中國LNG加氣機的市場、技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展方向

摘 要

摘要：隨著我國LNG汽車產(chǎn)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(yīng)用。為此，詳細(xì)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(shù)
摘要：隨著我國LNG汽車產(chǎn)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(yīng)用。為此，詳細(xì)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(shù)現(xiàn)狀，指出目前LNG加氣機市場還存在著LNG科里奧利質(zhì)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(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向：①LNG科里奧利質(zhì)量流量計的國產(chǎn)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(chǎn)業(yè)化。這將有助于促進(jìn)我國LNG加氣機行業(yè)提高產(chǎn)品的技術(shù)水平并擴(kuò)大國內(nèi)外市場份額。
關(guān)鍵詞：LNG汽車；LNG加氣機；發(fā)展現(xiàn)狀；LNG質(zhì)量流量計；單流量計；雙流量計；檢定規(guī)程；產(chǎn)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(shè)備，由LNG質(zhì)量流量計、管路系統(tǒng)和電腦控制系統(tǒng)組成[1～2]。國內(nèi)LNG加氣機技術(shù)日趨成熟，并已形成了相關(guān)產(chǎn)業(yè)。
1 LNG加氣機簡介
1.1 工作原理
   LNG加氣機是用于LNG貿(mào)易結(jié)算的設(shè)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(jìn)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(jù)直接測量流體質(zhì)量的原理計量經(jīng)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(jìn)的測控技術(shù)對計量過程進(jìn)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(yuǎn)程通信，實現(xiàn)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(zhì)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(yù)冷”鍵，加氣機開始預(yù)冷。LNG液體從加氣機進(jìn)液管道流向調(diào)節(jié)閥、止回閥1、液相質(zhì)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(jīng)管路回到LNG儲罐，當(dāng)加氣機內(nèi)部管路充滿液體、且相關(guān)狀態(tài)參數(shù)達(dá)到冷卻要求后預(yù)冷結(jié)束。此階段加氣機不計量。
    2) 預(yù)冷結(jié)束后，將LNG加氣機的加液槍插入車載LNG儲氣瓶進(jìn)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(jìn)液管道流向止回閥1、液相質(zhì)量流量計、氣動閥、LNG加氣機加液金屬軟管和加液槍，然后進(jìn)入車載LNG儲氣瓶；車載LNG儲氣瓶內(nèi)已經(jīng)氣化的LNG蒸發(fā)氣經(jīng)回氣槍、LNG加氣機回氣金屬軟管、止回閥2、氣相質(zhì)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(zhì)量流量計與氣相質(zhì)量流量計的計量值之差，加氣機會自動計算差值并顯示。當(dāng)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(zhì)量流量計測出流經(jīng)LNG加氣機的流體密度和質(zhì)量等參數(shù)的物理信號，由信號轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)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(wù)器，使其對整個加氣過程進(jìn)行監(jiān)控，自動完成加氣工作。
2 LNG加氣機的市場現(xiàn)狀
    21世紀(jì)初，LNG加氣機就在中國市場上開始應(yīng)用，當(dāng)時主要使用的是加拿大FTI國際集團(tuán)的LNG加氣機，此產(chǎn)品在長沙和北京的LNG加氣站都有應(yīng)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(dāng)時國內(nèi)LNG市場尚未成熟，很多關(guān)鍵的技術(shù)難題沒有解決，產(chǎn)品存在許多缺陷，總體上沒有規(guī)模生產(chǎn)量，處于為國外產(chǎn)品補缺的配角地位。
    2004年以后，隨著國內(nèi)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(nèi)市場得到日益廣泛的應(yīng)用，同時，國內(nèi)LNG加氣機生產(chǎn)企業(yè)通過走自主創(chuàng)新與技術(shù)引進(jìn)相結(jié)合的道路，逐漸突破了LNG加氣機制造中的某些關(guān)鍵性技術(shù)，所產(chǎn)LNG加氣機的技術(shù)指標(biāo)達(dá)到甚至部分超過了進(jìn)口產(chǎn)品的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。目前，成都華氣厚普機電科技有限責(zé)任公司、重慶四聯(lián)油氣設(shè)備制造有限公司、北京長空機械有限責(zé)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(chǎn)的LNG加氣機產(chǎn)品占據(jù)了國內(nèi)90%以上的市場份額，部分產(chǎn)品已經(jīng)出口到巴基斯坦、印度尼西亞等國家，而進(jìn)口LNG加氣機由于價格昂貴，技術(shù)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(shù)現(xiàn)狀
