LNG的计量交接：最新超声波测量技术如何满足精度要求

LNG在整条价值链会多次易手，包括公司内部交易、跨公司交易，甚至跨国交易。以最新的Q-Max级LNG运输船为例，其LNG容量高达26.6万m³，每艘船单次装载LNG的财务价值约为5000万欧元（基于2026年在欧洲能源交易所（EEX）交易的LNG的平均密度、热值和平均期货价格）。当从卖方转移到买方时，需要对LNG进行能量计量。如果存在0.1 %的测量不确定性，相当于每艘船在装卸过程中损失约5万欧元的LNG。这些不确定性无法彻底消除，但可以尽可能降低。

LNG的大规模交接是在全球范围内的大型公司之间进行的，因此买卖双方无需遵守任何地方或全球性法规。目前的计量方法并非采用全球通用标准，而是借鉴了其他碳氢化合物产品（例如石油、LPG等）的计量方法，并已纳入《GIIGNL计量交接手册》[3]等最佳实践指南中。前沿性计量方法考虑以下因素：

1. 通过LNG运输船上的液位、温度和密度测量装置（LTD）进行LNG流量测量（体积/质量），其中LNG体积的测量不确定性为0.2...0.55%（k = 2），密度和温度的测量不确定性另加
2. 通过气相色谱仪和蒸发器系统进行LNG品质测量（热值）（例如，[4]测量不确定性为0.04 %和0.07 %（k = 2））。

手册指出，所交接的LNG能量的总不确定性为0.5...0.7%（k = 2）。这个数字相当于每笔大额交易存在约+/-25万至35万欧元的财务不确定性。

对于两个被测变量（流量和品质），现有技术均可在良好的测量条件下输出足够的测量结果。然而，LNG还带来了一些额外挑战，使得在任何情况下都难以实现良好的测量条件。

为了在LNG运输船上获得精确的流量或体积读数，需要特别考虑并校正以下几点（以及其他因素）：

• 不同船舶储罐的几何结构（储罐表），用于将液位读数转换为体积读数，并校正储罐内部装置和温度引起的几何结构变化。
• 由于船舶移动（横倾/纵倾）或由于储罐内部对流导致的LNG储罐移动。
• 储罐内LNG沸腾，导致液相和气相之间的相界模糊。
• LNG运输船上的储罐和码头储罐之间的空隙体积。
• 正确校准和铅封所有相关仪表，并由检验员进行检查，确认所有这些措施均有效且落实到位。
• 装载前后需预留足够的储罐沉降时间，以确保读数稳定；另一方面也需要快速完成LNG交接，以降低泊位占用费。

液化或再气化终端站中的品质测量：

• 尽可能缩短代表性LNG蒸发和取样的时间延迟。

通常情况下，流量测量仪表属于航运公司或船东，而品质测量仪表属于终端站（液化/再气化），这可能会在发生争议时带来额外的复杂性。

与储罐计量或称重（通过地磅）等静态测量方法相比，超声波流量计（UFM）和科里奥利质量流量计（MFM）都属于动态在线测量方法。下表列举了静态和动态LNG流量测量的基本概念、优势和挑战：

从静态测量方法改为动态测量方法可解决下列挑战：

• 不同储罐的几何结构：船舶移动或储罐内的流体流动不会影响测量不确定性。
• 不再需要考虑LNG运输船（例如燃料气体）或相关装置（例如压缩机）内部的空隙体积或流体流动（LNG/BOG）。计量交接点上游属于卖方，下游属于买方。
• 需要检验员检查校准和铅封是否正确的仪表数量大幅减少，而且这些仪表彼此贴近安装。
• 仪表（流量和品质测量）可以完全归一方所有，理论上可以对整套装置进行主备仪表配置（一套撬装设备部署在船舶上，另一套撬装设备在终端站码头上）。

除此之外，UFM还为LNG大流量计量提供了以下优势：

• 适用于36 in或更大管径的管线。
• 无压损（压损会导致BOG/气穴）。
• 提供额外的过程诊断功能（例如声速），用于LNG品质监测。
• 几乎免维护，无漂移。
• 提供符合计量交接认证的UFM型号（例如OIML R117）。

FLOWSIC900流量计专为LNG测量焕新打造，融合了Endress+Hauser和SICK在天然气测量领域的多年专业经验。其通过计量交接认证，符合最新的OIML R117:2019标准，精度等级高达0.3，适用于“非水液体动态测量系统”。按照保守方法估算，如果使用UFM进行测量，系统不确定性可降至0.3%（符合OIML R117标准）。这表示体积测量不确定性降低了0.25 %（从0.55 %降至0.3 %），相当于每艘LNG运输船在装卸过程中面临的财务不确定性降低了约12.5万欧元。

