CNG加气站压缩天然气的计量.docx

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CNG加气站压缩天然气的计量

CNG加气站压缩天然气的计量

刘锡麟

原发表在《计量技术》杂志2001年第6期

新浪博客《秋林红似火》

摘要：

本文详细论述了天然气和压缩天然气的计量特点，国内外常用的计量方法和仪器，以及这些仪器的工作原理和应用范围。

依据作者多年从事CNG加气站工作的经验和教训，提出了CNG加气站中压缩天然气的计量原则，分析了影响售气机计量准确度的各种因素，对如何在现场标定售气机，以提高压缩天然气的计量准确度的具体方法进行了详尽的介绍，具有一定的实用价值。

关键词：

CNG加气站压缩天然气计量

一、压缩天然气计量的特点

⒈天然气和其它气体一样，在标准状态下（我国为0.1Mpa20℃），其质量、体积和密度存在着简单的正比例关系，亦可近似用理想状态方程处理；

⒉压缩天然气（CNG）体积和质量的关系除了与密度有关外，还受到温度、压力、以及压缩因子和气体组份等因素的影响；

⒊压缩天然气（CNG）计量时一般要换算成标准状态，还要依据温度、压力进行必要的补偿修正；

⒋压缩天然气（CNG）的计量过程中，气体的温度和压力，尤其是压力处在不停的变化中，人工很难进行补偿修正，必须依靠自动化程度较高的在线测量系统进行；

⒌压缩天然气（CNG）的气体组分经常变化，引起气体密度的变化，若采用体积进行计量时，必然引起计量准确度的变化；

⒍在售气机现场的高压状态下进行天然气密度（指标准状态下的密度）的分析测量比较困难，一般都只能近似采用长输管线末站采样计算的密度值；

⒎为了保证售气机的计量准确度，要由专业人员定时对售气机进行校准标定，时间间隔不能太长，至少一年一次。

三、气体计量中所涉及的常用技术术语

⒈流量范围

在允许误差限内，流量计的流量测量范围，称为流量范围。

流量范围的上限值，称为最大流量，流量范围的下限值，称为最小流量。

⒉零点不稳定度

零点不稳定度俗称零点漂移。

零点不稳定度表达了仪表测量真实零流量的能力。

即当流量为零时，流量计无规则输出信号的幅度。

零点不稳定度以质量流量的工程单位kg/min或kg/h表示，是科氏力式质量流量计的重要技术指标之一。

⒊准确度

准确度是衡量仪表测量误差大小的一个指标，它表示与测量结果真值的一致程度。

一般常用测量结果中的系统误差与随机误差的综合来表示。

在表述科氏力式质量流量计的准确度时，常用以下三种方法：

⑴相对误差：

各流量测量点的测量误差用各测量点的绝对误差与被测流量真实值的比值来表示。

绝对误差

即：

相对误差=·100%

被测量真实值

以相对误差形式表示的流量计的准确度，又称作“流量百分比准确度”。

⑵引用误差：

各流量测量点的测量误差用各测量点的绝对误差与流量计满量程流量的比值来表示。

绝对误差

即：

引用误差=·100%

流量计满量程流量

以引用误差形式表示的流量计的准确度，又称作“满量程百分比准确度”。

⑶带零点不稳定度的流量百分比准确度：

各流量点的测量误差用流量百分比加零点不稳定度来表示。

⒋　重复性

重复性是指在相同的测量条件下（如同一方法、统一观测者、用同一计量器具，在同一实验室内），对同一被测量值连续多次测量时，其测量结果间的一致程度。

稳定度好的流量计其测量结果的重复性一般也较好。

重复性好、线性亦好的偏差一般可采用线性修正法予以修正。

对于重复性好、线性度不好的偏差，可以采用逐点修正法或分段修正法予以修正。

⒌　灵敏度

仪表的灵敏度，是指仪表对被测量量值变化的反映能力。

流量计的灵敏度用流量计的输出变化量与相应的被测量变化量的比值来表示。

四、天然气的常用计量方法

⒈用压力表计算法

这种最简单的天然气的计量方法，在我国许多地方的CNG加气站都可以见到。

这种计量装置非常简单，在加气管道上有一个压力表，表的前后各有一个阀门。

给汽车加气时，依据车载气瓶的容积和加气前后的压力差，经计算求得所加气的体积数。

如车载气瓶的水容积是50L，加气时先打开靠近气瓶的阀门，可测出气瓶里的气压，如1Mpa，再打开另一个阀门，加气到20Mpa，前后气压差为19Mpa，所加气体体积为：

