我國液化天然氣加氣機(jī)量傳體系的建設(shè)

趙普俊 熊茂濤 楊修杰 雷 勵(lì) 羅雁飛 楊 照

(中國測試技術(shù)研究院)

我國液化天然氣加氣機(jī)量傳體系的建設(shè)

趙普俊 熊茂濤 楊修杰 雷 勵(lì) 羅雁飛 楊 照

(中國測試技術(shù)研究院)

隨著我國液化天然氣(LNG)加氣站和LNG汽車的不斷增加，LNG加氣機(jī)日益得到廣泛的應(yīng)用。為此，以LNG加氣機(jī)的原理為切入點(diǎn)，介紹LNG加氣機(jī)國家檢定規(guī)程及型評大綱的制定工作，分析LNG加氣機(jī)的量值溯源和傳遞，展望我國LNG加氣機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢，這對促進(jìn)我國LNG加氣機(jī)產(chǎn)業(yè)的健康有序發(fā)展、加快LNG加氣機(jī)量傳體系的建設(shè)和研究工作具有重要的指導(dǎo)意義。

LNG加氣機(jī) 量傳體系 國家檢定規(guī)程 量值溯源和傳遞

液化天然氣(LNG)是天然氣經(jīng)過濾、脫硫、冷卻液化等一系列過程處理，溫度達(dá)到-162 ℃的低溫液體，其壓力約為0.1 MPa、密度約為426 kg/m3、外觀無色透明，如普通自來水，體積為氣態(tài)天然氣的1/625，體積能量密度約為汽油的72%。LNG具備較多的優(yōu)點(diǎn)，是優(yōu)質(zhì)的傳統(tǒng)能源替代品，是目前能量需求中全球增長最快的一次能源，與傳統(tǒng)的石油類燃料及壓縮天然氣(CNG)相比，LNG具有便于運(yùn)輸、儲存方便、運(yùn)行壓力低、更清潔環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)[1-2]。

LNG加氣機(jī)主要是由低溫流量計(jì)、加氣槍、回氣槍、加氣軟管、回氣軟管以及電子計(jì)控器、輔助裝置等組成的完整的LNG累積量測量計(jì)量系統(tǒng)。經(jīng)過多年的持續(xù)研究和發(fā)展，目前國內(nèi)LNG加氣機(jī)技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)形成。本文詳細(xì)分析了我國LNG加氣機(jī)量傳體系的建設(shè)和研究工作，這將有助于促進(jìn)我國LNG的公平貿(mào)易，引導(dǎo)平衡能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)。

1 LNG加氣機(jī)的原理

目前，主流的LNG加氣機(jī)工作原理如圖1所示。LNG進(jìn)入加氣機(jī)后，根據(jù)加氣工作狀態(tài)確定LNG流向：當(dāng)加氣機(jī)進(jìn)行內(nèi)部預(yù)冷循環(huán)時(shí)，LNG通過控制閥1回流到LNG儲罐，加氣機(jī)不計(jì)量；當(dāng)加氣機(jī)進(jìn)行加氣流程時(shí)，LNG通過控制閥2及加氣軟管、加氣槍給儲氣容器加氣。加氣過程中根據(jù)需要，將加氣機(jī)的回氣槍插到儲氣容器的回氣口上，儲氣容器中的余氣通過氣相流量計(jì)回流到LNG儲罐，降低儲氣容器內(nèi)部壓力，保證LNG能夠順利加注到儲氣容器中。加氣機(jī)的電子計(jì)控器自動(dòng)控制加氣過程，并根據(jù)流量計(jì)輸出的流量信號進(jìn)行運(yùn)算，加注到儲氣容器中的LNG質(zhì)量為液相流量計(jì)的計(jì)量值和氣相流量計(jì)的計(jì)量值之差，加氣機(jī)顯示屏顯示最終計(jì)量值。

