CNG加气站压缩天然气的计量

刘 锡 麟

原发表于《计量技术》杂志2001年第六期

百度《秋林红似火》

摘要：本文论述了天然气的计量特点，常用的计量方法和仪器。提出了CNG加气站中压缩天然气的计量原则和提高售气机计量准确度的方法，具有一定的实用价值。

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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；

二、天然气的常用计量方法和仪器

⒈ 用压力表计算法

这种计量方法，在我国许多地方的CNG加气站都可以见到。其计量装置非常简单，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。

这种计量方法误差很大。是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器。

科里奥利质量流量计，是运用流体质量流量对振动管振荡的调制作用为原理，实现质量流量的测量。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。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。

⒊ 以音速文丘利质量流量计进行天然气计量

主要在城市天然气管网中，作为低压天然气用气量的计量。音速文丘利质量流量计量，属于间接式测量方法，当天然气流经该流量计时，取得天然气的压力、差压及温度变化信号，经能流量仪的检测和运算，即可实现流量计量。

用在CNG加气站中的这种流量计，工作压力要高达25Mpa。

⒋ 涡轮式流量计量法

这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。

三、影响CNG计量准确度的主要因素

⒈ 售气机所选流量计的类型

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，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，必然造成售气机的计量准确度也不一样。

⒉ 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，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变化的，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。

⒊ 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。

⒋ 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。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）有着较大误差。因为售气机计量的天然气，是经过脱水干燥、脱硫、混油除油、分离部分高碳烃后的压缩天然气，其密度必然要发生变化。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。

⒌ 标准计量器具的准确度

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。

⒍ 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。

四、提高售气机计量准确度的方法

从前面的分析可知，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，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。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》）。

如何在现有的条件下，尽可能地提高CNG售气机的计量准确度，我们的经验是：

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 用称重法在现场校准售气机。这种方法比较方便，但应注意几点：

①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%，称重秤则不要超过0.3%；

②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。

③测量现场不要有阳光直射，也不要有风，以免影响测量结果。

五、售气机的标定试验

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50 kg，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5 g，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 下表是一次现场标定时的测量数据，以供参考。

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。

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