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压缩天然气加气机流量计量准确性分析

时间:2018/06/10来源:未知

摘要:以压缩天然气加气机为分析对象,从其充装汽车燃料的具体流程出发,详细探讨了影响加气机计量准确性的因素:质量流量计和引入经验密度值进行质量体积的换算过程。其中,质量流量计的准确性影响可以通过法定计量检定机构对加气机的定期检定来保证;而经验密度值的影响则可通过对加气站出售的压缩天然气进行准确气质分析来减小。但是,保证加气机计量准确性最有效的方法是全面推进车用压缩天然气计量结算单位改革,将体积单位m~3直接更改为质量单位kg。
 

引言

压缩天然气(CNG)因具有排气污染小、运输成本低和使用安全便捷等显著优点已作为一种理想的清洁能源广泛地应用于汽车燃料[1] 。我国的CNG汽车应用技术在21世纪初就已得到飞速发展,这一发展在国家“西气东输”工程的推进下显得尤为突出。在为汽车充装CNG燃料的加气站成套设备产品中,加气机是最终的天然气输出终端专用计量设备,同时带有计量和计价双重装置。显然,作为一种贸易结算设备,加气机的计量准确与否明显影响贸易的公平公正。为保证贸易双方的合法权益,我国已将压缩天然气加气机纳入国家强制检定工作计量器具的范畴,并发布了相关国家计量检定规程。法定计量检定机构应严格按照计量检定规程的要求,定期对加气机的计量准确性进行核查。本文从压缩天然气加气机的燃料加注流程出发,详细分析了影响加气机计量准确性的因素,并给出了具体的解决方法。

1 压缩天然气加气机的工作原理

目前,市面上投入使用的压缩天然气加气机一般是按照如下流程完成一次燃料充装过程的:从加气站输送过来的压缩天然气分别以高、中、低三路气管线进入加气机(对于双枪加气机,会通过加气机底部的过滤器,分成两路进入左、右两枪的电磁阀)。当开始加气时,低压电磁阀最先通电打开,经开关阀(二通球阀)、质量流量计、加气软管以及软管上的三通球阀和加气枪头给汽车加气。在此过程中,流经流量计传感器的流量信号,会通过变送器转换为电脉冲信号输入到加气机的智能测控系统,经过运算转变为体积(m3)并在显示面板上加以显示(显示面板上同时显示体积、金额、单价)。此时显示的数字是连续跳动的。当低压管道气压力与汽车气瓶内压力达到平衡后,即当低压电磁阀流量小于某设定值时,经智能测控系统控制板识别后自动关闭低压电磁阀,同时打开中压电磁阀。由于中压管道气与汽车气瓶之间存在压力差,因此加气枪又可以给气瓶加气,直至再一次达到压力平衡。经智能测控系统控制板识别后自动关闭中压电磁阀,打开高压电磁阀,高压管道气继续给汽车气瓶充气,直到达到加气机和气瓶上限压力,通常为22 MPa,此时高压电磁阀自动关闭并停机,同时显示窗口上的数字也不再跳动,显示出本次加气过程的加气体积、金额、单价。

2 影响压缩天然气加气机计量准确性的因素

从上述压缩天然气加气机工作过程可以看出,加气机实现最终的体积计量需要经历前后两个步骤:首先质量流量计给出流经其传感器的质量信号,然后智能测控系统自动将质量转换成体积的运算。这两个过程都会对加气机最终的准确计量造成显著的影响。

2.1 质量流量计的影响

质量流量计是加气机实现准确计量的核心部件,它具有以下显著优点:

1)测量精度比较高;

2)不受流体粘度、温度、压力等因素的影响;

3)可以直接测量质量流量和质量。

目前,国内投入使用的加气机质量流量计多采用科氏质量流量计(CMF),即通过测量有流体通过测量管和无流体通过测量管时,二者的相位差实现流量和质量计量。质量流量计对加气机准确计量的影响主要表现在两个方面[2] :

1)流量计的零点漂移

在加气机的应用中,零点漂移表现为在没有加气时,加气机的流量计依然存在流量显示。当检查出零点漂移现象时,使用者只能向加气机制造厂商或流量计制造厂商申请对质量流量计重新进行零点校正来解决这一问题。

2)流量计的重复性问题

重复性是考查计量器具计量性能的一项重要指标,是指在相同的测量条件下,短时间内对同一被测量进行连续多次测量时,所得测量结果之间的一致性程度。解决流量计重复性问题最有效的办法为优化流量计的流场,可以通过改变流量计进出口的安装管路来实现,但是由于加气机投入使用时,安装管路已经成型,这一方法多不被采纳。

