(xiàn)場(chǎng)對(duì)流量?jī)x表及裝置的檢定［6-7］。

4.2 LNG加氣機(jī)檢定裝置

此前國內(nèi)外還沒有LNG加氣機(jī)檢定裝置，也沒有LNG加氣機(jī)國家檢定規(guī)程，LNG加氣機(jī)生產(chǎn)廠家和用戶一般采用質(zhì)量法進(jìn)行校準(zhǔn)。中國測(cè)試技術(shù)研究院利用標(biāo)準(zhǔn)表法原理研制了國內(nèi)外第一臺(tái)LNG加氣機(jī)檢定裝置，其計(jì)量精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，克服了質(zhì)量法的不足。圖3為LNG加氣機(jī)檢定裝置圖。

圖3 LNG加氣機(jī)檢定裝置Fig.3 LNG dispensers verification device

4.3 LNG加氣機(jī)計(jì)量檢定流程

4.3.1 準(zhǔn)備流程

LNG加氣機(jī)與LNG加氣機(jī)檢定裝置采用快裝方式連接。

4.3.2 預(yù)冷流程(大循環(huán)流程)

按下加氣機(jī)“預(yù)冷”鍵，加氣機(jī)和檢定裝置開始預(yù)冷流程。LNG液體從LNG加氣機(jī)流經(jīng)檢定裝置，最后回到LNG儲(chǔ)罐。圖4為預(yù)冷流程示意圖。大循環(huán)流程的步驟與預(yù)冷流程基本相同，唯一的不同點(diǎn)就是需要根據(jù)檢定方法的不同確定預(yù)冷循環(huán)的時(shí)間。

4.3.3 加氣流程

完成準(zhǔn)備流程和預(yù)冷流程后，LNG加氣機(jī)檢定裝置可以進(jìn)行加氣流程。啟動(dòng)LNG加氣機(jī)“加氣”鍵，加氣機(jī)開始計(jì)數(shù)，LNG液體依次流經(jīng)加氣機(jī)和檢定裝置，最后注入LNG汽車儲(chǔ)氣瓶。加氣流程中即可進(jìn)行計(jì)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(tài)啟停法檢定

全過程靜態(tài)啟停法檢定需要進(jìn)行一次完整的加氣流程。首先，LNG加氣機(jī)和檢定裝置的數(shù)據(jù)歸零，然后啟動(dòng)檢定裝置數(shù)據(jù)采集和LNG加氣機(jī)“加氣”鍵，加氣過程大約為3—5分鐘，加氣機(jī)結(jié)束加氣后，立即停止檢定裝置的數(shù)據(jù)采集，同步記錄加氣機(jī)屏幕顯示值以及檢定裝置顯示值，兩者相比較，從而計(jì)算出誤差。圖6為全過程靜態(tài)啟停法的軟件截圖，圖中的紅色曲線即顯示為進(jìn)行了一次完整的加氣流程。LNG加氣機(jī)的相對(duì)誤差采用式(3)計(jì)算:

圖4 預(yù)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(tài)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(jī)顯示的質(zhì)量流量示值，mz為檢定裝置采集的質(zhì)量流量示值。加氣機(jī)的重復(fù)性計(jì)算同式(2)。

(2)動(dòng)態(tài)截取法檢定

大循環(huán)流程和加氣流程中均可進(jìn)行動(dòng)態(tài)截取法檢定。當(dāng)檢定裝置顯示的流量計(jì)狀態(tài)參數(shù)(增益、密度、溫度等)滿足檢定條件時(shí)，即可啟動(dòng)檢定裝置的數(shù)據(jù)采集，同步采用工業(yè)相機(jī)對(duì)LNG加氣機(jī)屏幕顯示的加氣數(shù)據(jù)進(jìn)行拍照，至少1分鐘后，再次進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和拍照，然后對(duì)相機(jī)照片進(jìn)行人工識(shí)別，將前后兩次照片所顯示的加氣量數(shù)據(jù)與檢定裝置所記錄的加氣量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，從而計(jì)算出誤差。圖7為動(dòng)態(tài)截取法中的圖像采集系統(tǒng)。

圖7 動(dòng)態(tài)截取法的圖像采集系統(tǒng)Fig.7 Image collection system of dynamic method

4.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

LNG加氣機(jī)檢定裝置的擴(kuò)展不確定度為0.2%(k=2)，達(dá)到了國際先進(jìn)技術(shù)水平。

表1為LNG加氣機(jī)檢定裝置的主要技術(shù)參數(shù)，表2為加氣流程的靜態(tài)啟停法檢定數(shù)據(jù)，表3為大循環(huán)流程的動(dòng)態(tài)截取法檢定數(shù)據(jù)。

表1 LNG加氣機(jī)檢定裝置主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical specifications of device

表2 加氣流程的靜態(tài)啟停法檢定數(shù)據(jù)(實(shí)驗(yàn)介質(zhì):液氮)Table 2 Data of adding gas process in static verification(experiment medium:liquid nitrogen)

表3 大循環(huán)流程的動(dòng)態(tài)截取法檢定數(shù)據(jù)(實(shí)驗(yàn)介質(zhì):LNG)Table 3 Data of greater circulation process in dynamic verification(experiment medium:LNG)

