简析槽道式流量计在LNG交接计量中应用的可行性*

吴丹

大庆油田设计院有限公司

液化天然气（LNG）是唯一清洁、高效的化石能源，在世界范围内被广泛使用。与传统燃料相比，LNG不仅能够有效降低CO2排放量，助力“双碳”目标实现，还具有单位热值高、经济性高的优点，能为保障我国能源安全发挥积极作用[1]。我国到2018 年已成为全球最大的LNG 进口国，LNG 产业进入了发展“快车道”，随着交易量逐年攀升，贸易各方对LNG 计量的准确性与可靠性要求大幅提高。

LNG国际贸易双方签订长期销售合同，使用货轮运输，采用测量船舱液位转换体积量值的静态计量方式，以能量单位进行交接。国内LNG 交接计量主要发生在LNG 接收站内。接收站主要用于接收、存储和气化来自国外的LNG，并通过管道或槽车方式外运。在LNG 到岸交接过程中，货轮连接接收站卸料臂后，调平吃水后进行船舱液位的首次计量，卸货完毕吹扫合格后调平吃水进行船舱液位的末次计量。根据首、末液位差值和船样组分，进行温度和压力补偿后，计算得到LNG 到岸量。不难发现，在上述计量过程中，液位受天气影响较大。尤其在冬季，货轮多、海浪大，船舱液位的计量误差较夏季显著增大。根据国际惯例、国家要求，计量遵循“交方计量、接方监护”的原则，接收站采用以储罐为计量器具的静态计量方式监护。但该方式存在现场测量不确定度高达1.0%（k=2），无法动态实时核查，储罐溯源难度大等缺点，无法为接收站履行接方权责提供保障。此外，储罐的LNG经低压输送至槽车装车总管，以地秤为计量器具进行交接计量。初步估算，每车装货为20 t 时，与地秤偏差为40～80 kg，亟需应用流量计进行量值核查，确保公平、公正。

从国内某LNG 接收站2016 年至2019 年计量基础数据分析发现，到岸卸船量和槽车加注量均与库存相差较大，存在误差。原因在于LNG 静态计量结果的准确度受多种因素影响，如船舱液位偏差、LNG采样、温度和压力测量误差等[2]，且无法动态监护。为此，国内外计量技术机构聚焦LNG 流量计的应用与溯源技术，以加速LNG 计量体系的完善。

1 LNG流量计应用现状

LNG 流量计主要应用在LNG 到岸卸船计量、槽车加注计量和汽车加注计量这3 个环节[3]，类型为超声流量计、差压式流量计（孔板）、涡轮流量计和科里奥利质量流量计[4-5]。

1.1 LNG卸船计量流量计

LNG经过船舱内的卸料泵加压后，通过多路汇管进入LNG 卸料臂，再汇入到接收站的LNG 卸料总管，最终进入LNG 储罐。LNG 卸船流量计在国外有应用，安装在LNG 卸料总管上。由于卸料总管口径大，一般在DN300左右，通常选用量程比宽的多声道超声流量计，其最大测量流量可达到13 000 m3/h，例如美国阿拉斯加州基奈半岛LNG传输管线上使用8声道超声流量计。但超声流量计价格较高且溯源困难，采用激光多普勒（LDV）方法溯源的技术路线仍不成熟。

1.2 槽车加注计量流量计

LNG加注量由槽车加注前后在同一地秤上称量质量差所得。单台槽车自重约30 t，每次加注量约为24 t，两者量级一致，加之地秤使用环境条件差，降低了LNG 加注量的计量准确度。为提高槽车加注计量准确度，目前国内外已开展流量计替代地秤计量的研究。已有研究中，形成了返气臂上增设气态质量流量计、液相加注管中串联质量流量计的计量工艺技术。由于液相加注管路中LNG 易气化，因此在槽车加注前需对液相加注管路进行提前预冷，并保持管线不发生振动，减少对质量流量计计量准确度的影响。

1.3 汽车加注计量流量计

LNG汽车加注采用动态计量方式，多使用科里奥利质量流量计。国际上使用的LNG 汽车加注机主要分为单向充装式和带气相返回式，单向充装式只有液相加注管线，而带气相返回式则多了一条气体返回管线连接到被加注车辆的储液箱上，用于加注过程中车辆储罐内气体返回LNG 储罐，LNG 加注量即为液相来液管线与气相返回管线的两个质量流量计计量的数值之差。但汽车加注时要保持流量计处于稳定运行状态，避免受到电磁干扰，以降低计量准确度。

1.4 流量计比对分析

超声流量计虽然可实现大口径计量，技术也比较成熟，但需要进口且价格高昂。孔板流量计无可动部件，计量LNG 时无需考虑流体摩擦与内部润滑的问题，但压力损失较大，量程范围窄，降低了LNG计量准确度。涡轮流量计，具有宽量程和低压降的特点，但需考虑其转子和轴承等在高速转动下摩擦系数与温度间的关系。科里奥利质量流量计直接测得LNG 质量，具有量程比宽、内部无可动部件、不需要前后直管段等特点，但必须保持运行状态稳定，当受到振动干扰时会降低测量准确度。考虑上述4种流量计的特性，尝试寻找一种适应能力强、测量准确度高、量程范围宽的新型流量计，以实现LNG动态计量的规模应用。