50L×19MPa/0.1Mpa=9500L=9.5m3

这种计量方法误差很大。

夏天加气还是冬天加气，是通过储气瓶组冷加气还是由压缩机直接热加气，尽管压力差相同，但由于温度影响很大，所加的气体体积实际上大不相同。

⒉以科里奥利质量流量计进行计量

目前各国CNG加气站绝大多数都使用这种类型的售气机。

其中的科里奥利质量流量计是一种80年代才发展起来的新型流量测量仪表。

再配以计算机控制，并增加了温度和压缩热补偿功能，以及各种保护功能，不但使售气机的计量准确度有了很大提高，而且更加安全可靠。

⒊以音速文丘利质量流量计进行低压天然气计量

这种售气机主要在城市天然气管网中，作为低压天然气用气量的计量器具，也得到广泛的应用。

⒋以音速文丘利质量流量计进行压缩天然气计量

这种售气机主要用在CNG加气站中。

由于它的测量方法不但要测量差压，还需要测量气体的温度，在给定的工作压力（1～25MPa）和工作温度（-30～70℃）范围内，它具有快速自动跟踪工况变化，正确完成有关参数的检测运算，精确修正流量计量的功能。

⒌孔板式流量计量法

它是利用伯努利方程原理来测量流量的差压式流量计量法中的一种，主要用在测量油气田中开采出的天然气的流量。

⒍涡轮式流量计量法

它是利用测量流体流速来测量流量的速度式流量计量法（也属于体积流量计量法）中的一种，主要用在CNG加气站进气管线中的低压天然气的流量测量。

五、主要计量仪器的工作原理

⒈科里奥利质量流量计

科里奥利质量流量计，又称科氏力式质量流量计，是一种采用崭新测量原理的流量测量仪表，自80年代初期进入商品化以来，得到了较快的发展。

科氏力式质量流量计是运用流体质量流量对振动管振荡的调制作用为原理，以质量流量测量为目的的流量计。

它是利用振动而不是转动的方法实现质量流量的测量。

它一般由一次装置与二次装置所组成。

一次装置，即流量传感器。

这是一种基于科里奥利效应的相位敏感型谐振式传感器。

二次装置，即流量变送器。

是以微处理器为核心的电子系统。

它用来向一次装置提供驱动力，并将一次装置的信号转换为质量流量信号及其它一些有意义的参数信号，同时具有根据温度参数对质量流量和密度测量进行补偿、修正的功能。

科里奥利质量流量计与传统的流量测量方式相比，有如下几个突出的特点：

⑴它能够直接测量管道内流体的质量流量，即直接得到质量流量信号。

这种测量方式，由于不需要经过中间参数的测量和转换，从而避免了多个中间环节的测量引出的误差，质量流量的测量准确度高、重复性好，可在比较大的量程比范围内，实现对流体质量流量的高准确度直接测量。

⑵适应的流体介质面宽。

它除可测量一般粘度的均匀流体之外，还可测量各种高粘度、非牛顿型流体。

对于含有少量固相成分的流体以及含有少量气相成分的流体，在一定条件下也可以适用。

⑶科里奥利质量流量计的测量准确度从原理上说，可以近似的认为不受被测介质的物理参数和管内流动状态的影响。

⑷在流体流过的质量流量计管道内部，无障碍物和活动部件，因而可靠性高，使用寿命长，日常维修量小。

⑸除可直接测量流体的质量流量外，还可直接测量流体的密度和温度，智能化的流量变送器，可以提供多种参数的显示和控制功能，是一种集多功能为一体的流量测控仪表。

⒉音速文丘利质量流量计

音速文丘利质量流量计，应属于间接式或称推导式测量方法。

该质量流量计应用文丘利管的喷嘴入口处和喉部之间的压力差的变化，与喷嘴喉部气流速度之间的关系设计制造成流量传感器，当天然气流经该传感器时，可取得天然气的压力、差压及温度变化信号，经具有特殊功能的能流量仪的检测和运算，即可实现高精度的流量计量。