對(duì)表2—表3的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明:在保證較大加氣流量的情況下采用靜態(tài)啟停法和動(dòng)態(tài)截取法對(duì)加氣機(jī)的檢定結(jié)果與質(zhì)量法基本一致。靜態(tài)啟停法中檢定裝置與電子秤平均誤差為-0.16%，加氣機(jī)與檢定裝置平均誤差為0.17%。動(dòng)態(tài)截取法中加氣機(jī)與檢定裝置平均誤差為-0.27%，動(dòng)態(tài)截取法只對(duì)加氣流程中狀態(tài)最穩(wěn)定時(shí)加氣機(jī)的計(jì)量準(zhǔn)確度進(jìn)行檢定，未能對(duì)加氣流程全過程數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，因此也存在一定的局限性。同時(shí)，在試驗(yàn)過程中，為了避免出現(xiàn)氣液混合多相流而造成計(jì)量不準(zhǔn)確的情況，一定要嚴(yán)格按照檢定裝置的操作流程，進(jìn)行預(yù)冷流程。這些試驗(yàn)數(shù)據(jù)為LNG加氣機(jī)國家檢定規(guī)程及型式評(píng)價(jià)大綱的編寫提供了技術(shù)支持。

4.5 小結(jié)

目前該裝置的試驗(yàn)情況表明，其性能穩(wěn)定、計(jì)量準(zhǔn)確、操作方便，各項(xiàng)指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了國際先進(jìn)技術(shù)水平。與現(xiàn)有質(zhì)量法相比，其主要優(yōu)點(diǎn)是:

(1)計(jì)量精度高

檢定裝置采用的高精度LNG質(zhì)量流量計(jì)為特殊定制型產(chǎn)品，采取了保護(hù)氣體由氦氣取代氮?dú)?、電子模塊密封膠采用耐低溫材質(zhì)等特殊改進(jìn)措施來增強(qiáng)其低溫可靠性，保證了該裝置的擴(kuò)展不確定度為0.2%(k=2)。

(2)技術(shù)先進(jìn)

LNG加氣機(jī)檢定裝置采用靜態(tài)啟停法檢定和動(dòng)態(tài)截取法相結(jié)合的檢定方式，專用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到同一工況條件下LNG加氣機(jī)和檢定裝置的流量值進(jìn)行比較，保證了計(jì)量檢定的準(zhǔn)確度。

(3)使用方便

LNG加氣機(jī)檢定裝置既可用來對(duì)LNG加氣機(jī)進(jìn)行整機(jī)檢定，也可對(duì)LNG加氣機(jī)的液相流量計(jì)進(jìn)行單獨(dú)檢定。檢定裝置的管理系統(tǒng)從功能上可分為整機(jī)檢定、液相流量計(jì)單獨(dú)檢定、檢定參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)庫管理與維護(hù)、檢定證書打印等幾部分。

(4)有利于現(xiàn)場(chǎng)使用

LNG加氣機(jī)檢定裝置的使用與現(xiàn)有質(zhì)量法相比，減少了高精度電子天平，不會(huì)受到LNG加氣站現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境因素的影響，保證了計(jì)量檢定的準(zhǔn)確度。

(5)有利于環(huán)境保護(hù)

LNG加氣機(jī)檢定裝置采用標(biāo)準(zhǔn)表法對(duì)加氣機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢定，其所計(jì)量的LNG直接進(jìn)入LNG汽車儲(chǔ)氣瓶，克服了質(zhì)量法中所稱量的LNG在檢定完成后不允許現(xiàn)場(chǎng)排放，否則將造成安全隱患，LNG的現(xiàn)場(chǎng)回收難度大，不回收又會(huì)造成極大浪費(fèi)的不足。

5 結(jié)束語

近年來中國LNG加氣機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，但LNG加氣機(jī)相應(yīng)的檢定方法及裝置尚未完善，制約了該產(chǎn)業(yè)的發(fā)展壯大。中國測(cè)試技術(shù)研究院研制的LNG加氣機(jī)檢定裝置以及正在實(shí)施的LNG加氣機(jī)國家檢定規(guī)程的編寫工作，必將更好的規(guī)范LNG加氣機(jī)的應(yīng)用和計(jì)量檢定工作，推動(dòng)整個(gè)LNG加氣機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與技術(shù)進(jìn)步，促進(jìn)中國天然氣工業(yè)的快速、健康發(fā)展。

1 敬加強(qiáng)，梁光川，蔣宏業(yè)，等.液化天然氣技術(shù)問答［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

2 顧安忠，魯雪生，金國強(qiáng)，等.液化天然氣技術(shù)手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

3 熊茂濤，趙普俊，張宗平，等.中國LNG加氣機(jī)的市場(chǎng)、技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展方向［J］. 天然氣工業(yè)，2011，31(6):103-110.

4 劉孝配，王勁松，周 勇.科氏流量計(jì)在液化氣貿(mào)易計(jì)量中的運(yùn)用［J］. 中國測(cè)試技術(shù)，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(biāo)準(zhǔn)裝置［M］.北京:中國計(jì)量出版社，2005(修訂版).

7 段慧明，王自和.液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置和標(biāo)準(zhǔn)表法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置［M］.北京:中國計(jì)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(xué)流體及動(dòng)力機(jī)械教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放研究基金(szjj2011-037)資助項(xiàng)目。

熊茂濤，男，35歲，博士、高級(jí)工程師。