LNG加氣機(jī)現(xiàn)場檢定方法的研究

摘 要

摘要：LNG加氣機(jī)作為一種尚處于發(fā)展階段的新的計(jì)量器具，其現(xiàn)場檢定較為困難。為此，介紹了LNG的物理特性和計(jì)量難點(diǎn)，剖析了LNG加氣機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作流程，對比分析了稱重法和標(biāo)準(zhǔn)表法(
摘要：LNG加氣機(jī)作為一種尚處于發(fā)展階段的新的計(jì)量器具，其現(xiàn)場檢定較為困難。為此，介紹了LNG的物理特性和計(jì)量難點(diǎn)，剖析了LNG加氣機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作流程，對比分析了稱重法和標(biāo)準(zhǔn)表法(又分為啟停法和動(dòng)態(tài)法)的優(yōu)缺點(diǎn)和現(xiàn)場可操作性。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，采用標(biāo)準(zhǔn)表法(尤其是動(dòng)態(tài)檢定法)對LNG加氣機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場檢定更為合理可行。在此基礎(chǔ)上研制了一套實(shí)用的標(biāo)準(zhǔn)表法LNG加氣機(jī)現(xiàn)場檢定裝置，該裝置測量結(jié)果可靠，現(xiàn)場可操作性強(qiáng)，符合LNG加氣機(jī)的現(xiàn)場檢定校準(zhǔn)要求。
關(guān)鍵詞：液化天然氣；LNG加氣機(jī)；現(xiàn)場檢定；稱重法；標(biāo)準(zhǔn)表法；動(dòng)態(tài)
    液化天然氣(LNG)作為動(dòng)力燃料已在我國部分城市公交汽車和長途運(yùn)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(dòng)力燃料[1～4]。LNG加氣機(jī)主要用于為LNG汽車加注LNG并對加注量進(jìn)行計(jì)量[5～6]。按照我國計(jì)量法規(guī)定，LNG加氣機(jī)作為一種貿(mào)易結(jié)算的計(jì)量器具，必須定期進(jìn)行周期檢定。由于LNG加氣機(jī)是一種尚處于發(fā)展階段的新的計(jì)量器具，目前尚無國家計(jì)量檢定規(guī)程，國內(nèi)外都沒有成熟的現(xiàn)場檢定方法，LNG加氣機(jī)的檢定工作成為空白。中國測試技術(shù)研究院LNG課題組對LNG加氣機(jī)檢定方法做了大量研究，提出了一種較為可行的LNG加氣機(jī)現(xiàn)場檢定方法。
1 LNG加氣機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作流程
1.1 LNG加氣機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)
    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(mào)易交接中LNG的準(zhǔn)確計(jì)量和將LNG順利加注到儲氣罐中提出了極大的挑戰(zhàn)。LNG加氣機(jī)一般分為雙流量計(jì)(包括液相和氣相流量計(jì))系統(tǒng)和單流量計(jì)(無氣相流量計(jì))系統(tǒng)。目前，主流的LNG加氣機(jī)采用雙流量計(jì)，典型的LNG雙流量計(jì)加氣機(jī)的基本結(jié)構(gòu)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(jī)通過加液通路將LNG加注到汽車儲氣罐中，同時(shí)完成對加注量的計(jì)量。流量計(jì)是LNG加氣機(jī)的核心計(jì)量部件，LNG的超低溫特性決定了其對流量計(jì)的選擇較為苛刻。目前LNG加氣機(jī)采用基于科里奧利力原理的質(zhì)量流量計(jì)，由液相流量計(jì)負(fù)責(zé)計(jì)量加氣站加注到汽車儲氣罐中的LNG質(zhì)量。
1.1.2回氣通路
   加氣機(jī)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(jī)的使用過程中，當(dāng)加氣機(jī)通過加液槍頭將LNG加注到汽車儲氣罐時(shí)，將有少量液體氣化，如果沒有回氣通路，汽車儲氣罐內(nèi)部壓力將不斷升高，當(dāng)達(dá)到一定程度時(shí)，加氣機(jī)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?，以降低汽車儲氣罐的內(nèi)部壓力，確保加氣機(jī)能夠?qū)NG順利加注到汽車儲氣罐中[7]。實(shí)驗(yàn)表明，一次LNG加注過程的回氣量約為加氣機(jī)總加注量的5%左右?；貧馔飞贤瑯影惭b有流量計(jì)，由氣相流量計(jì)負(fù)責(zé)計(jì)量從汽車儲氣罐中回到加氣站的氣態(tài)天然氣質(zhì)量，液相流量計(jì)和氣相流量計(jì)的計(jì)量結(jié)果之差即為加氣站實(shí)際加注到汽車儲氣罐中的天然氣質(zhì)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(jī)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(fā)生氣化，流過液相流量計(jì)的天然氣處于氣液兩相狀態(tài)，因此質(zhì)量流量計(jì)測量的流量數(shù)據(jù)是不準(zhǔn)確的，無法保證加氣機(jī)計(jì)量的準(zhǔn)確性。通過調(diào)節(jié)控制閥1和控制閥2的開啟順序，使在計(jì)量過程中流過液相流量計(jì)的天然氣一直處于液態(tài)，這樣就能夠有效地保證LNG加氣機(jī)的計(jì)量準(zhǔn)確性。圖2為LNG加氣機(jī)使用過程中通過液相質(zhì)量流量計(jì)流體的瞬時(shí)流量、密度和加氣時(shí)間的對應(yīng)曲線。為了能夠?qū)⒚芏群退矔r(shí)流量在同一坐標(biāo)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(jī)從加氣開始，瞬時(shí)流量快速波動(dòng)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(wěn)定，約有20s時(shí)間流量計(jì)流過的介質(zhì)處于氣液兩相流狀態(tài)。加氣機(jī)通過控制控制閥1和控制閥2的動(dòng)作順序可以有效避免由于測量介質(zhì)存在氣液兩相而造成的計(jì)量不準(zhǔn)問題，具體工作原理為：當(dāng)加氣機(jī)開始加氣時(shí)，控制閥1關(guān)閉，控制閥2打開，此時(shí)流量計(jì)測量流體狀態(tài)，但不參與計(jì)量；當(dāng)流體狀態(tài)達(dá)到測量要求時(shí)，控制閥2關(guān)閉，同時(shí)打開控制閥1，測試流量計(jì)開始計(jì)量，完成加注任務(wù)。
    由于實(shí)驗(yàn)中需要將大量氣體排放到空氣中，如果直接采用LNG作為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)，將會造成大量的LNG在空氣中變成氣態(tài)，污染空氣，浪費(fèi)能源，且容易引起安全隱患，因此實(shí)驗(yàn)中采用液氮來替代LNG作為測試介質(zhì)。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(shí)驗(yàn)要求。文中所有測試數(shù)據(jù)均以液氮為測量介質(zhì)所得，采樣周期為100ms。
1.2 LNG加氣機(jī)的工作流程
加氣機(jī)的工作流程是根據(jù)流過加氣機(jī)的流體狀態(tài)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(jìn)液口和出氣口上，啟動(dòng)加氣機(jī)開始加注LNG，加注過程中加氣機(jī)首先進(jìn)行小循環(huán)，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)無法將其準(zhǔn)確計(jì)量，控制閥2開啟，控制閥1關(guān)閉，LNG經(jīng)液相流量計(jì)、控制閥2回到加氣站中，此時(shí)流量計(jì)主要用于測量流體狀態(tài)，不參與計(jì)量工作；當(dāng)流過液相流量計(jì)的LNG為全液態(tài)時(shí)，控制閥2關(guān)閉，控制閥1開啟，開始向汽車儲氣罐中加注LNG；小循環(huán)的時(shí)間長短由流過液相流量計(jì)的流體狀態(tài)決定。LNG加氣機(jī)的工作流程如圖3所示。
 

