LNG加氣機現場檢定方法的研究

摘 要

摘要：LNG加氣機作為一種尚處于發展階段的新的計量器具，其現場檢定較為困難。為此，介紹了LNG的物理特性和計量難點，剖析了LNG加氣機的結構和工作流程，對比分析了稱重法和標準表法(
摘要：LNG加氣機作為一種尚處于發展階段的新的計量器具，其現場檢定較為困難。為此，介紹了LNG的物理特性和計量難點，剖析了LNG加氣機的結構和工作流程，對比分析了稱重法和標準表法(又分為啟停法和動態法)的優缺點和現場可操作性。實驗數據表明，采用標準表法(尤其是動態檢定法)對LNG加氣機進行現場檢定更為合理可行。在此基礎上研制了一套實用的標準表法LNG加氣機現場檢定裝置，該裝置測量結果可靠，現場可操作性強，符合LNG加氣機的現場檢定校準要求。
關鍵詞：液化天然氣；LNG加氣機；現場檢定；稱重法；標準表法；動態
    液化天然氣(LNG)作為動力燃料已在我國部分城市公交汽車和長途運輸車上廣泛使用，成為繼壓縮天然氣(CNG)后又一種清潔型汽車動力燃料[1～4]。LNG加氣機主要用于為LNG汽車加注LNG并對加注量進行計量[5～6]。按照我國計量法規定，LNG加氣機作為一種貿易結算的計量器具，必須定期進行周期檢定。由于LNG加氣機是一種尚處于發展階段的新的計量器具，目前尚無國家計量檢定規程，國內外都沒有成熟的現場檢定方法，LNG加氣機的檢定工作成為空白。中國測試技術研究院LNG課題組對LNG加氣機檢定方法做了大量研究，提出了一種較為可行的LNG加氣機現場檢定方法。
1 LNG加氣機的結構及工作流程
1.1 LNG加氣機內部結構
    LNG為超低溫液體，其溫度一般在-140℃以下，且極易氣化，在加注過程中部分液體不斷氣化，這對貿易交接中LNG的準確計量和將LNG順利加注到儲氣罐中提出了極大的挑戰。LNG加氣機一般分為雙流量計(包括液相和氣相流量計)系統和單流量計(無氣相流量計)系統。目前，主流的LNG加氣機采用雙流量計，典型的LNG雙流量計加氣機的基本結構如圖1所示，主要由加液通路、回氣通路和控制閥組成。
 

1.1.1加液通路
    LNG加氣機通過加液通路將LNG加注到汽車儲氣罐中，同時完成對加注量的計量。流量計是LNG加氣機的核心計量部件，LNG的超低溫特性決定了其對流量計的選擇較為苛刻。目前LNG加氣機采用基于科里奧利力原理的質量流量計，由液相流量計負責計量加氣站加注到汽車儲氣罐中的LNG質量。
1.1.2回氣通路
   加氣機回氣通路的存在是由LNG的超低溫和易氣化特性決定的。在LNG加氣機的使用過程中，當加氣機通過加液槍頭將LNG加注到汽車儲氣罐時，將有少量液體氣化，如果沒有回氣通路，汽車儲氣罐內部壓力將不斷升高，當達到一定程度時，加氣機將無法為汽車儲氣罐加注LNG?；貧馔返淖饔镁褪菍⑵噧夤拗袣饣奶烊粴饣亓鞯郊託庹荆越档推噧夤薜膬炔繅毫?，確保加氣機能夠將LNG順利加注到汽車儲氣罐中[7]。實驗表明，一次LNG加注過程的回氣量約為加氣機總加注量的5%左右?；貧馔飞贤瑯影惭b有流量計，由氣相流量計負責計量從汽車儲氣罐中回到加氣站的氣態天然氣質量，液相流量計和氣相流量計的計量結果之差即為加氣站實際加注到汽車儲氣罐中的天然氣質量。
1.1.3控制閥
   控制閥1和控制閥2的存在同樣是由LNG易氣化的特性決定的。LNG加氣機為汽車儲氣罐加氣過程的前期，由于熱交換的原因部分天然氣發生氣化，流過液相流量計的天然氣處于氣液兩相狀態，因此質量流量計測量的流量數據是不準確的，無法保證加氣機計量的準確性。通過調節控制閥1和控制閥2的開啟順序，使在計量過程中流過液相流量計的天然氣一直處于液態，這樣就能夠有效地保證LNG加氣機的計量準確性。圖2為LNG加氣機使用過程中通過液相質量流量計流體的瞬時流量、密度和加氣時間的對應曲線。為了能夠將密度和瞬時流量在同一坐標系表示，圖2中將密度值縮小了10倍。