2 LNG加氣機(jī)的量傳體系

2.1技術(shù)現(xiàn)狀

理論上，LNG處于標(biāo)準(zhǔn)壓力下，其溫度為-162 ℃，但在實(shí)際使用中，由于LNG的低溫特性，與大氣環(huán)境存在較大的溫差，在使用過程中存在升溫升壓現(xiàn)象。目前，LNG加氣機(jī)加注出來的LNG溫度一般為-140 ℃、壓力為1 MPa左右。LNG加氣機(jī)的計(jì)量檢定具有重大意義。由于，LNG的低溫特性造成LNG加氣機(jī)在加氣過程中，加氣管路內(nèi)外溫差較大，在一些極端情況，如新疆等地夏天時(shí)的加氣管路內(nèi)外溫差甚至可以達(dá)到200 ℃，加氣機(jī)在工作時(shí)，加氣過程中管路容易出現(xiàn)氣化現(xiàn)象，形成氣液混合的兩相流的情況。類似于多相流的兩相流的存在，要準(zhǔn)確計(jì)量，一直是困擾流量專家的難點(diǎn)。科里奧利質(zhì)量流量計(jì)號稱能計(jì)量含少量氣的液體，針對LNG加氣情況，在氣液混合比達(dá)到一定程度后，計(jì)量誤差顯著增大。因此，LNG加氣機(jī)的量傳體系建立的重點(diǎn)在于加氣機(jī)技術(shù)的研究，優(yōu)化加氣流程、制定國家檢定規(guī)程及型式評價(jià)大綱、完善量值溯源和傳遞體系建設(shè)[3-6]。

2.2國家檢定規(guī)程及型式評價(jià)大綱

根據(jù)《計(jì)量法》中關(guān)于公平貿(mào)易的原則，涉及貿(mào)易交接的計(jì)量器具應(yīng)依附列入強(qiáng)制檢定管理范圍，LNG加氣機(jī)是加氣站銷售LNG的主要計(jì)量器具，涉及貿(mào)易交接，因此需要強(qiáng)檢管理。在強(qiáng)檢管理過程中，需要對LNG加氣機(jī)進(jìn)行型式評價(jià)、首次檢定、后續(xù)檢定和使用中檢驗(yàn)。LNG加氣機(jī)產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，但是由于目前LNG加氣機(jī)尚無國家檢定過程和國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，處于監(jiān)管空白區(qū)，因此急需解決。

目前，企業(yè)生產(chǎn)的LNG加氣機(jī)主要依據(jù)GB/T 20368-2006《液化天然氣(LNG)生產(chǎn)、儲存和裝運(yùn)》和NB/T 1001-2011《液化天然氣(LNG)汽車加氣站技術(shù)規(guī)范》以及各企業(yè)制定的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。缺乏國家層面對LNG加氣機(jī)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，如部分加氣機(jī)只配備了單流量計(jì)，對回氣不計(jì)量、主計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器因工作流程存在回液管路、主標(biāo)準(zhǔn)器也分科里奧利質(zhì)量流量計(jì)和文丘里管兩種等，造成產(chǎn)品良莠不齊。同時(shí)，由于LNG加氣機(jī)國家檢定規(guī)程的缺失，計(jì)量檢定技術(shù)機(jī)構(gòu)沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)來開展強(qiáng)制檢定工作，難以實(shí)現(xiàn)貿(mào)易交接公平性的監(jiān)督作用。中國測試技術(shù)研究院等單位經(jīng)過大量研究和試驗(yàn)，已經(jīng)完成了LNG加氣機(jī)國家檢定規(guī)程及型式評價(jià)大綱的編寫，預(yù)計(jì)2014年上半年待國家相關(guān)部門批準(zhǔn)后正式實(shí)施。有關(guān)LNG加氣機(jī)國家標(biāo)準(zhǔn)已在2013年5月由國家標(biāo)準(zhǔn)委批準(zhǔn)，由中國測試技術(shù)研究院等單位負(fù)責(zé)起草實(shí)施，目前該工作正按計(jì)劃進(jìn)行中。以下就加氣機(jī)幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)要求做簡要說明。

(1) 計(jì)量準(zhǔn)確度：LNG加氣機(jī)準(zhǔn)確度等級要求不低于1.0級，從目前的現(xiàn)場測試結(jié)果來看，90%以上的加氣機(jī)都滿足指標(biāo)要求。

(2) 流量范圍：按照LNG加氣機(jī)的加注流量，把加氣機(jī)流量范圍分為低流量區(qū)和高流量區(qū)，10 kg/min≤低區(qū)加注流量<20 kg/min，20 kg/min≤高區(qū)加注流量<80 kg/min。檢定流量點(diǎn)的選取應(yīng)滿足流量區(qū)加注流量的要求。加氣機(jī)應(yīng)至少在低流量區(qū)和高流量區(qū)的檢定流量點(diǎn)下分別檢定3次。