尽管使用UFM能够带来精度优势，但人们对其适用性仍存在诸多顾虑。下一节将简短讨论这些问题。

在符合最新OIML R117:2019标准的计量型式认证过程中，Endress+Hauser与认证机构NMi合作，对仪表在低温LNG条件下的可靠性和测量不确定性进行专门测试。[5]

这包括在特制的低温测试台上进行特殊的传感器测试，确认能否在低温条件下获得稳定和准确的读数，以及在鹿特丹VSL LNG测试台上验证从校准流体（例如水或液态碳氢化合物）到目标流体LNG（低粘度，因此具备高雷诺数）的可转移性，量值可追溯至SI单位。[6]

下图中的校准结果展示了介质的可转移性，以及仪表线性度和向更高雷诺数工况外推的趋势，表明该方法可应用于LNG流量计。

在过去，由于各种原因，LNG或油气行业通常不会迅速采用这项新技术。传统上，技术成为行业标准的步骤如下：首先，让技术变得可用；然后，制定全球、本地和公司标准；最后，使技术得以应用并成为行业标准。

虽然这样能够稳妥安全地利用新技术，但会在一定程度上阻碍创新。另一方面，并没有规定LNG交易必须遵循这些典型步骤。Endress+Hauser诚邀运营商和工程总承包商探讨哪种技术最契合当下和未来的LNG设施。

UFM技术通常可被视为无漂移问题，Endress+Hauser认为其LNG流量计在正常运行期间无需定期执行二次校准。因此，关键在于现场对流量计的信任度，以及如何证明这些测量结果的可靠性。截至本文发布时，市面上已有容量高达4500 m³/h的LNG检定装置，满足24 in.装卸管路的流量要求；当考虑检定数据外推时，甚至支持更大管径[7]。然而，检定过程中会遇到一些实际困难，例如将检定系统运输到流量计处（例如在码头上）、建立计量稳定性以及为检定系统建立正确的过程连接。

通常可以在水或油中执行二次校准，但需要将流量计从（可能）绝缘的管道中取出。从制造商的角度来看，最合适的方法是沿用目前天然气和石油计量领域的标准方法。这种方法采用两台设计不同的UFM（可能来自不同的供应商）组成主备仪表配置。备用流量计定期与主用流量计进行比较，主用流量计可以送去二次校准，而无需停止整条LNG管线的运行。换句话说，只要主用流量计和备用流量计的读数一致，操作员即可认定初始出厂校准仍然有效。

超声波流量计（例如质量流量计）是单相测量条件下的理想选择。通过采取合适的操作预防措施（例如预冷计量管线以及沿整条计量管线安装可靠的隔热材料），即可实现这些条件。

FLOWSIC900的设计能够显著减少进入测量区域的潜在热量，使仪表能够快速冷却。德国德累斯顿-罗森多夫赫尔姆霍兹中心（HZDR）进行的两相流测试表明，在气体体积分数（GVF）高达5%的情况下，仍能保证测量有效性。

过去曾阻碍UFM在LNG交接计量中广泛应用的挑战和顾虑现已基本解决 - 这项技术已经成熟。预计在不久的将来，UFM将在LNG设施中得到越来越广泛的应用。首先，它们将作为过程仪表安装在装卸管线上，用于LNG泵监测或LNG泄漏测量；其次，它们将作为液位计量的参考校验仪表，最终有望成为LNG交接计量的行业标准。全球标准将持续发展，并简化基于UFM或科里奥利流量计的LNG计量系统在从小规模到大规模LNG交易中的应用。最终，测量不确定性将进一步降低，使LNG运营商能够专注于可能持续存在的经济和政治不确定性。

1. “2025年GIIGNL年度报告”，国际LNG进口商组织（GIIGNL），（2025），www.giignl.org/annual-report
2. “2025年壳牌LNG展望”，壳牌，（2025），www.shell.com/what-we-do/oil-and-natural-gas/liquefied-natural-gas-lng/lng-outlook-2025.html
3. “计量交接手册”，GIIGNL，（2021），第6版
4. “液化天然气 - LNG”，德国燃气与水工业协会，www.dvgw.de/themen/gas/gase-und-gasbeschaffenheit/liquefied-natural-gas-lng
5. WINKLER, T., BODENDORFER, K., KLUPSCH, M., RACKOW, S., KADE, A., FRIEDRICH, S., WESER, R.和EHRLICH, A.，“113 用于表征超声波流量测量的低温测试装置”，2023年第17届德国国际低温工程会议和展览（2023年4月24日）。
6. GUGOLE, F., SCHAKEL, M. D., DRUZHKOV, A.和BRUGMAN, M.，“评估替代流体校准方法，以估算可溯源液氢流量测量的不确定性”，《国际氢能杂志》（2024年6月21日）。
7. “LNG服务用低温流量计检定装置”，流量管理设备，https://flowmd.com/application-specific-meter-provers/cryogenic-meter-provers-for-lng-service/