2 LNG加氣機(jī)的現(xiàn)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(jī)的準(zhǔn)確度判定可采用稱重法和標(biāo)準(zhǔn)表法兩種方法，兩種方法各有利弊，根據(jù)需要及實(shí)際情況可酌情選擇[8～9]。
2.1 稱重法
    目前LNG加氣機(jī)采用質(zhì)量流量計(jì)作為計(jì)量元件，單從理論上講，該方法直接溯源到質(zhì)量，采用電子秤對LNG加氣機(jī)直接檢定應(yīng)為首選，但由于LNG溫度非常低，可燃且易氣化，對LNG加氣機(jī)檢定的實(shí)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(jī)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(fèi)且容易引起安全隱患和空氣污染。該方法適用于實(shí)驗(yàn)室檢定，不適用于LNG加氣機(jī)的現(xiàn)場檢定。
2.2 標(biāo)準(zhǔn)表法
    考慮到稱重法的弱點(diǎn)，現(xiàn)場檢定LNG加氣機(jī)優(yōu)先選用標(biāo)準(zhǔn)表法。根據(jù)實(shí)際操作過程，標(biāo)準(zhǔn)表法又可進(jìn)一步分為啟停法和動(dòng)態(tài)法。標(biāo)準(zhǔn)表法檢定LNG加氣機(jī)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(jī)和檢定裝置同時(shí)啟動(dòng)計(jì)量和停止計(jì)量，比較兩者數(shù)據(jù)的差異即可獲得加氣機(jī)的測量誤差。目前CNG加氣機(jī)采用啟停法檢定，通過閥門控制，在檢定裝置處憋壓，實(shí)現(xiàn)加氣機(jī)和檢定裝置同步啟動(dòng)計(jì)量和停止計(jì)量，對加氣過程進(jìn)行全程檢定[10～11]。但對于LNG加氣機(jī)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(xiàn)憋壓現(xiàn)象，無法實(shí)現(xiàn)LNG加氣機(jī)和檢定裝置同步啟動(dòng)計(jì)量和停止計(jì)量；另一方面由于在LNG加氣機(jī)內(nèi)部存在小循環(huán)結(jié)構(gòu)，而檢定裝置內(nèi)部卻不能出現(xiàn)類似的小循環(huán)結(jié)構(gòu)，流量計(jì)在計(jì)量前期測量的流體可能沒有處于滿足準(zhǔn)確測量要求的狀態(tài)，對準(zhǔn)確計(jì)量存在較大影響。大量實(shí)驗(yàn)測試表明，采用標(biāo)準(zhǔn)表法檢定LNG加氣機(jī)的過程中，檢定裝置內(nèi)部流體狀態(tài)在檢定前期有5～30s時(shí)長處于非準(zhǔn)確測量狀態(tài)，啟停法檢定LNG加氣機(jī)在實(shí)際檢定中存在一定的困難。
2.2.2動(dòng)態(tài)法
    動(dòng)態(tài)法由啟停法發(fā)展而來，其檢定LNG加氣機(jī)的作業(yè)框圖如圖5所示。