(3) 付費(fèi)單位：LNG加氣機(jī)的付費(fèi)單位只能采用質(zhì)量計(jì)費(fèi)，即千克，這樣才能與加氣站上游供氣部門的計(jì)量單位相統(tǒng)一。

(4) 周期檢定方法：周期檢定大部分在各加氣站現(xiàn)場進(jìn)行，考慮到現(xiàn)場的安全性和可操作性，推薦采用標(biāo)準(zhǔn)表法加氣機(jī)檢定裝置。

(5) 雙流量計(jì)加氣機(jī)：據(jù)測算，回氣計(jì)量最大可達(dá)到加氣量的10%～20%，加氣機(jī)的準(zhǔn)確度為1.0級，因此不推薦無回氣計(jì)量的單流量加氣機(jī)。用于貿(mào)易結(jié)算的加氣機(jī)，回氣管路必須安裝用于計(jì)量回氣的氣相流量計(jì)。

(6) 誤差調(diào)整：加氣機(jī)應(yīng)具備計(jì)量誤差調(diào)整功能。對能改變計(jì)量性能的重要參數(shù)，應(yīng)采用機(jī)械或電子封印以確保加氣機(jī)參數(shù)不能被隨意更改。

(7) 檢定周期：參照CNG加氣機(jī)的檢定規(guī)程，LNG加氣機(jī)的檢定周期不超過半年。

2.3量值溯源和傳遞

2.3.1計(jì)量測試介質(zhì)

目前，國內(nèi)外LNG加氣機(jī)生產(chǎn)廠家一般采用液氮進(jìn)行LNG加氣機(jī)出廠試驗(yàn)。對比分析LNG和液氮的理化性質(zhì)可知，二者飽和蒸汽壓、溫度范圍較為接近，而密度則差異較大。從安全性和技術(shù)可操作性方面而言，應(yīng)用液氮替代法檢測LNG加氣機(jī)和流量計(jì)是可行的。但由于液氮和LNG兩種介質(zhì)的理化性質(zhì)并不完全相同，可能會引起流量計(jì)流量測量方面的誤差。因此，需要嚴(yán)格控制溫度、壓力等狀態(tài)參數(shù)，并構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，以便對測量結(jié)果進(jìn)行修正[7]。

2.3.2原級標(biāo)準(zhǔn)裝置

國外，自2010年開始，荷蘭國家計(jì)量院(NMI)、VSL、德國PTB等12家流量檢測技術(shù)領(lǐng)先的技術(shù)機(jī)構(gòu)組成聯(lián)合研究小組，開展了LNG計(jì)量項(xiàng)目研究工作，計(jì)劃建立LNG質(zhì)量法流量原級標(biāo)準(zhǔn)裝置，流量范圍為5～25 m3/h，目標(biāo)不確定度為0.05%(k=2)；原級標(biāo)準(zhǔn)裝置已于2011年8月在荷蘭建成，采用稱重法，擴(kuò)展不確定度為1.07%(k=2)，原理見圖2。顯然，該裝置不確定度與目標(biāo)值相距甚遠(yuǎn)，目前正在作進(jìn)一步改進(jìn)[7]。

國內(nèi)，中國測試技術(shù)研究院也正在實(shí)施類似荷蘭原級標(biāo)準(zhǔn)裝置的質(zhì)量法低溫液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的研制，該裝置建成后，將用于LNG加氣機(jī)的溯源問題，可對LNG加氣機(jī)檢定裝置和LNG流量計(jì)開展檢定和校準(zhǔn)工作。

2.3.3量值溯源和傳遞框圖

中國測試技術(shù)研究院計(jì)劃建設(shè)的LNG加氣機(jī)的最高標(biāo)準(zhǔn)為質(zhì)量法低溫液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，其測量范圍≤150 kg/min，不確定度U=0.1%(k=2)，可對LNG加氣機(jī)檢定裝置和LNG流量計(jì)開展采用低溫介質(zhì)的檢定和校準(zhǔn)工作；次級標(biāo)準(zhǔn)及工作標(biāo)準(zhǔn)為LNG加氣機(jī)檢定裝置，其測量范圍≤80 kg/min，不確定度U=0.3%(k=2)，可在現(xiàn)場對LNG加氣機(jī)開展檢定和校準(zhǔn)工作。量值溯源和傳遞框圖見圖3。內(nèi)蒙古、山東等地已出臺了LNG加氣機(jī)的地方檢定規(guī)程，四川、江蘇、貴州等也建立了LNG加氣機(jī)的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，加氣機(jī)的檢定工作已在全國逐步開展。