   從圖2中可以看到加氣機從加氣開始，瞬時流量快速波動上升，而密度以一定斜率緩慢上升。從13：24：10開始加氣到13：24：35密度趨于穩定，約有20s時間流量計流過的介質處于氣液兩相流狀態。加氣機通過控制控制閥1和控制閥2的動作順序可以有效避免由于測量介質存在氣液兩相而造成的計量不準問題，具體工作原理為：當加氣機開始加氣時，控制閥1關閉，控制閥2打開，此時流量計測量流體狀態，但不參與計量；當流體狀態達到測量要求時，控制閥2關閉，同時打開控制閥1，測試流量計開始計量，完成加注任務。
    由于實驗中需要將大量氣體排放到空氣中，如果直接采用LNG作為實驗介質，將會造成大量的LNG在空氣中變成氣態，污染空氣，浪費能源，且容易引起安全隱患，因此實驗中采用液氮來替代LNG作為測試介質。液氮通常溫度為-180℃左右，和LNG具有相同的超低溫和易氣化的特性，能夠滿足實驗要求。文中所有測試數據均以液氮為測量介質所得，采樣周期為100ms。
1.2 LNG加氣機的工作流程
加氣機的工作流程是根據流過加氣機的流體狀態而確定的，具體為：將加液槍頭和回氣槍頭分別安插到汽車儲氣罐的進液口和出氣口上，啟動加氣機開始加注LNG，加注過程中加氣機首先進行小循環，此時流經液相流量計的LNG處于氣液兩相狀態，流量計無法將其準確計量，控制閥2開啟，控制閥1關閉，LNG經液相流量計、控制閥2回到加氣站中，此時流量計主要用于測量流體狀態，不參與計量工作；當流過液相流量計的LNG為全液態時，控制閥2關閉，控制閥1開啟，開始向汽車儲氣罐中加注LNG；小循環的時間長短由流過液相流量計的流體狀態決定。LNG加氣機的工作流程如圖3所示。
 

2 LNG加氣機的現場檢定方法的對比分析
    由量值溯源原理及LNG的特性可知，對LNG加氣機的準確度判定可采用稱重法和標準表法兩種方法，兩種方法各有利弊，根據需要及實際情況可酌情選擇[8～9]。
2.1 稱重法
    目前LNG加氣機采用質量流量計作為計量元件，單從理論上講，該方法直接溯源到質量，采用電子秤對LNG加氣機直接檢定應為首選，但由于LNG溫度非常低，可燃且易氣化，對LNG加氣機檢定的實際操作中存在許多難以處理的問題，如在檢定過程中要回收LNG加氣機加注出來的LNG較為困難，最理想的辦法是將其放空，這不僅較為浪費且容易引起安全隱患和空氣污染。該方法適用于實驗室檢定，不適用于LNG加氣機的現場檢定。
2.2 標準表法
    考慮到稱重法的弱點，現場檢定LNG加氣機優先選用標準表法。根據實際操作過程，標準表法又可進一步分為啟停法和動態法。標準表法檢定LNG加氣機的工作原理圖如圖4所示。
 
2.2.1啟停法
    啟停法是將加氣機和檢定裝置同時啟動計量和停止計量，比較兩者數據的差異即可獲得加氣機的測量誤差。目前CNG加氣機采用啟停法檢定，通過閥門控制，在檢定裝置處憋壓，實現加氣機和檢定裝置同步啟動計量和停止計量，對加氣過程進行全程檢定[10～11]。但對于LNG加氣機而言，一方面由于LNG具有極易氣化的特性，采用啟停法不能出現憋壓現象，無法實現LNG加氣機和檢定裝置同步啟動計量和停止計量；另一方面由于在LNG加氣機內部存在小循環結構，而檢定裝置內部卻不能出現類似的小循環結構，流量計在計量前期測量的流體可能沒有處于滿足準確測量要求的狀態，對準確計量存在較大影響。大量實驗測試表明，采用標準表法檢定LNG加氣機的過程中，檢定裝置內部流體狀態在檢定前期有5～30s時長處于非準確測量狀態，啟停法檢定LNG加氣機在實際檢定中存在一定的困難。
2.2.2動態法
    動態法由啟停法發展而來，其檢定LNG加氣機的作業框圖如圖5所示。

    動態法檢定LNG加氣機的過程中，當LNG加氣機啟動后，立即啟動計算機軟件，實時監測檢定裝置中流量計的工作狀態，當流過檢定裝置內部流量計的流體滿足計量要求時，啟動工業相機抓拍被檢LNG加氣機顯示屏上的累計流量A1，同時讀取檢定裝置流量計的累計流量B1，此時檢定開始。LNG加氣機持續加氣大于1min以后，啟動工業相機抓拍被檢LNG加氣機顯示屏上的累計流量A2，同時讀取檢定裝置流量計的累計流量B2，此時檢定結束，停止LNG加氣機的加氣作業。整個檢定過程共需采集4個數據。
    在檢定過程中流過被檢LNG加氣機的累計質量流量(m1)為：
    m1=A2-A1    (1)
    流過檢定裝置的累計流量(m2)為：
    m2=B2-B1    (2)
    被檢LNG加氣機的絕對誤差(△m)為：
    △m=m1-m2    (3)
被檢LNG加氣機的相對誤差(δ)為：
 
   通過數據A1、A2、B1和B2可以計算出被檢加氣機的測量不確定度。表1為采用稱重法檢定LNG加氣機的3組實測數據，表2為采用動態法檢定同一臺LNG加氣機的3次實測數據。
   表1、2的數據表明采用動態法檢定LNG加氣機的結果與采用稱重法檢定LNG加氣機的結果基本一致，但是，該方法只對加氣過程中狀態最穩定時的LNG加氣機的計量準確度進行檢定，未能對加氣全過程數據進行判斷，因此也存在一定的局限性。
3 結束語
   LNG的超低溫和易氣化特性為LNG的準確計量造成諸多困難。目前對于如何提高LNG加氣機的計量準確度及相應的檢定方法，尚有許多工作及課題需要開展。筆者對LNG加氣機的3種檢定方法進行了初步分析，相對來講動態檢定法能夠較好地在加氣站現場對LNG加氣機進行檢定校準，有助于促進LNG的公平貿易和廣泛推廣使用。
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(本文作者：楊修杰 趙普俊 張宗平 陳艷 雷勵 中國測試技術研究院)