音速文丘利质量流量计，由高精度、宽量程音速——亚音速文丘利流量传感器和智能型流量仪为主机，配上性能优良的防爆型压力变送器、高静压差压变送器、小惯性温度变送器、高清晰度显示器、精密压力表等组成具有独特功能的压缩天然气流量计量系统。

⒊差压式质量流量计

差压式质量流量计由孔板和定量泵组成。

在主管道安装孔板，在孔板上游和下游两侧设置分流管，在分流管中设置定流量泵，以产生一定体积流量的循环流。

该循环流和主流方向相同或相反时，可在孔板前后所产生两个压力差。

当使用定流量泵使分流管中循环流量为常数时，这两个压力差相减所得压差值与主流管道内的质量流量成正比。

实用的结构方案分为两孔板方式和四孔板方式。

⒋标准孔板计量计

标准孔板计量计也应属于差压式流量计量计中的一种，但在结构和原理上不同于上述的压差式流量计量法。

天然气流经孔板节流装置时，流束在孔板处形成局部收缩，从而可使流速增加，静压力降低，在孔板前后产生静压力差（差压），气流的流速越大，孔板前后产生的差压也越大，从而可通过测量差压来衡量天然气流过节流装置的流量大小。

这种测量流量的方法是以能量守恒定律和流动连续性方程为基础的。

⒌双涡轮式质量流量计

双涡轮式质量流量计主要是由两个倾角不同的涡轮组成。

在同一轴线上前后安装两个倾角不同的叶轮，两叶轮之间通过扭簧连接。

当流体通过时，由于两个叶轮倾角不同，产生的推动力矩也不同，于是两叶轮之间会产生一个偏移角，相应的在扭转弹簧上边产生一个扭转力矩来平衡量叶轮的推动力矩差，并使叶轮组作为一个整体旋转。

由涡轮流量计原理可知，在一定流量范围内，叶轮组的旋转角速度与流体的流速成正比关系。

而叶轮组转过偏移角所需的时间与流体的质量流量成正比。

测出了这个时间，即可测得流体的质量流量。

⒍补偿式质量流量计

这种质量流量计采用了质量流量的一种间接式测量方法，也称为质量流量推导式测量方法。

它是在分别测量多个参数的基础上，通过运算器计算得到流体的质量流量。

补偿式质量流量计的测量方法，就是在测量流体的温度和压力后，利用流体的密度ρ与温度Т、压力P之间的关系求出该温度、压力状况下的密度值，再由流体体积流量乘以密度值得到流体质量流量。

流体密度ρ是流体的温度和压力的函数。

当流体压力、温度变化时，就会引起流体密度的变化。

尤其当被测介质是气体时，温度、压力的变化对密度的影响就更大。

为了能间接求出流体的质量流量，就必须在测量流体体积流量的同时测量流体的密度。

一般来说，测量气体的温度、压力这两个参数较测量气体的密度更易实现，通过温度、压力的补偿方式对气体质量流量进行测量的关键问题就是要寻找ρ=f（p,T）的函数关系式。

目前常采用的方法是先测出工况温度和压力条件下气体的体积流量，再换算成标准状态下的体积流量或质量流量。

流量信号一般可选用涡街、涡轮和孔板等体积流量计，得到与流量成正比的频率量或模拟量。

温度信号常采用测温敏感元件通过温度变送器，得到模拟量。

压力信号通过压力变送器，得到模拟量。

将上述三个频率或模拟量送入流量演算仪，按照所预置的气体补偿方程进行运算，从而得到标准状态下的气体体积流量，如需得到气体的质量流量，则将标准状态下的气体体积流量乘以标准状态下的气体密度值即可求得。