3 LNG加氣機(jī)的發(fā)展趨勢

3.1LNG加氣機(jī)的法規(guī)化管理

由于LNG加氣機(jī)相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)的缺失，LNG加氣機(jī)的銘牌標(biāo)識以及命名等方面存在相對混亂的現(xiàn)象，為了規(guī)范市場，急需解決。根據(jù)國家有關(guān)部門的規(guī)劃，即將制定LNG加氣機(jī)法制管理的技術(shù)文件。

3.2LNG流量計(jì)的國產(chǎn)化

LNG加氣機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，科里奧利質(zhì)量流量計(jì)作為加氣機(jī)的核心部件，由于技術(shù)原因，目前主要被國外公司壟斷，如艾默生公司生產(chǎn)的CMF系列質(zhì)量流量計(jì)和Endress+Hauser公司生產(chǎn)的83F低溫型質(zhì)量流量計(jì)，由于其價(jià)格較貴，限制了LNG加氣機(jī)在我國的推廣應(yīng)用。因此，對低溫流量計(jì)的研制有著十分重要的意義，目前國內(nèi)一些單位正在積極研制適應(yīng)于低溫介質(zhì)的流量計(jì)。

3.3LNG加氣機(jī)的強(qiáng)制檢定

LNG加氣機(jī)屬于貿(mào)易交接的計(jì)量器具。隨著LNG加氣機(jī)國家檢定規(guī)程出臺，LNG加氣機(jī)也必然會列入需要強(qiáng)制檢定的工作計(jì)量器具目錄，對LNG加氣機(jī)依法開展強(qiáng)制檢定，將會進(jìn)一步促進(jìn)該產(chǎn)業(yè)的快速健康發(fā)展。

4 結(jié) 語

LNG加氣機(jī)產(chǎn)業(yè)目前尚屬起步階段，跟蹤國際LNG流量計(jì)量研究前沿技術(shù)，開展LNG加氣機(jī)量傳體系的建設(shè)和研究工作、研制各級標(biāo)準(zhǔn)裝置、制定相關(guān)技術(shù)法規(guī)成為當(dāng)前計(jì)量科研工作者相當(dāng)迫切的研究課題?？偟膩碚f，建立我國LNG加氣機(jī)量值傳遞和溯源體系的任務(wù)還十分艱巨，要克服的技術(shù)難題還很多，需要廣大計(jì)量工作者長期而艱辛的努力，才能促進(jìn)我國計(jì)量科技事業(yè)的不斷發(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，第一版.

[2] 顧安忠，魯雪生，金國強(qiáng)，等. 液化天然氣技術(shù)手冊[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010，第一版.

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Constructionofquantity-transfersystemofLNGdispensersinChina

ZhaoPujun,XiongMaotao,YangXiujie,LeiLi,LuoYanfei,YangZhao

(NationalInstituteofMeasurementandTestingTechnology,Chengdu610021,Sichuan,China)

With the rapid increase of the LNG gas stations and the LNG vehicles, the LNG dispensers are increasingly available. The working principle of LNG dispensers as the starting point, the national verification regulation and the program for pattern evaluation of LNG dispensers are introduced. The traceability and transfer of quantity of LNG are analyzed. The developing tendency of LNG dispensers in China is prospected. The research results of the paper will promote the development and study of LNG dispensers industry.

LNG dispensers, quantity-transfer system, national verification regulation, traceability and transfer of quantity

TE626.7

：ADOI: 10.3969/j.issn.1007-3426.2014.01.018

2013-08-16；

2013-09-29；編輯：鐘國利

趙普俊(1965-)，男，四川閬中人，研究員，碩士，主要從事流量計(jì)量科研工作。地址：(610021)四川省成都市玉雙路10號中國測試技術(shù)研究院流量研究所。電話：028-84403582。E-mail：zhaopj@vip.sina.com