摘要：隨著我國LNG汽車產業(yè)的不斷發(fā)展，LNG加氣站不斷增加，LNG加氣機日益得到廣泛的應用。為此，詳細介紹了LNG加氣機的組成、工作原理及工作流程，分析了我國LNG加氣機的市場及技術現狀，指出目前LNG加氣機市場還存在著LNG科里奧利質量流量計價格昂貴和單、雙流量計加氣機并存等一系列問題，展望了我國LNG加氣機產業(yè)的發(fā)展方向：①LNG科里奧利質量流量計的國產化；②單流量計LNG加氣機的發(fā)展；③LNG加氣機的強制檢定；④LNG加氣機的產業(yè)化。這將有助于促進我國LNG加氣機行業(yè)提高產品的技術水平并擴大國內外市場份額。
關鍵詞：LNG汽車；LNG加氣機；發(fā)展現狀；LNG質量流量計；單流量計；雙流量計；檢定規(guī)程；產業(yè)化
LNG加氣機是將LNG加氣站液化后的天然氣加注到LNG汽車的一種超低溫計量設備，由LNG質量流量計、管路系統(tǒng)和電腦控制系統(tǒng)組成[1～2]。國內LNG加氣機技術日趨成熟，并已形成了相關產業(yè)。
1 LNG加氣機簡介
1.1 工作原理
LNG加氣機是用于LNG貿易結算的設備，分為單流量計加氣機和雙流量計加氣機。單流量計加氣機無回氣管和氣相流量計，僅用于車瓶壓力低的系統(tǒng)，成本較低。雙流量計加氣機有氣相流量計對回氣進行計量，并從總量中扣減，系統(tǒng)計量精度高，但成本較高[3]。
LNG加氣機根據直接測量流體質量的原理計量經過LNG加氣機充入LNG儲氣瓶中的LNG液量。同時，LNG加氣機采用先進的測控技術對計量過程進行自動控制，加氣機顯示屏直接顯示LNG的瞬時流量、單價、金額及加液累計量，并可遠程通信，實現計算機中央管理。
1.2 組成
LNG加氣機的整機主要由以下3部分組成：
1) LNG質量流量計。
2) 機殼、閥門及管路系統(tǒng)，包括壓力傳感器、低溫氣動閥、低溫安全閥、低溫止回閥、低溫截止閥、低溫緊急切斷閥、金屬軟管、加液槍頭、回氣槍頭、加氣槍座、回氣槍座和低溫工藝管道等。
3) 電腦控制系統(tǒng)和防爆控制電源等電氣系統(tǒng)。
1.3 工作流程
圖1為LNG加氣機的工作流程圖，其流程包括：
1) 將LNG加氣機的加液槍插到LNG加氣機的大循環(huán)槍口上，按下加氣機鍵盤上的“預冷”鍵，加氣機開始預冷。LNG液體從加氣機進液管道流向調節(jié)閥、止回閥1、液相質量流量計、氣動閥、LNG加氣機加液金屬軟管、加液槍、大循環(huán)槍口和截止閥，最后經管路回到LNG儲罐，當加氣機內部管路充滿液體、且相關狀態(tài)參數達到冷卻要求后預冷結束。此階段加氣機不計量。
2) 預冷結束后，將LNG加氣機的加液槍插入車載LNG儲氣瓶進液口，回氣槍插入儲氣瓶回氣口，按下LNG加氣機鍵盤上的“加氣”鍵，加氣機開始加氣。LNG液體從加氣機進液管道流向止回閥1、液相質量流量計、氣動閥、LNG加氣機加液金屬軟管和加液槍，然后進入車載LNG儲氣瓶；車載LNG儲氣瓶內已經氣化的LNG蒸發(fā)氣經回氣槍、LNG加氣機回氣金屬軟管、止回閥2、氣相質量流量計及回氣管路回到LNG儲罐。LNG加氣機的加氣量為液相質量流量計與氣相質量流量計的計量值之差，加氣機會自動計算差值并顯示。當汽車LNG儲氣瓶加滿LNG后加氣機自動停機(也可提前手動停機或定額加氣)。
3) LNG加氣機停機后從車載LNG儲氣瓶先取下回氣槍，再取下加液槍，將加液槍插入LNG加氣機的加液槍座，完成加氣。
4) 在整個加氣過程中，質量流量計測出流經LNG加氣機的流體密度和質量等參數的物理信號，由信號轉換器轉換成電脈沖信號傳送到控制器，LNG加氣機上的壓力傳感器和控制器可以將LNG加氣機的工作狀態(tài)傳輸給LNG加氣站服務器，使其對整個加氣過程進行監(jiān)控，自動完成加氣工作。
2 LNG加氣機的市場現狀
21世紀初，LNG加氣機就在中國市場上開始應用，當時主要使用的是加拿大FTI國際集團的LNG加氣機，此產品在長沙和北京的LNG加氣站都有應用。隨后，我國部分CNG加氣機企業(yè)開始研制LNG加氣機，但由于當時國內LNG市場尚未成熟，很多關鍵的技術難題沒有解決，產品存在許多缺陷，總體上沒有規(guī)模生產量，處于為國外產品補缺的配角地位。