2 槽道式流量计

2.1 测量原理

槽道式流量计是我国自主研发的新型差压式流量计，主要由表体、纺锤体、固定支撑片、引压管和测温口构成（图1）。纺锤体在管道中由前后支撑片支撑，保护其能经受介质的冲击。任何流体经过纺锤体时，边界层重新整合，获得均匀流场和相同速度，避免流动分离，从原理上使测量重复性和准确度得到进一步提高，同时显著减少了压力损失[6]。

图1 槽道式流量计结构Fig.1 Structure of spindle flowmeter

根据纺锤体前部和中部形成的压力差与流量之间的函数关系确定流量。其基本原理计算公式为差压型流量计通用公式：

式中：qm为质量流量，kg/s；C为流出系数；ε为气体可膨胀性系数；β为直径比（节流件孔径与上游管道内径之比）；Δp为通过纺锤体的差压，Pa；d为节流件的孔径，m；ρ为上游流体密度，kg/m3。

2.2 测量特点

槽道式流量计的节流装置即纺锤体，是依据空气动力学原理设计的，并用遗传基因算法进行了优化，使其流体逐渐在管线边壁收缩，原来的管流特性改变，两侧边界层重新形成，在两侧边界层之间流体是均匀流动的，可对不同的复杂流体在流量计内部实现运动相似[7-9]。纺锤体设计为流线型，流体经过后不会造成流动分离和漩涡，保证了测量的高准确度。节流装置有很强的整流作用，且产生的尾流很短，压力损失小，对下游设备影响小，大大缩短所需要的直管段，适应性强[10-11]。槽道式流量计压力信号稳定，信噪比较高，单表量程比可大于10∶1，且还可继续扩展。因此，采用耐低温材质的槽道式流量计测量LNG，理论上不仅可以提高测量准确度，而且结构简单，无可动部件。

2.3 实际应用分析

2.3.1 实验室测试

为验证槽道式流量计测量的准确度，分别对某站在用的DN100、DN250、DN600 型3 台槽道式流量计实验室测试数据进行了分析，其中检定数据如表1、表2、表3所示。

表1 DN100槽道式流量计检定数据Tab.1 Verification data of DN100 spindle flowmeter

表2 DN250槽道式流量计检定数据Tab.2 Verification data of DN250 spindle flowmeter

表3 DN600槽道式流量计检定数据Tab.3 Verification data of DN600 spindle flowmeter

从测试数据看，3台槽道式流量计的相对误差均在±0.40%内，每台流量计校准大流量点示值误差的测量结果相对扩展不确定度在0.45%以内。说明该仪表有较好的测量准确度和较宽的量程比，能适用于大口径流量计量。

2.3.2 现场测试情况

目前槽道式流量计已在多种介质的流量测量中应用，也对其进行了多方面的性能验证。其中，某站对槽道式流量计、孔板流量计和涡轮流量计分别进行了比对测试。

（1）把同口径DN100的孔板流量计和槽道式流量计串联安装，记录每天仪表数据，连续记录10天，试验结果如图2所示。

图2 孔板流量计与槽道流量计比对试验Fig.2 Comparison test of orifice flowmeter and spindle flowmeter

从图2中可以看出，槽道流量计与孔板流量计数据基本一致，产生的误差很小，误差的来源主要是槽道式流量计与孔板流量计使用的天然气密度略有差别。

（2）把同口径DN50 的涡轮流量计和槽道式流量计串联安装，记录每天仪表的显示数据，连续记录10天，试验结果如图3所示。

图3 涡轮流量计与槽道流量计比对试验Fig.3 Comparison test of turbine flowmeter and spindle flowmeter

由图3可看出，天然气密度进行修正后，槽道式流量计与涡轮流量计计量结果基本一致，特别是最后4天曲线基本重合，现场的瞬时流量显示完全一样。从计量性能上看，槽道式流量计可以等同于涡轮流量计使用。但是从结构上，槽道式流量计无可动部件，不会产生摩擦，使用寿命更长。

通过以上对比试验可以发现，槽道式流量计在计量性能上与其他两种流量计基本一致，理论上具备应用于LNG计量的可行性。

3 结论

槽道式流量计作为一种新型的节流式流量计，在LNG 计量方面存在以下优点：①适应介质多，具有很强的流动调节能力，可以对LNG 实现流量计内部运动相似；②结构可靠，无可动部件，节流装置固定，对LNG 来液形成槽道流动，避免流动分离，在形成较高差压的同时压损很小，计量准确度高；③节流装置产生的尾流短，对LNG 计量上、下游直管段要求低，现场适应性强；④流量计量程比宽，单表可达到10∶1。

未来LNG 计量技术发展中，槽道式流量计在LNG上的应用具有较强的推广空间，但还需进一步深入研讨，通过现场试验验证其适应性，形成技术准则，指导现场使用，支撑LNG动态计量体系完善。