天然气气体的密度不仅随温度变化，对压力变化也非常敏感，还应该考虑气体压缩系数的影响。

当用理想气态方程进行计算时必须用压缩系数进行修正。

压缩系数随气体而异，且随气体压力、温度而变化。

在较低的压力下，在理想气体成立的范围内，压缩系数为1。

一般在中低压状态下，压缩系数可近似看作1。

但对于高温高压气体流量的测量则必须考虑气体压缩系数变化的影响。

25Mpa的压缩天然气流量的计量显然要考虑这一点。

六、影响CNG计量准确度的因素和提高计量准确度的方法

⒈影响CNG计量准确度的主要因素

⑴售气机所选流量计的类型

从上面的介绍可以知道，售气机的计量传感器，即流量计有体积流量计也有质量流量计；有间接测量法也有直接测量法，而且每一种的工作原理和结构型式都不同，适用范围和测量准确度也不相同，必然对售气机的计量准确度有一定的影响。

⑵售气机中CNG压力的变化

售气机给汽车加气的过程，是CNG压力不断变化的过程。

从开始的最大流量，到加气结束时的零流量，相应的压力从几乎0.1Mpa（取决于气瓶中剩余气体的多少）逐步到达最大压力20Mpa。

由于天然气在不同压力下的压缩因子是不同的，因此压力的变化，引起压缩因子的变化，最终必然影响经过计量并换算成标准状态下的气体体积数的准确度。

⑶售气机附近环境温度的变化

天然气和所有气体一样，对温度的变化比较敏感。

随着环境温度的变化，所测出的气体体积数误差很大，尤其在夏天和冬天尤为突出。

另外，售气机的气体来自地面储气瓶组（温度较低），还是直接来自正在运行中的压缩机（温度较高），这个压缩热也会对计量体积造成较大的影响。

⑷天然气密度值的变化

当用体积作为计量单位时，密度值的变化引起的影响是不容忽视的。

即使按某时的气体密度校准了设备，但过了一段时间后，又会由于气田气体组分和密度的变化产生较大误差。

一般天然气的组分报告都是在气田或长输管线的末站采样，它所得的出的气体密度与售气机计量时的压缩天然气密度（换算成标准状态）有着较大的误差。

一方面从末站到加气站的管输过程中可能由于各种原因引起变化，另一方面售气机计量的天然气，经过脱水干燥、脱硫（有些脱硫工艺还要加湿）、混油除油、分离部分高碳烃后，必然引起气体密度的改变。

最好的办法是在售气机后取样，测出密度用于校准计量仪器。

但由于压力很高，现场操作不太方便难以进行。

另外天然气组分报告难以按规定三个月检测一次，往往脱很长时间，甚至一年以上，

计量监管部门也不可能经常对现场的售气机进行测量标定，这些都对保证售气机的计量准确度带来一定的困难。

⑸标准计量器具的准确度

校准标定售气机时所用标准计量器具的准确度，对售气机的计量准确度的影响是显而易见的。

按照常识，校准用的标准计量器具的精度，应远远高于被校准的计量设备。

然而我们时常在现场可见到，一些用户用一般的台秤（计量误差至少在5%以上）来校准售气机，这个售气机的计量准确度就可想而知了。

⑹计量标准温度的设定

天然气计量时所采用的标准状态，各个国家都有不同的规定，主要是标准温度不同。

例如，美国、英国、加拿大、和澳大利亚等国为15℃；俄罗斯为0或20℃；法国、德国、日本等国为0℃；我国国标为20℃（GB1314-77）；ISO7504标准则规定为0℃。

标准温度不同，密度值则不同，依据质量流量计测量出的天然气的质量，经计算所得到的标准状态下的体积数必然不同。

所以进口售气机在我国应用时一定要注意这一点。

⒉提高CNG计量准确度的方法

从前述可知，实现气体的精确测量是比较困难的。

天然气，尤其是压缩天然气，又由于其自身的特点，不可能象液体甚至固体那样获得很高的计量准确度。

但从实用角度看，CNG售气机作为一种一般的民用计量设备，花费很大代价将其计量准确度提得很高似乎没有必要，也是一种浪费。

因此各国都从实际出发给出了比较合适的精度等级标准。

如美国标准规定售气机的系统计量准确度为1.5～2%，我国标准规定为1%（CJJ844-2000《汽车用燃气加气站技术规范》），但许多地区计量监管部门实际都按不大于3%来控制。