2004年以后，隨著國內LNG市場的日趨成熟和我國裝備制造業(yè)整體水平的快速提高，LNG加氣機在國內市場得到日益廣泛的應用，同時，國內LNG加氣機生產企業(yè)通過走自主創(chuàng)新與技術引進相結合的道路，逐漸突破了LNG加氣機制造中的某些關鍵性技術，所產LNG加氣機的技術指標達到甚至部分超過了進口產品的質量標準。目前，成都華氣厚普機電科技有限責任公司、重慶四聯油氣設備制造有限公司、北京長空機械有限責任公司、南京新冶電氣工程有限公司和北京長征天民科技有限公司等企業(yè)生產的LNG加氣機產品占據了國內90%以上的市場份額，部分產品已經出口到巴基斯坦、印度尼西亞等國家，而進口LNG加氣機由于價格昂貴，技術上也無優(yōu)勢，在中國市場的份額逐年減少。
3 LNG加氣機的技術現狀
3.1 LNG科里奧利質量流量計
LNG流量計是整個LNG加氣機的核心部件。流量計的選型直接影響LNG加氣機的性能。根據以往石油和天然氣貿易交接應用中所用的流量計量方法，最合理的LNG流量測量計包括：差壓(孔板式)流量計、渦輪流量計、超聲波流量計和科里奧利質量流量計，其中差壓流量計和渦輪流量計是得到公認的傳統(tǒng)技術，但用其來測量低溫的LNG時卻存在一些困難：差壓裝置和渦輪流量計都會使流量管內的壓力大大降低，這可能導致LNG氣化；差壓流量計還要求管道上游和下游為長距離直線型布局，計量的流量范圍不廣。而超聲波流量計和科里奧利質量流量計被視為新技術，得到了美國石油學會(API)、美國天然氣協會(AGA)和國際法制計量組織(OIML)的認可，但在LNG貿易交接過程中使用超聲波流量計仍存在一些問題，而科里奧利質量流量計是目前應用最成功的LNG流量計。圖2所示的即為使用中的LNG科里奧利質量流量計。目前，美國艾默生旗下的高準公司生產的CMF系列質量流量計和Endress+Hauser公司生產的83F低溫型質量流量計以其耐低溫和性能穩(wěn)定的優(yōu)點得到了LNG加氣機行業(yè)的認同。但是，LNG加氣機在加液過程中難免會發(fā)生LNG的部分氣化，氣液兩相的存在對科里奧利質量流量計的計量精度影響很大，其中氣相流量計量的準確性對加氣機計量精度有著至關重要的影響，目前科里奧利質量流量計液相計量的精度可達±0.10%，而氣相計量的精度只有±0.35%，這是需要進一步解決的技術難題[4]。
3.2 LNG加氣機回氣問題
目前國內LNG加氣機主要采用雙流量計的計量方式，即采用液相質量流量計和氣相質量流量計分別測量加液和回氣的質量，二者之差才是LNG加氣機計量的最終結果。采用單流量計還是雙流量計主要取決于LNG汽車儲氣瓶和使用壓力的要求。歐美國家的LNG汽車使用的均是噴淋式儲氣瓶，在加氣的過程中液態(tài)LNG可以把氣態(tài)的LNG重新液化，降低了儲氣瓶內的氣相壓力，這就為使用單流量計提供了前提條件。而我國早期使用的LNG汽車儲氣瓶不是噴淋式儲氣瓶，不能將LNG蒸發(fā)氣有效地液化，所以必須使用雙流量計的LNG加氣機(2個槍頭)。此外，LNG儲氣瓶初次使用和長期擱置后再次使用時，由于LNG儲氣瓶內溫度較高，LNG充裝進去后很快會產生LNG蒸發(fā)氣，造成LNG儲氣瓶內壓力升高，此后LNG液體就難以充裝進LNG儲氣瓶，這時也必須使用雙流量計的LNG加氣機進行回氣。
3.3 LNG加液槍及回氣槍
LNG加液槍及回氣槍附屬于LNG加氣機。目前，我國還沒有出臺LNG加液槍及回氣槍的國家標準，其應用主要以進口產品為主。國內普遍使用的是美國CARTER公司生產的50E701(-1)型LNG專用加氣槍，加液充裝接頭使用的是美國CARTER公司生產的62050型加氣槍座。回氣槍主要使用美國Macro-Tech公司生產的13775型12.7mm快速接頭。這些國際知名廠家生產的產品使用起來十分方便，但價格昂貴，維修周期長。目前，以杭州新亞低溫工業(yè)設備有限公司和成都安迪生測量有限公司為代表的國內公司生產的LNG加液槍及回氣槍以其價格優(yōu)勢已經開始逐步取代進口產品，但其產品的操作性和使用壽命等還有待于進一步提高。