2.2 质量和体积换算过程的影响

由于气体质量比较抽象,且我国目前尚未统一实现对气体实行以质量单位kg进行结算的单价模式,因此国内绝大多数投入使用的加气机都是以体积单位m3作为最终的贸易结算单位。要实现这一目的,必须对加气机输出的质量进行换算。在加气机的电子计控器中,气体质量和体积之间按照如下方式进行换算:

计算公式

显然,最终的体积数量取决于三个因素:质量、密度和仪表系数。其中,质量的测量准确与否由质量流量计的准确度控制,并受法定计量检定机构的检定监督。仪表系数在加气机投入使用之前就已设定并可调节。法定计量检定机构在发现加气机示值误差超出允许范围时,往往通过调节仪表系数值来调整示值误差。除质量和仪表系数外,影响体积数量的第三个关键因素便是密度了。由于天然气是一种多组分混合物,其密度受其组成影响较大,因此在加气机的设计过程中,这一数值被设置成可人为调节参数,这就给加气机的计量准确性带来了隐患。而且,现实的换算做法是将密度值定为一个经验密度值0.680 4 kg/m3,这显然不能反映天然气的真实工况。所以,引入密度值进行质量和体积之间的换算大大削弱了加气机的计量准确性。

2.3 密度测量准确性的影响

既然质量和体积之间的换算不可避免地要引入密度值,为充分发挥质量流量计的高精度作用,保证加气机的计量准确性,就需要对天然气的密度进行准确地测量,而不是简单的采用一个经验密度值。然而,在实际应用中,并没有直接测量天然气密度的试验方法,天然气的密度一般都是根据其组成进行计算得到的[3] 。国家标准GB/T 11062-1998《天然气发热量、密度、相对密度和沃泊指数的计算方法》规定了在计量参比条件下(20℃,101.325 k Pa)天然气密度的计算方法,即:

计算公式

式中,p、T、R均是已知的,bj查表可得,因此,密度值的准确性取决于天然气组成分析的准确性。天然气的组成可根据国家标准GB/T13610《天然气的组成分析气相色谱法》中要求检测得到。根据我们对本地区所采集车用压缩天然气样品的组成分析可知,压缩天然气中90%(摩尔分数)以上含量的组分为甲烷,此外还存在少量乙烷、丙烷、C4、C5烃类组分以及二氧化碳、氧气和氮气等无机组分。根据其组成计算得到的密度值一般在(0.700 0~0.720 0)kg/m3区域内浮动,此值比经验密度值0.680 4 kg/m3偏大2%~5%,由此可见密度值不准确对加气机体积计量会产生巨大影响。

为避免这一问题,政府相关监管部门应该定期对加气站出售的车用压缩天然气进行气体质量分析监管,保证密度值的真实。一般来说,在固定区域内,加气站充装的天然气来源是比较固定的,组分变化不大,因此并不需要频繁更改密度值。对设置好的密度值可以参照以下措施进行保护:

1)密码保护,由监管人员根据气质报告校准密度,并设定密码,加气站对此密码不知情;

2)屏蔽接口,在主板后设置接口,由监管人员用专门的接口元器件修改密度值;

3)加以铅封。

另一个解决避免引入密度值进行质量和体积换算的方法,即是全面推进车用压缩天然气计量结算单位改革,将体积单位m3直接更改为质量单位kg。在此种情况下,就只有质量流量计的准确度可以影响加气机的计量准确性,更利于加气机的监管,保证贸易的公平公正。随着国家计量检定规程JJG 996-2012《压缩天然气加气机》的全面贯彻实施[4] ,计量单位更改已经势在必行。目前,重庆、福建等地区已经率先将压缩天然气加气机计量单位由体积单位m3转换成质量单位kg。而压缩天然气的单价也随着计量单位的变更有所变化,新的单价一般是用原有单价除以标准密度换算系数(0.680 4)得来。

3 结束语

本文以压缩天然气加气机为分析对象,从其充装汽车燃料的具体流程出发,详细探讨了影响加气机计量准确性的因素:质量流量计和引入经验密度值进行质量体积的换算过程。其中,质量流量计的准确性影响可以通过法定计量检定机构对加气机的定期检定来保证;而经验密度值的影响则可通过对加气站出售的压缩天然气进行准确气质分析来减小。但是,保证加气机计量准确性最有效的方法是全面推进车用压缩天然气计量结算单位改革,将体积单位m3直接更改为质量单位kg。


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