    動(dòng)態(tài)法檢定LNG加氣機(jī)的過程中，當(dāng)LNG加氣機(jī)啟動(dòng)后，立即啟動(dòng)計(jì)算機(jī)軟件，實(shí)時(shí)監(jiān)測檢定裝置中流量計(jì)的工作狀態(tài)，當(dāng)流過檢定裝置內(nèi)部流量計(jì)的流體滿足計(jì)量要求時(shí)，啟動(dòng)工業(yè)相機(jī)抓拍被檢LNG加氣機(jī)顯示屏上的累計(jì)流量A1，同時(shí)讀取檢定裝置流量計(jì)的累計(jì)流量B1，此時(shí)檢定開始。LNG加氣機(jī)持續(xù)加氣大于1min以后，啟動(dòng)工業(yè)相機(jī)抓拍被檢LNG加氣機(jī)顯示屏上的累計(jì)流量A2，同時(shí)讀取檢定裝置流量計(jì)的累計(jì)流量B2，此時(shí)檢定結(jié)束，停止LNG加氣機(jī)的加氣作業(yè)。整個(gè)檢定過程共需采集4個(gè)數(shù)據(jù)。
    在檢定過程中流過被檢LNG加氣機(jī)的累計(jì)質(zhì)量流量(m1)為：
    m1=A2-A1    (1)
    流過檢定裝置的累計(jì)流量(m2)為：
    m2=B2-B1    (2)
    被檢LNG加氣機(jī)的絕對誤差(△m)為：
    △m=m1-m2    (3)
被檢LNG加氣機(jī)的相對誤差(δ)為：
 
   通過數(shù)據(jù)A1、A2、B1和B2可以計(jì)算出被檢加氣機(jī)的測量不確定度。表1為采用稱重法檢定LNG加氣機(jī)的3組實(shí)測數(shù)據(jù)，表2為采用動(dòng)態(tài)法檢定同一臺LNG加氣機(jī)的3次實(shí)測數(shù)據(jù)。
   表1、2的數(shù)據(jù)表明采用動(dòng)態(tài)法檢定LNG加氣機(jī)的結(jié)果與采用稱重法檢定LNG加氣機(jī)的結(jié)果基本一致，但是，該方法只對加氣過程中狀態(tài)最穩(wěn)定時(shí)的LNG加氣機(jī)的計(jì)量準(zhǔn)確度進(jìn)行檢定，未能對加氣全過程數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，因此也存在一定的局限性。
3 結(jié)束語
   LNG的超低溫和易氣化特性為LNG的準(zhǔn)確計(jì)量造成諸多困難。目前對于如何提高LNG加氣機(jī)的計(jì)量準(zhǔn)確度及相應(yīng)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(jī)的3種檢定方法進(jìn)行了初步分析，相對來講動(dòng)態(tài)檢定法能夠較好地在加氣站現(xiàn)場對LNG加氣機(jī)進(jìn)行檢定校準(zhǔn)，有助于促進(jìn)LNG的公平貿(mào)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(lì) 中國測試技術(shù)研究院)