3.4 LNG汽車儲氣瓶
LNG汽車儲氣瓶是LNG汽車儲存LNG的低溫容器，也是LNG加氣機的相關設備。LNG汽車儲氣瓶的生產廠家應取得特種設備制造許可證，并按照國家標準的有關規(guī)定進行設計和制造。LNG汽車儲氣瓶為雙層金屬結構焊接絕熱氣瓶，其內膽和外殼均由優(yōu)質奧氏體不銹鋼制成。氣瓶采用進口絕熱材料包扎，抽成真空，并裝有經過特殊處理的吸附劑，以便長時間保持高真空和良好的絕熱性能。LNG儲氣瓶內膽設置有液位感應器和加液噴淋裝置等，主要作用是盛裝并貯存LNG。LNG儲氣瓶外膽與內膽共同構成真空空間，保護內膽并對氣瓶起支承作用。LNG汽車儲氣瓶的儲存壓力接近常壓，充滿LNG的儲氣瓶的貯存壓力從0MPa升到0.7MPa的無損時間一般超過15天，安全性能好。
對于相同體積的容器，LNG的儲存能量密度是CNG儲存能量密度的2.5～3.0倍(不同材質有所不同)。目前，國內已研制出62L、160L、175L、240L、275L、335L、375L和410L等不同規(guī)格的LNG汽車儲氣瓶。珠海廣通汽車有限公司就使用了335L的LNG汽車儲氣瓶，1次充裝可續(xù)行530～550km，節(jié)約了加氣時間，減少了LNG加氣站的數量。
3.5 LNG加氣機控制系統(tǒng)
目前LNG加氣機控制系統(tǒng)的相關技術比較成熟，國內公司在這個領域中已經積累了相當豐富的經驗。LNG加氣機控制系統(tǒng)采用工業(yè)級電子元器件，經過嚴格的電磁兼容性和安全性試驗，保證了LNG加氣機在復雜環(huán)境中的使用。LNG加氣機一般配有符合國家標準防爆等級的打印機和IC卡預留口，并且提供RS485通信接口，以便與LNG加氣站計算機管理系統(tǒng)連接，滿足LNG加氣站的日常經營和管理的需求，同時具有票據打印、加氣記錄查詢和報表統(tǒng)計處理等功能。圖3為LNG加氣機的電氣控制原理圖。
3.6 LNG加氣機的防爆等級
由于LNG加氣機的工作環(huán)境是易燃易爆的危險場所，因此LNG加氣機整機必須防爆，加氣機產品必須要有防爆標志、防爆等級和防爆合格證號，必須滿足GB 3836.1—2000《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設備 第1部分：通用要求》、GB 3836.2—2000《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設備第2部分：隔爆型“d”》和GB 3836.4—2000{爆炸性氣體環(huán)境用電氣設備 第4部分：本質安全型“i”》等國家標準的要求。
3.7 LNG加氣機國家檢定規(guī)程
LNG作為大宗貿易商品，涉及貿易結算和安全防護，必須解決流量量值的準確和統(tǒng)一問題，這不僅直接關系到貿易雙方的利益，而且按照國家《計量法》的規(guī)定，用于貿易交接的LNG加氣機應依法納入強制管理范圍，必須進行型式評價、首次檢定、后續(xù)檢定和周期檢定。目前國內已有多家企業(yè)生產LNG加氣機，但目前尚無LNG加氣機的國家檢定規(guī)程及標準，LNG加氣機的技術指標和試驗方法主要依據GB/T 19237—2003《汽車用壓縮天然氣加氣機》、GB/T 19238—2003《汽車用液化石油氣加氣機》、JJG 996—2005《壓縮天然氣加氣機計量檢定規(guī)程》和JJG 997—2005《液化石油氣加氣機計量檢定規(guī)程》等技術文件，還不能滿足LNG技術標準和加氣機生產技術水平提高的需要。此外，目前各LNG加氣機生產企業(yè)自行制定的企業(yè)標準差異較大，編制的技術指標參數基本都是自己能達到什么程度就寫什么，造成了不同企業(yè)生產的LNG加氣機產品技術指標和質量標準的不統(tǒng)一，相關質監(jiān)技術機構無法對其進行準確客觀的質量評價，已不適應LNG加氣機產業(yè)發(fā)展的新要求。同時由于LNG加氣機計量檢定規(guī)程的缺失，導致相關技術機構也沒有依據對LNG加氣機開展檢定工作，這嚴重影響了貿易交接的公平性。因此，為了統(tǒng)一LNG加氣機的檢定標準，避免各LNG加氣機生產企業(yè)產品技術指標的差異，對LNG加氣機有必要制定全國統(tǒng)一的國家檢定規(guī)程和國家標準，以便更好地規(guī)范LNG加氣機的生產和量值傳遞工作。LNG加氣機的出廠檢定一般采用質量法，檢測設備包括電子天平、真空儲氣罐和液氮試驗臺等。目前，中國測試技術研究院等單位已經開始著手LNG加氣機國家檢定規(guī)程的制定，這必將更好地規(guī)范LNG加氣機的生產和量值傳遞工作，促進我國LNG加氣機產業(yè)的健康發(fā)展。