⑴选择合适的售气机。

比如，若用体积为计量单位时，应选用带有温度和压缩热补偿功能，并能通过修改密度的方法进行校准的售气机比较合适；

⑵若采用进口售气机，应要求外商按我国标准温度进行设定或计算；

⑶由于天然气的组分经常变化，引起密度值的变化，因此有条件的地方至少一年应通过计量监管部门将售气机校准一次；

⑷采用称重法在现场校准售气机比较方便，但所用的称重器具的精度应远远高于要校准的售气机。

作为标准计量器具，其计量准确度值至少小于售气机准确度值的1/3，如售气机为1%，称重秤则应为0.3%；

⑸用气瓶充气称重时，每称一次后应将气体放掉再充气，若采用累加充气的方法，由于气体温度的影响，可能引起较大的误差。

注意放气时一定要用导线将瓶口接地，以免静电引起事故。

⑹如果所用的容器没有装过天然气，还必须先进行气体置换后方可充装天然气；

⑺测量现场不要有阳光直射，也不要有风，以免影响测量结果。

七、售气机的标定方法

我们以美国ANGI公司生产的售气机为例来介绍售气机的标定方法。

⒈称重器具，我们选用了一台高精度电子衡，满量程50kg，显示值为00.000kg，由于小数点后第三位数不稳定，所以有效数位为0.01即10g，最小读数只能为5g，计量准确度为0.02%；

⒉盛装容器，我们用了一个50L水容积的复合材料气瓶，工作压力20Mpa，大约可盛装20Mpa的压缩天然气7.4kg；

⒊标定步骤：

⑴将用户所提供的最近一次测出的管输天然气密度值输入售气机；

⑵先用电子衡称出瓶重，再充装天然气，并记录售气机显示的体积数，取小数点后三位；

⑶用毛重减去瓶重得到所装天然气的净重（该电子衡也可自动减去气瓶皮重得到净重），取小数点后三位；

⑷用显示的体积数和输入的密度值，求得所测天然气的计算质量；

⑸由下式求得相对误差：

计算质量－净重

相对误差=×100%≤1%

净重

⑹将瓶中的气体放掉，再将上述步骤重复两次，得到三个相对误差值，并求出平均误差值；

⑺若平均相对误差大于1%（我国有关标准规定值），依据平均误差的偏离情况（+值或－值），对设定的密度值进行修改调整；

⑻再重复上述步骤三次，看平均误差值是否不大于1%，否则继续进行上述步骤，直到满足要求为止。

⒋这种方法实际上是通过迭代法（逐步逼近法），使售气机中所设定的密度值，尽可能的接近售气机输出的天然气密度的真实值，同时还可以消除售气机的系统误差，从而提高售气机的计量准确度。

⒌下表是某次现场标定时的测量数据，以供参考。

枪号测量次数

设定密

度值

（kg/m3）

显示体积数（m3）

计算质量

（kg）

测量气体质量（kg）

相对误差

（%）

平均误差值（%）

充气前

充气后

净重

A1.1

0.759

3.368

2.556

40.254

42.749

2.495

2.44

2.77

A1.2

0.759

3.334

2.531

41.367

43.891

2.524

2.77

A1.3

0.759

4.052

3.075

41.563

44.546

2.983

3.10

A2.1

0.740

5.342

3.979

41.025

45.040

4.015

-0.89

-1.19

A2.2

0.740

6.123

4.562

40.985

45.610

4.625

-1.36

A2.3

0.740

4.234

3.154

40.564

43.760

3.196

-1.31

A3.1

0.745

3.567

2.657

41.327

43.964

2.637

0.77

0.97

A3.2

0.745

2.985

2.224

41.123

43.321

2.198

1.18

A3.3

0.745

3.487

2.600

40.456

43.031

2.575

0.97

CNG加气站在我国的发展时间还比较短，压缩天然气的计量还难免存在着这样或那样的问题，比如售气机的标定和计量监管还没有标准可依，计量单位还不统一，就是售气机上加气枪的接口标准也都五花八门，给天然气车辆的加气带来许多不便。