3.1 LNG科里奧利質(zhì)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(jù)以往石油和天然氣貿(mào)易交接應(yīng)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(zhì)量流量計，其中差壓流量計和渦輪流量計是得到公認(rèn)的傳統(tǒng)技術(shù)，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(nèi)的壓力大大降低，這可能導(dǎo)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(zhì)量流量計被視為新技術(shù)，得到了美國石油學(xué)會(API)、美國天然氣協(xié)會(AGA)和國際法制計量組織(OIML)的認(rèn)可，但在LNG貿(mào)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(zhì)量流量計是目前應(yīng)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(zhì)量流量計。目前，美國艾默生旗下的高準(zhǔn)公司生產(chǎn)的CMF系列質(zhì)量流量計和Endress+Hauser公司生產(chǎn)的83F低溫型質(zhì)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(rèn)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(zhì)量流量計的計量精度影響很大，其中氣相流量計量的準(zhǔn)確性對加氣機計量精度有著至關(guān)重要的影響，目前科里奧利質(zhì)量流量計液相計量的精度可達(dá)±0.10%，而氣相計量的精度只有±0.35%，這是需要進(jìn)一步解決的技術(shù)難題[4]。

3.2 LNG加氣機回氣問題
    目前國內(nèi)LNG加氣機主要采用雙流量計的計量方式，即采用液相質(zhì)量流量計和氣相質(zhì)量流量計分別測量加液和回氣的質(zhì)量，二者之差才是LNG加氣機計量的最終結(jié)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(nèi)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(nèi)溫度較高，LNG充裝進(jìn)去后很快會產(chǎn)生LNG蒸發(fā)氣，造成LNG儲氣瓶內(nèi)壓力升高，此后LNG液體就難以充裝進(jìn)LNG儲氣瓶，這時也必須使用雙流量計的LNG加氣機進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)，其應(yīng)用主要以進(jìn)口產(chǎn)品為主。國內(nèi)普遍使用的是美國CARTER公司生產(chǎn)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(chǎn)的62050型加氣槍座?；貧鈽屩饕褂妹绹鳰acro-Tech公司生產(chǎn)的13775型12.7mm快速接頭。這些國際知名廠家生產(chǎn)的產(chǎn)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(shè)備有限公司和成都安迪生測量有限公司為代表的國內(nèi)公司生產(chǎn)的LNG加液槍及回氣槍以其價格優(yōu)勢已經(jīng)開始逐步取代進(jìn)口產(chǎn)品，但其產(chǎn)品的操作性和使用壽命等還有待于進(jìn)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(guān)設(shè)備。LNG汽車儲氣瓶的生產(chǎn)廠家應(yīng)取得特種設(shè)備制造許可證，并按照國家標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行設(shè)計和制造。LNG汽車儲氣瓶為雙層金屬結(jié)構(gòu)焊接絕熱氣瓶，其內(nèi)膽和外殼均由優(yōu)質(zhì)奧氏體不銹鋼制成。氣瓶采用進(jìn)口絕熱材料包扎，抽成真空，并裝有經(jīng)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(nèi)膽設(shè)置有液位感應(yīng)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(nèi)膽共同構(gòu)成真空空間，保護(hù)內(nèi)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(zhì)有所不同)。目前，國內(nèi)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(shù)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(guān)技術(shù)比較成熟，國內(nèi)公司在這個領(lǐng)域中已經(jīng)積累了相當(dāng)豐富的經(jīng)驗。LNG加氣機控制系統(tǒng)采用工業(yè)級電子元器件，經(jīng)過嚴(yán)格的電磁兼容性和安全性試驗，保證了LNG加氣機在復(fù)雜環(huán)境中的使用。LNG加氣機一般配有符合國家標(biāo)準(zhǔn)防爆等級的打印機和IC卡預(yù)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(jīng)營和管理的需求，同時具有票據(jù)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(chǎn)品必須要有防爆標(biāo)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(shè)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(shè)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(shè)備 第4部分：本質(zhì)安全型“i”》等國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。
3.7 LNG加氣機國家檢定規(guī)程