4 LNG加氣機的發(fā)展方向
4.1 LNG科里奧利質量流量計的國產化
目前LNG加氣機的計量主要采用高準公司生產的CMF系列質量流量計和Endress+Hauser公司生產的83F低溫型質量流量計，該類型流量計準確度高、使用方便，但價格昂貴，極大地限制了LNG加氣機在我國的推廣應用。因此，國產耐低溫LNG科里奧利質量流量計的研制有著十分重要的意義，國內迫切需要研制具有自主知識產權的LNG科里奧利質量流量計，并應用于LNG加氣機。
4.2 單流量計LNG加氣機的發(fā)展
從LNG加氣機的技術發(fā)展趨勢來看，隨著噴淋式LNG汽車儲氣瓶的廣泛使用和儲氣瓶制造水平的進一步提高，單流量計LNG加氣機是未來LNG加氣機的發(fā)展方向。單流量計LNG加氣機減少了1個回氣槍頭和1個氣相質量流量計，大大降低了成本，加氣過程也得到簡化，同時因其只對液態(tài)的LNG進行計量，因此克服了LNG科里奧利質量流量計氣相計量精度不高的缺點，有利于進一步提高LNG加氣機的精度等級，也將簡化其檢定流程。
4.3 LNG加氣機的強制檢定
按照國家《計量法》的規(guī)定，用于貿易交接的LNG加氣機應依法納入強制管理范圍。隨著LNG加氣機的日益廣泛應用，國家有關部門將出臺LNG加氣機國家檢定規(guī)程及標準，從而把LNG加氣機列入需要強制檢定的工作計量器具目錄。
4.4 LNG加氣機的產業(yè)化
近年來我國LNG加氣機行業(yè)發(fā)展迅速，但LNG加氣機產業(yè)化的關鍵技術、相應的檢定裝置和校準尚未完善，制約了該產業(yè)的發(fā)展壯大。因此，急需開展LNG加氣機產業(yè)化關鍵技術的研究、LNG檢定裝置的研制及校準技術的制定，以推動整個LNG加氣機產業(yè)鏈的發(fā)展。一方面要加快制定LNG加氣機產業(yè)發(fā)展規(guī)劃，另一方面應注意積累LNG加氣機的生產管理經驗和使用中的基礎數據，進一步研究適合我國國情和市場現狀的LNG加氣機產業(yè)化關鍵技術，在適當時候完善LNG加氣機的檢定裝置、校準技術及國家檢定規(guī)程，以促進我國LNG加氣機產業(yè)的快速、健康發(fā)展。
5 結束語
隨著我國LNG汽車產業(yè)的不斷發(fā)展，LNG加氣站不斷增加，LNG加氣機的重要性日益顯現出來。“十二五”期間是LNG汽車發(fā)展的良好時期，我國有可能成為未來世界上開發(fā)與應用LNG汽車的領先國家，特別是在重型卡車領域將會有較快的發(fā)展[5]。
目前LNG加氣機市場還有待于發(fā)展成熟，還存在著LNG科里奧利質量流量計價格昂貴、單雙流量計加氣機并存等一系列的問題?？偟膩碚f，LNG加氣機產業(yè)滿足我國經濟發(fā)展對清潔能源的需求，符合國家產業(yè)政策及發(fā)展規(guī)劃，不但能解決經濟發(fā)展對能源的迫切需求，還將對區(qū)域環(huán)境質量的改善作出重大貢獻，也有利于完成節(jié)能減排任務，其社會經濟及環(huán)境效益顯著，有待于進一步健康快速地發(fā)展。
參考文獻
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[5] 劉小麗.中國天然氣市場發(fā)展現狀與特點[J].天然氣工業(yè)，2010，30(7)：1-6.
(本文作者：熊茂濤 趙普俊 張宗平 尹保來 楊修杰 雷勵 中國測試技術研究院)
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