当然，这些都会随着事业的发展逐步得到有效的解决。

附：

几种CNG质量流量计和售气机的介绍

⒈美国MicroMoution公司质量流量计

型号：

DH-25

DH-38

DH-100

额定流量：

DH-250～13Ib/min（0～340kg/h）

DH-380～25Ib/min（0～680kg/h）

DH-1000～118Ib/min（0～3198kg/h）

最大流量：

DH-250～25Ib/min（0～680kg/h）

DH-380～50Ib/min（0～1360kg/h）

DH-1000～235Ib/min（0～6395kg/h）

最小测量质量：

2.5Ib（1.13kg）

测量准确度：

±0.5%±〔（零点稳定度/流量）×100〕%

重复性：

±0.25%±〔0.5（零点稳定度/流量）×100〕%

零点稳定度：

0.025Ib/min（0.68kg/h）

工作温度：

精度：

±1℃±0.5%×读数

可重复性：

±0.2℃

范围：

-240～177℃

⒉北京首科石化自动化设备有限公司质量流量计

型号：

DMF-Ⅱ-3

测量范围：

60～1200kg/h

准确度：

±0.2%±〔（零点稳定度/流量）×100〕%

流量量程比：

10：

1

零点稳定度：

≤0.6kg/h

重复性：

±0.1%±〔0.5（零点稳定度/流量）×100〕%

传感器耐压：

25Mpa

测量管材质：

316L或1Cr18Ni9Ti

传感器通径：

10mm

介质温度：

-100～200℃

环境温度：

-20～50℃

相对湿度：

45～95%

输出信号：

0～10KHz频率信号，集电极开路输出

防爆标志：

（Ex）d（ib）ibⅡBT3

电源电压：

220VAC±10%，50±2Hz

⒊美国ANGI公司CNG售气机

型号：

MCDS

最大流量：

1500，9000Nm3/h/枪

最大工作压力：

25MPa

加气压力：

20MPa

计量计准确度：

±0.5%

加气枪数：

2

显示面板：

双面显示

显示内容：

总价/气价/单价（累计加气量）

加气枪接口标准：

NGV-1型

进气模式：

三管进气

顺序控制方式：

内置电磁式

附加功能：

环境温度补偿功能

压缩热补偿功能

过压保护功能

加气软管脱开安全保护功能

⒋加拿大KRUAS公司CNG售气机

⑴标准售气机：

型号：

DAM3C

系列：

单枪SAM1C/3C系列

双枪DAM2C/3C系列

豪华单双枪系列

标准流量：

500，1000SCFM（850,1700Nm3/h）

设计压力：

5000psig（35MPa）

加气压力：

3000或3600psig（在70℉，21℃时）

功能：

内置顺序控制装置

⑵高流量加气计：

主要用于重型车辆及CNG子站拖车加气

加气流量：

2000-5000SCFM（3400-8500Nm3/h）

进气模式：

单管进气及三管进气

⒌美国MARCUM公司CNG售气机

质量流量计：

Apex-M25：

DH25（MicroMotion）

Apex-M38：

DH38

Apex-S：

DH100

型号：

Apex-M25最大工作压力4000psig（27.6MPa）

Apex-M38最大工作压力5000psig（34.5MPa）

Apex-S最大工作压力5000psig（34.5MPa）

工作温度：

-40～150℉（-40～66℃）

流量：

Apex-M25550scfm（11.25kg/min）

Apex-M381100scfm（22.5kg/min）

Apex-S1200scfm（24.75kg/min）

控制方式：

微处理器

显示：

形式：

LCD

销售总价：

6位数，最小设置0.01单位

售气体计：

6位数，最小设置0.001单位

销售单价：

4位数，最小设置0.001单位

信息：

20个字符，可滚动显示，由用户编程

电源：

110VAC，3A

重量：

203kg

附加功能：

环境温度补偿功能

压缩热补偿功能

泄漏