    LNG作為大宗貿(mào)易商品，涉及貿(mào)易結(jié)算和安全防護(hù)，必須解決流量量值的準(zhǔn)確和統(tǒng)一問題，這不僅直接關(guān)系到貿(mào)易雙方的利益，而且按照國家《計量法》的規(guī)定，用于貿(mào)易交接的LNG加氣機應(yīng)依法納入強制管理范圍，必須進(jìn)行型式評價、首次檢定、后續(xù)檢定和周期檢定。目前國內(nèi)已有多家企業(yè)生產(chǎn)LNG加氣機，但目前尚無LNG加氣機的國家檢定規(guī)程及標(biāo)準(zhǔn)，LNG加氣機的技術(shù)指標(biāo)和試驗方法主要依據(jù)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(shù)文件，還不能滿足LNG技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和加氣機生產(chǎn)技術(shù)水平提高的需要。此外，目前各LNG加氣機生產(chǎn)企業(yè)自行制定的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)差異較大，編制的技術(shù)指標(biāo)參數(shù)基本都是自己能達(dá)到什么程度就寫什么，造成了不同企業(yè)生產(chǎn)的LNG加氣機產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的不統(tǒng)一，相關(guān)質(zhì)監(jiān)技術(shù)機構(gòu)無法對其進(jìn)行準(zhǔn)確客觀的質(zhì)量評價，已不適應(yīng)LNG加氣機產(chǎn)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(dǎo)致相關(guān)技術(shù)機構(gòu)也沒有依據(jù)對LNG加氣機開展檢定工作，這嚴(yán)重影響了貿(mào)易交接的公平性。因此，為了統(tǒng)一LNG加氣機的檢定標(biāo)準(zhǔn)，避免各LNG加氣機生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)，以便更好地規(guī)范LNG加氣機的生產(chǎn)和量值傳遞工作。LNG加氣機的出廠檢定一般采用質(zhì)量法，檢測設(shè)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(shù)研究院等單位已經(jīng)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(chǎn)和量值傳遞工作，促進(jìn)我國LNG加氣機產(chǎn)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(zhì)量流量計的國產(chǎn)化
    目前LNG加氣機的計量主要采用高準(zhǔn)公司生產(chǎn)的CMF系列質(zhì)量流量計和Endress+Hauser公司生產(chǎn)的83F低溫型質(zhì)量流量計，該類型流量計準(zhǔn)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(yīng)用。因此，國產(chǎn)耐低溫LNG科里奧利質(zhì)量流量計的研制有著十分重要的意義，國內(nèi)迫切需要研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的LNG科里奧利質(zhì)量流量計，并應(yīng)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(shù)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(jìn)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(zhì)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(jìn)行計量，因此克服了LNG科里奧利質(zhì)量流量計氣相計量精度不高的缺點，有利于進(jìn)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(mào)易交接的LNG加氣機應(yīng)依法納入強制管理范圍。隨著LNG加氣機的日益廣泛應(yīng)用，國家有關(guān)部門將出臺LNG加氣機國家檢定規(guī)程及標(biāo)準(zhǔn)，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(chǎn)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(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵技術(shù)、相應(yīng)的檢定裝置和校準(zhǔn)尚未完善，制約了該產(chǎn)業(yè)的發(fā)展壯大。因此，急需開展LNG加氣機產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)的研究、LNG檢定裝置的研制及校準(zhǔn)技術(shù)的制定，以推動整個LNG加氣機產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。一方面要加快制定LNG加氣機產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，另一方面應(yīng)注意積累LNG加氣機的生產(chǎn)管理經(jīng)驗和使用中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步研究適合我國國情和市場現(xiàn)狀的LNG加氣機產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)，在適當(dāng)時候完善LNG加氣機的檢定裝置、校準(zhǔn)技術(shù)及國家檢定規(guī)程，以促進(jìn)我國LNG加氣機產(chǎn)業(yè)的快速、健康發(fā)展。
5 結(jié)束語
    隨著我國LNG汽車產(chǎn)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(xiàn)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(yīng)用LNG汽車的領(lǐng)先國家，特別是在重型卡車領(lǐng)域?qū)休^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(zhì)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(chǎn)業(yè)滿足我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展對清潔能源的需求，符合國家產(chǎn)業(yè)政策及發(fā)展規(guī)劃，不但能解決經(jīng)濟(jì)發(fā)展對能源的迫切需求，還將對區(qū)域環(huán)境質(zhì)量的改善作出重大貢獻(xiàn)，也有利于完成節(jié)能減排任務(wù)，其社會經(jīng)濟(jì)及環(huán)境效益顯著，有待于進(jìn)一步健康快速地發(fā)展。
參考文獻(xiàn)
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(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(shù)研究院)